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Messung des Bremsvermögens von flüssigem Wasser für Kohlenstoffionen

08.07.2014

In der Strahlentherapie mit schweren Ionen ist das Bremsvermögen von Wasser die elementare Größe zur Berechnung von Dosisverteilungen in der Bestrahlungsplanung. Für hohe Projektilenergien kann das Bremsvermögen mit Hilfe der Bethe-Bloch-Gleichung [1] theoretisch berechnet werden, wohingegen für niedrige Projektilenergien im Bereich des maximalen Bremsvermögens komplexe Wechselwirkungen vorherrschen, für die bislang keine gültige Theorie existiert. In diesem Energiebereich existieren für schwere Ionen bislang auch keine experimentellen Daten für das Bremsvermögen. Stattdessen werden in Wasserdampf oder D2O-Eis durchgeführte Messungen auf die flüssige Phase extrapoliert.

Ziel dieser Arbeit ist es, das Bremsvermögen von Kohlenstoffionen mit kinetischen Energien im Bereich des maximalen Bremsvermögens (ca. 4 MeV) für flüssiges Wasser zu bestimmen.

Dieses kann mit Hilfe der sogenannten Inverted Doppler Shift Attenuation Methode unter Voraussetzung der bekannten Lebensdauer (ca. 61 fs) des angeregten Zustands der Kohlenstoffkerne ermittelt werden [2].

Die angeregten Kohlenstoffionen werden durch Beschuss eines dünnen Kohlenstofftargets mit α-Teilchen erzeugt [3]. Hierfür wurde ein Target entwickelt, das aus einer dünnen Eintrittsfolie aus Tantal besteht, auf die eine 20 nm dicke Kohlenstoffschicht aufgebracht ist. Aufgabe der Eintrittsfolie ist es, bei möglichst geringem Einfluss auf Energie und Winkelverteilung der α-Teilchen, sowie geringstmöglichem Untergrundbeitrag das Wasservolumen vom Vakuum des Strahlrohrs zu trennen. Material und Dicke der Eintrittsfolie wurden gemäß den Ergebnissen von Monte-Carlo-Simulationen der Energie- und Winkelverteilung für unterschiedliche Materialien und Foliendicken ausgewählt.

Während die angeregten Kohlenstoffionen entlang ihrer Bahn durch das Wasservolumen laufen, erfahren sie eine negative Beschleunigung und zerfallen in ihren Grundzustand. Das beim Zerfall der Kerne in den Grundzustand emittierte γ-Quant ist mit einer vom Geschwindigkeitsvektor des Kohlenstoffkerns im Moment des Zerfalls und der Emissionsrichtung des γ-Quants korrelierten Doppler-Verschiebung beaufschlagt. Die Energieverteilung der γ-Quanten wird mit Hilfe eines hochreinen Germaniumdetektors aufgenommen.

Das gemessene γ-Spektrum ist die Faltung aus der Startenergieverteilung der angeregten Kohlenstoffkerne und der durch den Abbremsprozess und die Verteilung der Zeitdauer des angeregten Zustands bis zum Zerfall gegebenen Dopplerverteilung, die die gesuchte Information darstellt.

Zur Bestimmung der für die Entfaltung erforderlichen Startenergieverteilung kann eine Dopplerverteilung verwandt werden die den Zerfall der Kohlenstoffkerne im Vakuum repräsentiert. Hierfür wurde bei dem neu konstruierten Target die Möglichkeit eines evakuierbaren Bereichs hinter dem Kohlenstofftarget vorgesehen.

 

Abbildung 1: Prinzipskizze des Aufbaus zur Messung des Bremsvermögens von flüssigem Wasser für Kohlenstoffionen

Ein erstes Experiment wurde an den Ionenbeschleunigeranlagen der PTB durchgeführt; der prinzipielle Aufbau ist in Abb. 1 dargestellt. Dieser diente dem Test des neu konstruierten Targets sowie der Abschätzung des zu erwartenden Untergrundes. Besonders kritisch bei diesen Messungen ist das Signal-zu-Untergrundverhältnis, da das sehr dünne Kohlenstofftarget im Vergleich zum umgebenden Material nur über sehr wenige Kerne für die erforderliche Kernreaktion verfügt. Deshalb wurde in Bezug auf die Einschussenergie der α-Teilchen ein Optimum zwischen der Erzeugung von Untergrund und angeregter Kohlenstoffkerne bestimmt.

Abbildung 2: Gemessenes γ-Spektrum nach ca. einer Stunde Messzeit. Die Linien um 4,5 MeV entsprechen dem Dopplerspektrum der bei Abbremsung der Kohlenstoffprojektile in flüssigem Wasser emittierten γ-Quanten und sind deutlich vom restlichen Untergrund abgesetzt. Die Strukturen bei 6,1 MeV, 5,6 MeV und 5,1 MeV sind die Vollabsorptions-, Single-Escape und Double-Escape Linien der γ-Quanten aus dem zweiten angeregten Zustands von Sauerstoff. Diese erlauben ein Überprüfen der Energiekalibrierung und eine Aussage über die korrekte Ausrichtung des Targets relativ zum Alphateilchenstrahl.

Das durchgeführte Experiment zeigt, dass die Messung des Bremsvermögens von Wasser mit Hilfe der Inverted Doppler Shift Attenuation prinzipiell realisierbar ist.

Literatur:

  1. H. Bethe, Annalen der Physik 397 (1930) 325
  2. W. Pietsch, U. Hauser and W. Neuwirth, Nuclear Instruments and Methods 132 (1976) 79
  3. G. E. Mitchell, E.B. Carter and R.H. Davis, Phys. Rev. 133 (1963) 1434