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Abschluss der Bestimmung von Wirkungsquerschnitten für Ionisationswechselwirkung von DNS-Bausteinen für Protonenstoß

16.12.2016

Im Rahmen des EMRP-Projekts „BioQuaRT“ wurden die Spurstruktur-Simulationscodes Geant4-DNA [1] und PTra [2] mit experimentellen Wirkungsquerschnitten von DNS-Bausteinen erweitert, um die Wechselwirkungen zwischen der ionisierenden Strahlung und dem biologischen Material auf zellulärer (mikrometrischer) und subzellulärer (nanometrischer) Skala zu simulieren. Für diese Spurstruktursimulationen sind Wechselwirkungsquerschnitte als Eingangsdaten erforderlich. Da Strangbrüche in der DNS Doppelhelix als wichtigster Beitrag zur Zellschädigung angesehen werden, wurden die Wirkungsquerschnitte für Ionisationswechselwirkung mit drei chemischen Analoga der DNS-Bausteine (Tetrahydrofuran, Trimethylphosphat und Pyrimidin) untersucht.

Die Messungen doppelt-differentieller Wirkungsquerschnitte (DDCS) für Protonen mit einer Energie von 75 keV, 105 keV und 135 keV wurden am elektrostatischen 150-kV-Beschleu­niger des Fachbereichs 6.5 mittels eines elektrostatischen hemisphärischen Elektronen­spektrometers durchgeführt. Für Tetrahydrofuran wurden weitere Messungen von DDCS durch Protonstoß im höheren Energiebereich zwischen 300 keV und 3000 keV am Van-de-Graaff-Beschleuniger der PTB (PIAF) bestimmt. Die einfach-differentiellen (SDCS) und totalen Wirkungsquerschnitte (TICS) für die Ionisierung wurden durch Integration der DDCS ermittelt.

Als Zusammenfassung der Ergebnisse zeigt Bild 1 die experimentellen Ergebnisse für TICS im Vergleich mit unterschiedlichen theoretischen Berechnungen: analytische Formel von Stolterfoht [3], semiempirisches Hansen-Kocbach-Stolterfoht (HKS) Modell [4] sowie die in Zusammenarbeit mit internationalen Gruppen bestimmten Daten, basierend auf der korrigierten ersten Born Näherung (CB1) [5] und auf der dielektrischen Antwortfunktion (DRF) [7] für Tetrahydrofuran. Für Pyrimidin wurden TICS von Wolff et al. [6] aus Fragmentierungsexperimenten als eine Ergänzung für den höheren Energiebereich aufgetragen. Weiterhin werden, zum Vergleich, auch experimentelle TICS für den Stoß mit Elektronen mit gleicher Geschwindigkeit wie das Proton gezeigt. Die gemessenen Daten bestätigen die experimentellen Daten von Wolff et al. für Pyrimidin und stimmen, bis auf die Werte bei 105 keV, gut mit den theoretischen Berechnungen überein.

Bild 1: Totale Wirkungsquerschnitte für die Ionisierung (schwarze Punkte) von (a) Pyrimidin (PY), (b) Tetrahydrofuran (THF) und (c) Trimethylphosphat (TMP) im Vergleich zu theoretischen Berechnungen: Stolterfohr Formel [3], HKS-Modell [4] und die CB1-Näherung [5]. Weiterhin: experimentelle TICS von Wolff et al. [6] für PY, theoretische TICS des DRF-Modells [7] für THF und experomentelle TICS für Elektronen gleicher Geschwindigkeit (siehe obere Abszissenachse).

Literatur

  1. S. Incerti, A. Ivanchenko, M. Karamitros, et al., Med. Phys. 37, 4692 (2010).
  2. M. U. Bug, H. Rabus, and A. B. Rosenfeld, Radiat. Phys. Chem. 81, 1804 (2012).
  3. N. Stolterfoht, R. D. DuBois, and R. D. Rivarola,
    Electron emission in heavy ion-atom collisions.
    Springer Berlin Heidelberg (1997).
  4. M. A. Bernal and J. A. Liendo, Nucl. Instrum. Meth. B 251, 171 (2006).
  5. B. Rudek, D. Bennett, M. U. Bug, et al., J. Chem. Phys. 145, 104301 (2016).
  6. W.Wolff, H. Luna, L. Sigaud, et al., J. Chem. Phys. 140, 064309 (2014).
  7. P. de Vera, R. Garcia-Molina, and I. Abril, Phys. Rev. Lett. 114, 018101 (2015).
  8. M. U. Bug, Ph.D. thesis, University of Wollongong (2014).