Gunzert-Marx, Konstanze (2004)
Nachweis leichter Fragmente aus Schwerionenreaktionen mit einem BaF2-Teleskop-Detektor.
Technische Universität Darmstadt
Dissertation, Erstveröffentlichung

Kurzbeschreibung (Abstract)

Kernfragmentierung führt bei der Schwerionentherapie dazu, daß der Primärstrahl beim Eindringen in Materie abgeschwächt wird und leichte Fragmente mit geringeren Kernladungen gebildet werden. Diese haben in der Regel größere Reichweiten als die Primärionen und erzeugen deshalb einen Dosisbeitrag hinter dem Bragg-Peak der 12C-Ionen. Da außerdem auch die biologische Wirksamkeit der Fragmente sich von derjenigen der Primärionen unterscheidet, ist die Kenntnis der Fragmentierung sowohl für die Berechnung der RBW als auch für die Bestrahlungsplanung sehr wichtig. Die Abschwächung des Primärstrahls und die Erzeugung geladener Teilchen durch Fragmentierung von 12C- und 20Ne-Ionen in gewebeäquivalenten Targets wurde sowohl in Berkeley als auch an der GSI in Darmstadt untersucht. Bezüglich der Neutronenproduktion in solchen Targets gibt es jedoch nur Messungen mit 4He-Ionen in Wasser, die von Cecil et al. durchgeführt wurden. Ziel dieser Arbeit war es deshalb, sowohl die Energie- und Winkelverteilungen als auch die Ausbeuten von Neutronen zu messen, die durch das Abstoppen von Kohlenstoffstrahlen einer in der Therapie häufig verwendeten Energie (200 AMeV) in gewebeäquivalenten Targets (13 cm Wasser) entstehen. Die nach vorn emittierten leichten Fragmente wurden mit einem BaF2-Teleskop-Detektor nachgewiesen. Durch die Aufzeichnung der Flugzeiten konnten die Energieverteilungen der Neutronen und der geladenen Fragmente bei verschiedenen Winkeln hinter dem Wassertarget bestimmt werden. Die Ausbeute im gesamten vorderen Halbraum wurde durch Integration der Winkelverteilungen berechnet und ergab pro Kohlenstoffion 0,5 Neutronen, 0,31 Wasserstoff-Ionen und 0,13 Helium-Ionen. Beruhend auf diesen Ausbeuten wurden die Dosisbeiträge der Fragmente bei einer typischen Patientenbestrahlung abgeschätzt und es konnte gezeigt werden, daß der Dosisbeitrag schneller Neutronen (>10 MeV) weniger als 1% der Dosis im Zielvolumen entspricht und verglichen mit den Dosen der geladenen Fragmente gering ist. Die Vergleichbarkeit der Messungen an gewebeäquivalenten Targets mit tatsächlichen Patientenbestrahlungen wurde dadurch verifiziert, daß mit demselben Versuchsaufbau auch Messungen parallel zur Patientenbestrahlung durchgeführt wurden. Hierbei wurde auch die Energie der 12C-Ionen protokolliert, wodurch die hinter dem bestrahlten Patienten aufgezeichneten Teilchenfelder, Winkelverteilungen und Fragmentausbeuten getrennt nach den Energie der Primärionen analysiert werden konnten. Der BaF2-Teleskop-Detektor besteht aus einem BaF2-Szintillator, der mit einem dünnen Plastikszintillator kombiniert wurde, um in gemischten Teilchenfeldern Neutronen und geladene Fragmente aufgrund ihres Energieverlusts zu identifizieren. Der BaF2-Szintillator zeichnete sich durch seine hohe Neutroneneffizienz von 20% für Neutronen mit Energien oberhalb von 100 MeV aus. Die Neutroneneffizienz wurde experimentell in kalibrierten, quasi--monoenergetischen Neutronenstrahlen am UCL in Belgien und an den iThemba LABS in Südafrika ermittelt. Das im Rahmen dieser Arbeit kalibrierte Detektor-Teleskop wurde auch eingesetzt, um Daten zu reproduzieren, die in Chiba (Japan) ermittelt wurden (400 AMeV 12C-Ionen auf 20 cm Graphit). Die existierenden Messungen wurden zudem um die Energie- und Winkelverteilungen der geladenen Fragmente erweitert. Außerdem wurde im Hinblick auf das Zukunftsprojekt der GSI in Zusammenarbeit mit der Abteilung für Strahlenschutz auch die Teilchenemission aus 20 cm dicken Eisentargets untersucht, in denen 1 AGeV 12C- und 238U-Ionen abgestoppt wurden. Durch diese Messungen konnte das emittierte Teilchenfeld charakterisiert werden, das entsteht, wenn ein Schwerionenstrahl in einem Strahlführungselement abgestoppt wird oder wenn kosmische Teilchen auf die Abschirmung von Raumschiffen treffen. Diese Untersuchungen erlauben somit die Konstruktion von Abschirmungen beruhend auf experimentell bestimmten Quelldaten.

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