Messung des Bremsvermögens von Wasser in kondensierter Phase für Kohlenstoffionen im Energiebereich zwischen 1 MeV und 5 MeV

• Antragsteller: Dr. Woon Yong Baek
• Fachliche Zuordnung: Kern- und Elementarteilchenphysik, Quantenmechanik, Relativitätstheorie, Felder ; Optik, Quantenoptik und Physik der Atome, Moleküle und Plasmen
• Förderung: Förderung von 2016 bis 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 311099672

Die genaue Kenntnis des Bremsquerschnitts von Wasser für Kohlenstoffionen im mittleren Energiebereich ist von enormer Bedeutung für die Schwerionendosimetrie. Zum einen hängt sowohl die relative biologische Wirksamkeit als auch die absorbierte Dosis im Targetvolumen direkt vom Bremsquerschnitt ab. Zum anderen ist das Verhältnis des Bremsquerschnitts von Wasser und Luft der kritische Parameter für die Bestimmung der Dosis mit Hilfe von luftgefüllten Ionisationskammern, welche als Standardinstrumente in den meisten Ionentherapiezentren verwendet werden. Die Konversion der gemessenen Ladung in die absorbierte Dosis basiert derzeit auf den Bremsquerschnitts-Verhältnissen von Wasser und Luft, die mit Hilfe von Monte-Carlo Simulationen berechnet werden. In diesen Monte-Carlo Simulationen werden semiempirische oder theoretische Bremsquerschnittsdaten verwendet, die in dem für den Bragg-Peak-Bereich charakteristischen mittleren Energiebereich nur Näherungswerte darstellen. Dies hat zur Folge, dass der größte Beitrag zur Unsicherheit der berechneten Dosis von der Ungenauigkeit der Bremsquerschnittsverhältnisse von Wasser und Luft herrührt [1].Die Analyse existierender experimenteller Daten zeigt, dass die Bremsquerschnitte von kondensierten und gasförmigen Substanzen für Ionen bis zu 48% voneinander abweichen können [2]. Für die Kohlenstoffionen im mittleren Energiebereich ist es nicht einmal klar, welcher Aggregatzustand den größeren Bremsquerschnitt besitzt. Es ist nicht auszuschließen, dass die mit Hilfe von Monte-Carlo-Simulationen berechneten Bremsquerschnittsverhältnisse von Wasser und Luft mit einer Unsicherheit behaftet ist, die die Toleranzgrenze [1] für die Abweichung zwischen der vorgeschriebenen und tatsächlich deponierten Dosis übersteigt. Daher ist die Überprüfung der derzeit verwendeten Bremsquerschnittsverhältnisse von Wasser und Luft an Hand experimenteller Daten zwingend notwendig. Trotz der immensen Wichtigkeit für die Schwerionentherapie existieren zurzeit keine experimentellen Daten für die Bremsquerschnitte von Wasser für Kohlenstoffionen im mittleren Energiebereich. Dies ist darauf zurückzuführen, dass eine genaue Messung des Bremsquerschnitts von Wasser für Ionen in dem Energiebereich aufgrund sehr kurzer Reichweite kaum möglich ist. Das vorliegende Projekt hat das Ziel, die Bremsquerschnitte von Wasser für Kohlenstoffionen zum ersten Mal mit Hilfe einer raffinierten Messmethode, der sogenannten Inverted Doppler Shift Attenuation (IDSA) Methode, im Energiebereich zwischen 1 MeV und 5 MeV experimentell zu bestimmen. Dieses Projekt wird wichtige Daten zur klinischen Dosimetrie und zur genaueren Bestimmung der relativen biologischer Wirksamkeit bei der Kohlenstoffionentherapie liefern. Darüber hinaus wird es maßgeblich zur Klärung der bestehenden Unsicherheit bezüglich der Richtung und Höhe des Aggregateffektes beitragen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Mitverantwortlich: Dr. Hans Rabus