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Nachweis leichter Fragmente aus Schwerionenreaktionen mit einem BaF2-Teleskop-Detektor

Gunzert-Marx, Konstanze :
Nachweis leichter Fragmente aus Schwerionenreaktionen mit einem BaF2-Teleskop-Detektor.
[Online-Edition]
TU Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2004)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Nachweis leichter Fragmente aus Schwerionenreaktionen mit einem BaF2-Teleskop-Detektor
Language: German
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.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
In carbon-ion therapy the effect of nuclear fragmentation along the penetration path leads to an attenuation of the primary beam and to the build-up of lighter fragments with atomic numbers Z below that of carbon. These fragments have in general longer ranges and cause a characteristic dose tail behind the Bragg peak of the carbon ions. Furthermore the biological efficiency of the reaction products is different from the primary ions and has to be included in the physical models for RBE calculations and treatment planning. The attenuation of the primary beam flux and the build-up of lower-Z fragments along the penetration path were studied earlier for 12C- and 20Ne-ions. The neutron production in tissue-equivalent targets was however only investigated by Cecil et al. for 4He-ions in water. Therefore, the aim of this work was to measure the angular and energy distributions of neutrons and their total yield produced by stopping 12C-ions with an energy frequently applied in patient treatments (200 AMeV) in a tissue-equivalent target (13 cm thick water column). In the experiments the light fragments emitted in forward direction were detected with a BaF2-telescope-detector. The energy spectra of neutrons and of charged particles were obtained by performing time-of-flight measurements at various angles behind the water target. By integrating the angular distribution over the forward hemisphere the total fragment yields of 0.5 neutrons, 0.31 H-ions and 0.13 He-ions per primary 12C-ion were derived. Based on these results it was found that under typical patient treatment conditions the absorbed dose of fast neutrons (>10 MeV) is less than 1% of the total treatment dose (20 Gy) and small compared to the dose contribution of charged fragments. For the first time also in actual patient treatments the angular distribution and the yields of emitted neutrons and charged fragments were investigated and correlated to the energies of the primary ions. Comparing these measurements with those effectuated at the water phantom it was shown that the results obtained at the water target can be transferred to patient irradiations. The used BaF2-telescope-detector consisted of a thick BaF2-scintillator and a thin plastic-scintillator in front of in order to discriminate charged particles according to their energy loss in the plastic-scintillator as a function of the total energy. The BaF2-scintillator was particularly suitable for these measurements due to its high efficiency for fast neutrons (about 20% above 100 MeV) which was determined experimentally in quasi-monoenergetic neutron beams at UCL (Belgium) and at iThemba LABS (South Africa). The calibrated detector-system was also applied to verify neutron spectra emitted from a 20 cm thick graphite target irradiated with 400 AMeV 12C-ions which were studied earlier in Chiba (Japan). These measurements were complemented by the investigation of the angular and energy distributions of charged fragments. Furthermore, with regard to the GSI future project, the emission of neutrons and charged fragments produced by stopping 1 AGeV 12C- and 238U-beams in 20 cm thick iron targets was experimentally studied and simulated with Monte-Carlo codes. The measured energy and angular distributions reflect the particle emission produced by stopping heavy-ions in the components of accelerators as well as in the shielding of space crafts against cosmic rays. Therefore the obtained results can be used as experimental source data for the design of accelerator shieldings.English
Uncontrolled Keywords: dickes Target, Neutronen, Neutronendosis
Alternative keywords:
Alternative keywordsLanguage
dickes Target, Neutronen, NeutronendosisGerman
heavy-ion therapy, radiation protection, fragmentation, neutrons, thick targets, energy distribution, angular distribution, total yield, neutron dose, bariumfluorid, quasi-monoenergetic neutrons, neutron efficiencyEnglish
Divisions: Fachbereich Physik
Date Deposited: 17 Oct 2008 09:21
Last Modified: 10 Dec 2012 10:02
Official URL: http://elib.tu-darmstadt.de/diss/000416
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-4167
License: Simple publication rights for ULB
Referees: Kraft, Prof. Dr. Gerhard and Hoffmann, Prof. Dr. Dieter H. H.
Advisors: Kraft, Prof. Dr. Gerhard
Refereed: 26 January 2004
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/416
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