Investigation of the radial ionization distribution of heavy ions with an optical particle track chamber and Monte-Carlo simulations

Untersuchung der radialen Ionisationsdichteverteilung von schweren Ionen mit einer optischen Teilchenspurkammer und mit Monte-Carlo-Simulationen

In the present work we applied the Optically read out PArticle track Chamber, OPAC, for the measurement of radial dose distributions, d(r), around tracks of heavy ions passing through the gas-filled sensitive volume of t
In the present work we applied the Optically read out PArticle track Chamber, OPAC, for the measurement of radial dose distributions, d(r), around tracks of heavy ions passing through the gas-filled sensitive volume of the chamber. The measured data were compared with d(r) functions derived from data calculated with the Monte Carlo particle transport code, TRAX – which is used for the heavy ion therapy planning at GSI. To measure this quantity we have used here an optically read out time projection chamber (OPAC) with a parallel-drift field and one or several electron and light amplification stages. The two dimensional projection of the three dimensional ionization pattern caused by the ionizing particle passing through the chamber is captured by an image intensified CCD camera. The work is motivated by the role the radial dose distribution plays in the estimation of the relative biological effectiveness (RBE) of heavy ions, e.g. in radiation therapy and in radiation protection. The most successful model for high-dose irradiation with ions (applicable e.g. for heavy ion therapy) is found to be the local effect model (LEM). The present work intends to deliver measured data for one of the basic physical parameters which serve as input for the application of the local effect model: the radial dose distribution, d(r). The first goal of our measurement program was the measurement of d(r) distributions around carbon ions of different energies from 400 MeV/u down to the Bragg peak regions. We found an excellent agreement between the measured and simulated distributions at all carbon energies for the r–range in which the measurements deliver useful results. The lower limit of this range is about 100 nm and the upper limit is 6000 nm at a resolution of down to 33 nm - if scaled to water density. Despite the simplifications in the TRAX code (e.g. binary encounter theory for the emission ionization electrons), the discrepancies between the simulated and measured d(r) distributions are found to be lower than the measurement uncertainties at most measured carbon ion energies in almost the whole observed r-range. Hence, within the limitations of our measurements we can conclude that the precision of TRAX is sufficient to simulate the d(r) distributions around carbon ions to serve as input parameter for therapy planning. However, this conclusion is only valid for larger radial distances (r >100 nm). For smaller radial distances the measured data are dominated by the diffusion. Apart from carbon ion tracks, tracks of very heavy ions (40Ar, 84Kr and 238U) were also measured with OPAC. The simulated d(r) values were typically slightly or significantly higher than the measured data in the 100 nm < r < 5000 nm region. The experience has shown: the heavier or the faster the ion, the higher the discrepancies. On the one hand, we found a surprisingly good agreement between measurements and simulations if the ions had energies of around 50 MeV/u (i.e. relatively low energy). On the other hand, at higher energies, simulated data underestimate the measured ones by up to a factor of two in the region of 100 nm < r < 1000 nm for 84Kr (E = 650 MeV/u) or in the region of 100 nm < r < 6000 nm for 238U (E = 1 GeV/u). A possible reason for these discrepancies is that the BEA model, used in TRAX for the production ionization electrons, is not adequate for very heavy projectiles. The energy values of the very heavy ions were selected with the aim of comparing the track structures - and namely the d(r) distributions - of ions with largely different atomic mass but similar LET values. From the Z-dependency of the stopping power we know that for heavier ions a higher specific ion energy (expressed in MeV/u) is required to provide the same LET. For example the common LET of 315 keV/micro-m was achieved at largely different specific energy levels of 4,4 MeV/u for 12C, 65 MeV/u for 40Ar and 650 MeV/u for 84Kr ions. The difference in the track structures was expected mainly due to the different ion velocities and thus e.g. different ranges of d-electrons. This expectation could be confirmed by the measurements. The reason why - in line with the simulations - no strong differences could be observed in the d(r) distributions of the argon and krypton ions is the relatively small difference in the velocities of the both ion types in conjunction with the limited range in r, where the data can be compared. In contrary, the d(r) function of the carbon ion shows a qualitatively different behavior than the heavier ions inside the observable radius-range - in agreement with the simulations.
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Therapie mit schweren geladenen Teilchen wie Protonen und schwere Ionen ist eine überlegene Alternative zur konventionellen Strahlentherapie für die Therapie tief liegender Tumore die zunehmend auch in Deutschland Verbre
Therapie mit schweren geladenen Teilchen wie Protonen und schwere Ionen ist eine überlegene Alternative zur konventionellen Strahlentherapie für die Therapie tief liegender Tumore die zunehmend auch in Deutschland Verbreitung findet. Ein wichtiger Parameter bei der Bestrahlungsplanung ist die Relative Biologische Wirksamkeit (RBW) der verwendeten Strahlung. Um den biologischen Effekt von Schwerionen für die Zelltötung relativ zu dem von Photonen zu quantifizieren, wurde bei der GSI das “Local Effect Model“ (LEM) entwickelt. Das LEM basiert auf der Annahme, dass der zu erwartende biologische Effekt der Bestrahlung auf eine Zelle nicht direkt mit der über den Zellkern gemittelten "makroskopischen" Dosis zusammenhängt sondern stattdessen aus dem über das makroskopische Volumen gemittelten lokalen biologischen Effekt abgeleitet werden kann. Dabei hängen die lokalen biologischen Effekte wiederum von der mikroskopischen Dosis in wenigen Nanometer - großen Volumina ab. Bei der Bestimmung der mikroskopischen Dosis werden meist Monte Carlo Programme eingesetzt - bei der GSI der Code TRAX. Ein wichtiger Parameter im LEM ist dabei die radiale Ionsisationdichteverteilung, d(r), entlang der Spur eines Ions, die wesentlich vom Spektrum der Ionisationselektronen bestimmt wird. Messungen von d(r) direkt in biologisch relevanter kondensierter Materie (wie Gewebe oder Wasser) sind nicht möglich: die benötigte räumliche Auflösung in der Größenordnung von nm bis einige mikro-m ist nicht erreichbar mit den zur Verfügung stehenden Meßmethoden. Stattdessen wird es versucht, die erforderlichen Auflösungen durch Messungen in einem wesentlich größeren gasgefüllten Volumen zu erreichen. Die Längenskala wird dann entsprechend dem Verhältnis der Dichten vom Gas und kondensierter Materie skaliert. In der vorliegenden Arbeit werden experimentelle Messungen zur radialen Ionisationsverteilung schwerer Ionen mit einer optisch ausgelesenen Teilchenspurkammer (OPAC) vorgestellt. Die experimentellen Ergebnisse werden mit Monte Carlo Simulationen verglichen. OPAC ist eine optisch ausgelesene Zeitprojektionskammer (TPC) mit einem parallelen Driftfeld und mit einer oder mehreren Ladungs- und Lichtverstärkungsstufen. Die zweidimensionale Projektion der dreidimensionalen Verteilung der nach dem Durchdringen des ionisierenden Teilchens durch das Gas der Kammer entstehenden Ionisationselektronen wird von einer CCD Kamera mit gegatetem Bildverstärker ausgelesen. In dieser Arbeit wurden radiale Dosisverteilungsfunktionen, d(r), von Kohlenstoffionen und verschiedenen noch schwereren Ionen gemessen. Zeil der Experimente war es, die von TRAX vorausgesagte radiale Ionsisationsdichteverteilung zu verifizieren. Eine von OPAC gemessene Spur ist eine komplexe Konvolution von verschiedenen physikalischen Prozessen. Neben den zu messenden Ionisationen und Streuungen von Ionen und Ionisationselektronen spielen für die Bildentstehung auch die physikalischen Vorgänge beim Detektionsprozess und die Detektoreigenschaften eine wichtige Rolle. Eine komplexe Datenanalyse ist deshalb erforderlich, um quantitative Informationen, z.B. die d(r) Funktionen, aus den Rohbildern zu erhalten. In der zweiten Hälfte der Arbeit werden die Ergebnisse der Messungen mit OPAC bei der GSI im Vergleich mit den entsprechenden simulierten Daten gezeigt. Die erste Zielstellung des Messprogramms war die Durchführung systematischer Messungen von Spuren von Kohlenstoffionen mit Energien von 400 MeV/u bis hinunter zu Bragg Peak Energien (motiviert von der Therapie mit Kohlenstoffionen bei der GSI). Der Vergleich der gemessenen d(r) Funktionen mit den entsprechenden simulierten Daten zeigt eine sehr gute Übereinstimmung bei allen Kohlenstoff – Energien über den gesamten sinnvoll messbaren r Bereich (100 nm < r < 6000 nm). Trotz der unvermeidbaren Vereinfachungen im Simulationscode sind die Abweichungen zwischen den gemessenen und simulierten d(r) Funktionen für jede Ionenenergie fast im gesamten gemessenen r Bereich kleiner als die geschätzten Messunsicherheiten. Abgesehen von den Kohlenstoffionen wurden auch Spuren von schwereren Ionen (40Ar, 84Kr und 238U) im Rahmen des aktuellen Messprogramms mit OPAC gemessen. Die simulierten d(r) Daten liegen hier im gesamten r Bereich typischerweise etwas (teils auch signifikant: bis zu einem Faktor zwei) über den entsprechenden gemessenen Daten. Eine mögliche Erklärung für diese Abweichungen ist, dass das die bei TRAX angewandte „Binary Encounter Approximation“ für die Simulation der d-Elektronen Produktion bei sehr schweren Projektilen zu starke Vereinfachungen enthält. Die kinetischen Energien der gemessenen sehr schweren Ionen wurden so ausgewählt, dass die Ionen trotz stark unterschiedlichen Ordnungszahlen ähnliche LET-Werte in der Kammer aufwiesen. Die erwarteten Abweichungen in den Spurstrukturen konnten von den Messungen bestätigt werden.
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Metadaten
Author:Gábor Laczkó
URN:urn:nbn:de:hebis:30-44229
Referee:Horst Schmidt-Böcking
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Date of Publication (online):2007/05/22
Year of first Publication:2006
Publishing Institution:Univ.-Bibliothek Frankfurt am Main
Granting Institution:Johann Wolfgang Goethe-Univ.
Date of final exam:2007/04/13
Release Date:2007/05/22
Tag:LET ; RBW ; Schwerionentherapie
Binary encounter approximation
SWD-Keyword:Gasionisationsdetektor; Ionisationsdichte ; Kohlenstoffion ; Monte-Carlo-Simulation ; Strahlentherapie ; Teilchenspur ; Zeitprojektionskammer
HeBIS PPN:18724796X
Institutes:Physik
Dewey Decimal Classification:530 Physik
PACS-Classification:29.40.Cs Gas-filled counters: ionization chambers, proportional, and avalanche counters
29.40.Gx Tracking and position-sensitive detectors
34.50.Bw Energy loss and stopping power
Sammlungen:Universitätspublikationen
Licence (German):License Logo Veröffentlichungsvertrag für Publikationen

$Rev: 11761 $