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

Kernfragmentierung fuhrt bei der Schwerionentherapie dazu, das der Primarstrahl beim Eindringen in Materie abgeschwacht wird und leichte Fragmente mit geringeren Kernladungen gebildet werden. Diese haben in der Regel grosere Reichweiten als die Primarionen und erzeugen deshalb einen Dosisbeitrag hinter dem Bragg-Peak der 12C-Ionen. Da auserdem auch die biologische Wirksamkeit der Fragmente sich von derjenigen der Primarionen unterscheidet, ist die Kenntnis der Fragmentierung sowohl fur die Berechnung der RBW als auch fur die Bestrahlungsplanung sehr wichtig. Die Abschwachung des Primarstrahls und die Erzeugung geladener Teilchen durch Fragmentierung von 12C- und 20Ne-Ionen in gewebeaquivalenten Targets wurde sowohl in Berkeley als auch an der GSI in Darmstadt untersucht. Bezuglich der Neutronenproduktion in solchen Targets gibt es jedoch nur Messungen mit 4He-Ionen in Wasser, die von Cecil et al. durchgefuhrt 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 haufig verwendeten Energie (200 AMeV) in gewebeaquivalenten 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 Dosisbeitrage der Fragmente bei einer typischen Patientenbestrahlung abgeschatzt und es konnte gezeigt werden, das 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 gewebeaquivalenten Targets mit tatsachlichen Patientenbestrahlungen wurde dadurch verifiziert, das mit demselben Versuchsaufbau auch Messungen parallel zur Patientenbestrahlung durchgefuhrt 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 Primarionen analysiert werden konnten. Der BaF2-Teleskop-Detektor besteht aus einem BaF2-Szintillator, der mit einem dunnen 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% fur 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 Sudafrika 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. Auserdem wurde im Hinblick auf das Zukunftsprojekt der GSI in Zusammenarbeit mit der Abteilung fur 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 Strahlfuhrungselement 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.