Miniaturisierte BeO-OSL-Detektoren für die Dosimetrie in ... · 1. Problemstellung 2. Dosimetrie...

Diplomarbeit Michael Anders, Arbeitsgruppe Strahlungsphysik, TU Dresden, Oktober 2009 1/28

Miniaturisierte BeO-OSL-Detektoren fürdie Dosimetrie in Zellkulturen und Organismen:

Anwendung und Herausforderungen

DiplomarbeitMichael Anders, Arbeitsgruppe Strahlungsphysik

TU Dresden, Oktober 2009

Diplomarbeit Michael Anders, Arbeitsgruppe Strahlungsphysik, TU Dresden, Oktober 2009 2/28

Überblick

1.

Problemstellung

2.

Dosimetrie

nach der Sondenmethode

3.

Das Dosimetriesystem

4.

Anwendbarkeit in verschiedenen Umgebungen

5.

Effekte bei Veränderungen des Dosimetriesystems

6.

Weitere Ergebnisse und Ausblick

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Vorteile kleinster Dosimeter:

-

erlauben Dosismessungen an einem bestimmten Punkt und in

inhomogenen Medien

-

geringere Störung und Beeinflussung des Strahlungsfeldes (und der

Dosisverteilung)

-

haben die typische Größe (≤

1 mm) von Zellkulturen und kleinen

Organismen

Problemstellung

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Problemstellung

Aber:

-

kleinste Detektoren sind in der Handhabung schwierig (und auch

nach der Applizierung schwer zu finden, beispielsweise in einem

Organismus)

-

müssen in biologischen Umgebungen absolut inert

sein

-

Fragen zur Analysemethode, da kleines Signal erwartet wird

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Dosimetrie

nach der Sondenmethode

Direkte Dosiswerte von biologischem Gewebe (bspw. durch Analyse

beschädigter Proteine, Messung der Radiolyse

oder erhöhter

Temperatur) sind nahezu unmöglich zu erhalten.

Idee: Ersetze lokales Gewebe durch ein Material mit einer leicht zu

messenden dosisproportionalen Größe

Beispiele: -

Schwärzung eines Filmes

-

Licht von Szintillatormaterialien

-

Lumineszenzlicht von LiF, Al2

O3

, BeO

u.a.

-

elektrischer Strom in einer Ionisationskammer

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Dosimetrie

nach der Sondenmethode

Aber: Das Sondenmaterial hat eine andere Wechselwirkung mit dem Strahlungsfeld, da es andere Wechselwirkungskoeffizienten besitzt

führt zu falschen Dosiswerten und Abhängigkeiten von Parametern(wie Energie, Sondengröße, Sondenform, …) !

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Dosimetrie

nach der Sondenmethode

Mögliche Lösung: Theorie der idealen Sonde –

Vermeiden eines Dosisgradienten, oder Verlagerung des Gradientenaus der Sonde heraus

Beispiel Gleichgewichtssonden:-

dürfen Primärstrahlungsfeld nicht spürbar beeinflussen

(müssen u.a. klein sein) -

benötigen

ein

Sekundärelektronengleichgewicht

im

gesamten

Sondenvolumen-

dann bestimmt nur noch das Feld der Primärphotonen die

Sondendosis, andere Einflüsse sind ausgeschaltet

Gleichgewichtssonden sind für Elektronenstrahlung nicht brauchbar,aber sehr gute Photonendosisdetektoren.

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Wie stelle ich ein Sekundärelektronengleichgewicht im gesamtenSondenvolumen sicher?-

Mit einem äquivalenten Wandmaterial.

Dosimetrie

nach der Sondenmethode

1 10 100 1000 100000.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1.0

1.1

1.2

1.3

1.4

1.5

(μ

tr/S) B

eO/(μ

tr/S) M

ater

ial

BeO zu PMMA BeO zu Luft BeO zu ICRU-Weichteilgewebe

E keV

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Wie berechne ich die Dosis im Originalmaterial?

Im gleichen Strahlungsfeld, d.h. für die gleiche Photonenfluenz, aber bei unterschiedlichen Wechselwirkungskoeffizienten gilt

(DA

ist die Sondendosis)

Dosimetrie

nach der Sondenmethode

( )( ) A

Atr

BtrB D

ρ/μρ/μ

D =

Ähnlicher Ansatz für Elektronenstrahlung (Bragg-Gray-Theorie):-

dünne Sonden, um Beeinflussung des Primärelektronenfeldes

zu minimieren-

dünne Wand, um Elektronen der zweiten Generation zu stoppen

Dann ist die Sonde ein reiner Elektronendosisdetektor, und es gilt:

( )( ) Acol

A

colB

B DρSρS

D =

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Das Dosimetriesystem

Zu untersuchen: miniaturisierte

BeO-Detektoren(1 mm Höhe und Durchmesser)

•

aus gesintertem BeO-Pulver

•

Dichte: 2.85 g/cm³

•

sehr stabil und hart (Mohs

9)

•

unlöslich in Wasser

•

Schmelzpunkt 2530 °C

•

elektrischer Isolator

•

effektive Kernladungszahl 7,12

•

verfügt über die Eigenschaft der optisch stimulierten Lumineszenz

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10 100 1000 100000,0001

0,001

0,01

0,1

1

E

g/cm2

x

keV

Das Dosimetriesystem

Miniaturisierte

Detektoren

Weiter miniaturisierte

Detektoren

Bedarf an spezieller Kalibrierung in einigen Strahlungsfeldern,in denen die Detektoren keine idealen Sonden sind!

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Das Dosimetriesystem

Warum kann BeO

als Dosimetermaterial genutzt werden?

-

Eigenschaft der optisch stimulierten Lumineszenz (OSL)mit einem dosisproportionalen Messeffekt

-

einfach zu messende Größe (UV-Lichtemission)

-

Material ist beliebig oft wiederverwendbar

(nach Löschungder Dosisinformation)

-

effektive Kernladungszahl von 7,12 liegt nah bei den Wertenwichtiger biologischer Materialien wieMuskel: 7,64 Wasser: 7,51 Fett: 6,46 Luft: 7,78

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Das Dosimetriesystem

Optisch stimulierte Lumineszenz:

Gitterdefekte und Fremdatome erzeugen zusätzliche Energieniveaus,einige mit extrem langen Verweildauern.

Modell zur Beschreibungstimulierter Lumineszenz

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Das Dosimetriesystem

Wie wird das emittierte UV-Licht gemessen?

Das BeOmax-System,entwickelt in derAG Strahlungsphysik.

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Das Dosimetriesystem

0 5 10 15 200

10

20

30

40

50

60

70

M

ts

D = 21,4 mGyD = 2,0 mGy

s

mV

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Das Dosimetriesystem

Problem: Verschiedene Quellen für Untergrundsignal:

-

veränderlicher Offset

des Vorverstärkers -

Rauschen des Vorverstärkers

-

Untergrundstrahlungführt zu unterer Erkennungsgrenze von 0,4 mGy

(gewonnen aus 100 Messungen des Signaluntergrundes)

Problem: jeder BeO-Detektor

hat eine individuelle Empfindlichkeitmuss daher individuell kalibriert werden

Problem: Kurzzeitfading nach Bestrahlung (10% nach 30 Minuten)Detektoren müssen zwischen Bestrahlung und Auswertung in einer dunklen Umgebung gelagert werden

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Das Dosimetriesystem

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Anwendbarkeit in verschiedenen Umgebungen

Detektoren müssen inert

bleiben in:

-

Wasser und wässrigen Lösungen-

Säuren und Basen

-

organischen Lösungsmitteln-

Körperflüssigkeiten

-

Nährlösungen für Zellkulturen

Ergebnisse nach Behandlung der Detektoren mit verschiedenenFlüssigkeiten:

Gesinterte BeO-Detektoren

sind inert, auch in heißen konzentrierten Säuren, und ändern ihre Empfindlichkeit nicht.

Untersuchung auf Anwendbarkeit in radioaktiven Lösungen:

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Anwendbarkeit in verschiedenen Umgebungen

Bestrahlung der Detektoren in 90 ml einer Lösung mit 1 GBq 90Y

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Anwendbarkeit in verschiedenen Umgebungen

0 24 4880

90

100

110

120

130

140

t h

mGy

D

Wachsende Detektordosis durchOberflächenkontamination, auch nach mehrmaligem Spülen.

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Effekte bei Veränderungen des Dosimetriesystems

1. Weitere Miniaturisierung

BeO-Pulver

ist bei Inhalation stark kanzerogen! Umfassende Sicherheitsvorkehrungen bei mechanischer Bearbeitung der Detektoren nötig!

Partner: Karlsruhe Beryllium Handling Facility

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Effekte bei Veränderungen des Dosimetriesystems

Ergebnis:

-

Reduzierung der Detektorhöhe im Mittel um 57%

-

leicht erhöhte untere Erkennungsgrenze (0,6 mGy)

-

sehr schwierig zu handhaben

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Effekte bei Veränderungen des Dosimetriesystems

2. Wechsel des Halterungsmaterials im BeOmax

Bei Nutzung von Aluminium wird nur der Detektorboden stimuliert.Ein opakes Material erlaubt Stimulation auch von der Seite.

Aluminium und opakes gesintertes Teflon (Optisol)

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Ergebnis:

Effekte bei Veränderungen des Dosimetriesystems

-

erhöhte Empfindlichkeit (etwa 50%)-

gesenkte untere Erkennungsgrenze (unter 0.3 mGy)

-

verbesserte Messgenauigkeit

1 100

20

40

60

80

100

120

140

160

180

D

miniaturized detectors additionally grinded detectors2σ / D

%

mGy

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Weitere Ergebnisse und Ausblick

0,001 0,01 0,1 1 100,001

0,01

0,1

1

10

DL

detector 1 detector 2 detector 3 detector 4 average

Gy

Gy

M

Dosischarakteristik: Photonenstrahlung (662 keV

von 137Cs)

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Weitere Ergebnisse und Ausblick

Dosischarakteristik: Betastrahlung (90Y)

0,001 0,01 0,1 1 10 100

0,001

0,01

0,1

1

10

100

several detectors

average

DW

M

Gy

Gy

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Weitere Ergebnisse und Ausblick

erreicht: -

Charakterisierung des Dosimetriesystems, bestehendaus miniaturisierten

BeO-Detektoren

und dem BeOmax

-

Detektoren sind in biologischen und radioaktiven Umgebungeneinsetzbar

-

Kenntnis über Anwendung und Wiederverwendbarkeit-

Verbindung mit Theorie der Dosimetrie, um falsche Dosismessungen zu vermeiden

zu tun: -

ein Photonencounter

anstatt eines Photomultipliers

erhöhtmöglicherweise die Empfindlichkeit und senkt die untereErkennungsgrenze des Dosimetriesystems

-

verbesserte Stimulationseinheit-

Forschung über Anwendung der Detektoren in hellen Umgebungen

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Herzlichen Dank für die Aufmerksamkeit!

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Das LUNA-Experiment am Gran Sasso in Italien

Das LUNA-Experiment

am Gran Sasso in Italien

Michael Anders

ForschungszentrumDresden-Rossendorf

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Das LUNA-Experiment am Gran Sasso in Italien

Nukleare Astrophysik am LNGS

LUNA…… ist eine Kollaboration verschiedener Insitutionen

in Italien,

Deutschland und Ungarn … ist das einzige Experiment weltweit, das einen

Beschleuniger in einer solchen Umgebung betreibt… hat bisher sehr erfolgreich Daten wichtiger Reaktionen der

primordialen

und der Nukleosynthese

in Sternen gemessen… nutzt zur Zeit einen 400 kV Linear-Ionenbeschleuniger

„Mein“

Experiment ist die Reaktion d(α,γ)6Li …

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Das LUNA-Experiment am Gran Sasso in Italien

Die Herausforderung

…bei Energien unterhalb der Coulomb-Barriere, also mit sehr kleinem Wirkungsquerschnitt. Die Aufgabe ist also:

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Das LUNA-Experiment am Gran Sasso in Italien

Der LUNA 400kV-Beschleuniger

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Das LUNA-Experiment am Gran Sasso in Italien

Das abgeschirmte Gastarget

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Das LUNA-Experiment am Gran Sasso in Italien

Noch einmal danke für die Aufmerksamkeit!