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!
Diplomarbeit Michael Anders, Arbeitsgruppe Strahlungsphysik, TU Dresden, Oktober 2009 29/28
Michael Anders Forschungszentrum Dresden-Rossendorf www.fzd.de July 22nd 2010 1 of 5
Das LUNA-Experiment am Gran Sasso in Italien
Das LUNA-Experiment
am Gran Sasso in Italien
Michael Anders
ForschungszentrumDresden-Rossendorf
Michael Anders Forschungszentrum Dresden-Rossendorf www.fzd.de July 22nd 2010 2 of 5
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 …
Michael Anders Forschungszentrum Dresden-Rossendorf www.fzd.de July 22nd 2010 3 of 5
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
Michael Anders Forschungszentrum Dresden-Rossendorf www.fzd.de July 22nd 2010 5 of 5
Das LUNA-Experiment am Gran Sasso in Italien
Das abgeschirmte Gastarget
Michael Anders Forschungszentrum Dresden-Rossendorf www.fzd.de July 22nd 2010 6 of 5
Das LUNA-Experiment am Gran Sasso in Italien
Noch einmal danke für die Aufmerksamkeit!