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Entwicklung von fein segmentierten Flüssigkeitsionisationskammern für die Strahlentherapie

Diplomarbeit Katja Eberle
Doktorarbeit Thomas Berghöfer
Es werden Flüssigkeitsionisationskammern als Monitor für die Strahlentherapie entwickelt. Die Entwicklungen erfolgen für zwei Einsatzbereiche, einem Echtzeitmonitor für die intensitätsmodulierte Strahlentherapie und die Messung der Energiedeposition von Schwerionen in Gewebe. Dies erfordert einerseits einen möglichst dünnen Detektor mit zweidimensionalen Auslese und andererseits einen absorbierenden Detektor mit dreidimensionaler Auslese.

Die Entwicklung wird in Zusammenarbeit mit dem Deutschen Krebsforschungszentrum (DKFZ) in Heidelberg (Prof. Dr. G. Hartmann) durchgeführt.

Beide Detektortypen werden unter Verwendung gleichartiger Technologien realisiert. Ionisierende Strahlung wird mittels Flüssigkeitsionisationskammern nachgewiesen, welche bei Raumtemperatur betrieben werden. Die Flüssigkeiten Isooktan, Isononan (TMP) und Tetramethylsilan (TMS) werden mit hoher Reinheit als Nachweismedien eingesetzt, um möglichst große Ausleseströme zu erhalten. Die Auslese erfolgt mittels fein segmentierter Elektroden mit typischerweise einigen hundert Kanälen. Diese werden parallel, mit Wiederholungsfrequenzen größer als 10 Hz ausgelesen.

Die Abbildung zeigt eine Ausleseelektrode mit 400 Kanälen.

Kammer mit zweidimensionaler Auslese

Eine Kammer mit zweidimensionaler Auslese wurde entwickelt um die verwendeten Ionisationsflüssigkeiten zu testen und um Erfahrungen mit den prinzipiellen Komponenten einer zukünftigen Monitorkammer zu gewinnen. Die Appertur und der Kammerbehälter wurden für eine Anwendung mit einem Multi-Leaf-Kollimator (ModuLeaf, MRC Systems GmbH, Heidelberg an einem Röntgenstrahl eines Elektronenlinearbeschleuniger (PRIMUS, 6/15 MV, Siemens OCS, Concord, Kalifornien, USA) am DKFZ optimiert. Die Appertur des Kollimators ist 70 x 84 mm2 groß. Die Strahleintritts- und Austrittsfenster sind aus einem speziellen, inerten Plastikmaterial (VECTRA) gefertigt, welches mit seiner niedrigen Kernladungszahl hinreichend transparent für Röntgenstrahlung ist und gleichzeitig ausreichend flexibel ist, um Temperatur- und Druckschwankungen Rechnung zu tragen.

Die Abbildung zeigt den Prototyp vor dem Befüllen mit Ionisationsflüssigkeit.

Der Elektrodenabstand wurde zu 5 mm gewählt, um das Signal zu maximieren und gleichzeitig das elektronische Rauschen zu minimieren. Die Hochspannung (bis zu 5 kV) wird an die Kathode, einem Nickelgitter, angelegt. Die Elektrodenstruktur der Anode besteht aus Silber-Palladium-Leiterflächen auf einem Keramiksubstrat. Die Auslesekanäle sind in Flucht mit den Kollimatorblenden angeordnet und die Kanalgröße von 3.3 x 4.0 mm2 und der Abstand zwischen den Kanälen von 0.2 mm ist an die Blendenbreite von 1.75 mm angepaßt. Die Positionen zweier benachbarter Blenden werden mittels einer Kanalreihe kontrolliert. Die 400 Kanäle sind von einer Erdungselektrode (ein rechteckiger Rahmen mit einer Breite von 3.5 mm) umgeben, um am Rand ein homogenes elektrisches Feld zu formen.

Eine schematische Ansicht einer Kammer mit zweidimensionaler Auslese ist rechts dargestellt.

Die Anoden liegen auf virtueller Erde. Jeder Kanal ist auf der Rückseite der Keramikplatine mit einer Leiterbahn verbunden. Die Photographie zeigt das Leiterbahnsystem mit dem die Signale zu vier Vakuumdurchführungen geführt werden. Die Leiterbahnen haben eine Breite von 125 micron und eine kleinste Annäherung von 250 micron.
Die Kammer mit zweidimensionaler Auslese wurde erfolgreich mit Strahlung von einer 60C-Quelle und einem Elektronenlinearbeschleuniger am DKFZ getestet.

Das gemessene Bild eines asymmetrischen Kreuzes, welches durch einen Multi-Leaf-Kollimator geformt wurde ist dargestellt. Die Kollimatorappertur ist rechts oben gezeigt: Die breiten Arme sind 7 mm breit (entsprechend der Breite von 4 Blenden) und die dünnen Arme sind 3.5 mm breit.

Zusammenfassend kann festgestellt werden, daß die Kammer ein sehr stabiles und homogenes Ausleseverhalten zeigt.

Kammer mit dreidimensionaler Auslese

Da die verwendeten Ionisationsflüssigkeiten ähnliche Eigenschaften wie das menschliche Gewebe besitzen kann damit das Eindringen der Strahlung in den Körper in einem Phantom vermessen werden.

Die Messung der Energiedeposition als Funktion der Tiefe in einem Medium erfordert einen Monitor mit dreidimensionaler Auslese. Um diesen Ansatz zu Überprüfen wurde eine Kammer mit vier Ausleseebenen gebaut. Jede Ebene enthält 10 x 10 Kanäle mit den Abmessungen 2.5 x 2.5 mm2. Jeweils zwei Anodenebenen sind einander gegenüberliegend angeordnet. Die Hochspannung wird über zwei Nickelgitter in der Mitte zwischen zwei Ausleseebenen zugeführt. Der Abstand zwischen Nickelgitter und Ausleseebenen wurde zu 4 mm gewählt.

Die verwendeten Materialien und die Ausleseelektronik sind die gleichen wie für die Kammer mit zweidimensionaler Auslese.

Die Photographie zeigt die Kammer mit vier Vakuumdurchführungen für die Signale der 400 individuellen Kanäle, welche um das zentrale Strahleintrittsfenster angeordnet sind.

Der Aufbau der ersten beiden Ebenen der Kammer mit dreidimensionaler Auslese ist gezeigt.

Erste Tests dieser Kammer wurden an einer 60C-Quelle des DKFZ durchgeführt. Es konnte gezeigt werden, daß mit dieser Kammer ein homogenes Ausleseverhalten erzielt werden kann. Um die Möglichkeit der Messung des Bragg-Peaks zu verifizieren ist es geplant mit der Kammer Messungen an einem 12C-Strahl bei der GSI in Darmstadt durchzuführen.

A liquid ionization chamber as monitor in radiation therapy
Proceedings of the 9th Conference on Astroparticle, Particle, Space Physics, Detectors and Medical Physics Applications
First tests of a liquid ionization chamber to monitor intensity modulated radiation beams
Physics in Medicine and Biology
Liquid ionization chambers for radiation therapy
Medical Imaging Conference 2003
Diplomarbeit K. Eberle
Flüssigkeitsionisationskammern in der Strahlentherapie
Nachrichten, Forschungszentrum Karlsruhe


Jörg R. Hörandel