Wirkungsquerschnitte zur Bildung von Aktivierungsprodukten in Wechselwirkung von Protonen mit biologisch relevanten Elementen und Kollimatormaterialien im Energiebereich bis 200 MeV

Kettern, Kerstin (2004). Wirkungsquerschnitte zur Bildung von Aktivierungsprodukten in Wechselwirkung von Protonen mit biologisch relevanten Elementen und Kollimatormaterialien im Energiebereich bis 200 MeV. PhD thesis, Universität zu Köln. Open Access

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Abstract

Es wurden Anregungsfunktionen einiger protoneninduzierter Reaktionen an Kohlenstoff, Stickstoff, Sauerstoff, Blei und Titan mit Hilfe der Folienstapeltechnik im Energiebereich bis 200 MeV gemessen. Anhand der ermittelten Wirkungs-querschnitte wurde die Aktivierung von menschlichem Gewebe und der Strahlkollimatoren abgeschätzt. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde die Bildung der kurzlebigen Positronenstrahler 11C (T1/2 = 20,38 min) und 13N (T1/2 = 9,96 min), die bei der Bestrahlung der biologisch relevanten Elemente C, N und O mit Protonen intermediärer Energien entstehen, bestimmt. Die Aktivität wurde zerstörungsfrei g-spektrometrisch untersucht. Dabei wurde durch die Analyse der Zerfallskurven der Vernichtungsstrahlung die Aktivität des einzelnen b+-Emitters bestimmt. Um die Reaktionsmechanismen zu verdeutlichen wurden Kernmodellrechnungen mit dem Rechencode ALICE-IPPE für intermediäre Energie durchgeführt. Die Wirkungsquerschnitte für die natTi(p,x)45Ca, natTi(p,x)49V und natPb(p,x)204Tl Reaktionen konnten zum ersten Mal gemessen werden. Zur Herstellung dünner Messpräparate wurden radiochemische Trennmethoden ausgearbeitet. Zur Bestimmung der Radionuklidaktivitäten wurde b--Zählung und Röntgenspektrometrie eingesetzt. Die ermittelten Daten wurden ebenfalls mit den Ergebnissen der theoretischen Rechnungen verglichen. Die zusätzliche Dosis durch die kurzlebigen Positronenstrahler 11C und 13N wurde für Muskel-, Fett- und Knochengewebe ermittelt. Die Berechnungen zeigen, dass der Beitrag der Positronenemitter nicht vernachlässigbar ist. Bei der Bestrahlung von Tumorgewebe entstehen im bestrahlten Volumen bis zu 35 % der eingesetzten Strahlendosis. Aktivitätsberechnungen wurden ebenfalls für die Kollimatormaterialien Blei und Titan durchgeführt. Während eines Jahres werden im Titankollimator 17 MBq an langlebigen Aktivierungsprodukten akkumuliert und in einem Bleikollimator reichern sich 65 MBq an (bei einer Energie von 200 MeV und einem Strahlstrom von 2 nA). Der radiologische Effekt dieser akkumulierten Aktivitäten ist relativ gering.

Item Type:

Thesis (PhD thesis)

Translated abstract:

Abstract

Language

For estimating the activation of human tissue and beam collimator material during proton therapy, excitation functions were measured by the stacked-foil technique for proton induced reactions on carbon, nitrogen, oxygen, lead and titanium. The energy region extended up to 200 MeV. In this work we concentrated on the formation of the short-lived positron emitters 11C (T1/2 = 20.38 min) and 13N (T1/2 = 9.96 min) in the interactions of intermediate energy protons with the light mass elements C, N and O. The product activity was measured non-destructively via g-ray spectrometry. A careful decay curve analysis of the positron annihilation radiation was invariably performed. In order to understand the reaction mechanism, the experimental results were compared with theoretical data obtained using the modified hybrid nuclear model code ALICE-IPPE for intermediate energies. Cross sections for the natTi(p,x)45Ca, natTi(p,x)49V and natPb(p,x)204Tl reactions could be measured for the first time. Radiochemical separation methods were developed to obtain thin samples. The radioactivity was measured via low level b--counting and x-ray spectrometry. Theoretical model calculations using ALICE-IPPE were performed also for the reactions and a comparison with the experimental data was carried out. The extra dose caused by the activation products 11C and 13N to muscle, adipose and bone tissue was calculated. It was found that the contribution of the positron emitters to the activation of human tissue generated by therapeutic proton beams is not negligible. The dose generated in the treated tumour volume amounts to about 35 % of the irradiation dose. Activation estimates were also done for the beam collimator material lead and titanium. During one year the level of long-lived activation products accumulated in the collimators amounts to 17 MBq for titanium and 65 MBq for lead (for a 200 MeV proton beam of 2 nA). The radiological effects of the accumulated activities are negligible.

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