Messtechnik für ionisierende Strahlung. Stephan Scheidegger 2014

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1 Messtechnik für ionisierende Strahlung Stephan Scheidegger 2014

2 Messtechnik für ionisierende Strahlung STRAHLENPHYSIK GRUNDLAGEN RADIOLOGIE STRAHLENBIOLOGIE ROENTGENTECHNIK Inhalt Messaufgaben Ionisationskammern Proportionalzählrohre Geiger-Müller-Zählrohre Szintillationsdetektoren TLD Halbleiterdetektoren / Dioden DIS-Dosimeter

3 Messtechnik für ionisierende Strahlung physikalische Grössen absorbierte Dosis D Kerma K Messaufgaben Dosis (D, H p, ) Dosisleistung Aktivität Aktivität pro Fläche Berechnet bzw. gemessen in einfachen Phantomen Berechnung mit w R, w T und Bezug auf anthropomorphes Phantom operationelle Grössen H P (d), H*(d), H'(d) Vergleich mittels Messung bzw. Berechnung biologische Grössen (protection quantities) H T, E

4 D H = w R D E = w T H T H P (d) H(d)

5 Körper Welche Dosis? Strahlenfeld Dosis D Luft Muskelgewebe Fettgewebe Lungengewebe a) Knochen b) c) Dosisverteilung im Körper inhomogen für Optimierung jedoch eine Grösse (Zahl) wünschenswert Effektive Dosis E Tiefe x

6 H P (10) = Hp Körper Strahlenfeld Dosis D Luft Muskelgewebe Fettgewebe Lungengewebe Knochen b) a) Tiefe d c) Äquivalentdosis in 10 mm Tiefe Organe mit hohem Wichtungsfaktor (Schilddrüse!) liegen eher tiefer Schätzwert für effektive Dosis E bei externer Bestrahlung

7 H P (0.07)= H S Tiefe d Äquivalentdosis in 0.07 mm Tiefe Annahme: dünste Dicke der Hornhaut Schätzwert für Hautdosis Dosis D Luft Muskelgewebe Fettgewebe Lungengewebe Knochen Körper Strahlenfeld a) b) c)

8 H P (3) Tiefe d Äquivalentdosis in 3 mm Tiefe Operationeller Schätzwert für Augenlinse (Grenzwert!) Dosis D Luft Muskelgewebe Fettgewebe Lungengewebe Knochen Körper a) b) c) Strahlenfeld

9 H*(d) Umgebungsäquivalent- Dosis Messung in ICRU-Kugel (76.2% O, 11.1% C, 10.1% H, 2.6% N) aufgeweitetes Strahlenfeld Messung auf dem zur Einstrahlrichtung parallelen Kugelradius in d mm Tiefe H*(10) operationelle Messgrösse für H P

10 H (d) Richtungsäquivalent-Dosis Messung in ICRU-Kugel (76.2% O, 11.1% C, 10.1% H, 2.6% N) aufgeweitetes Strahlenfeld Messung auf festgelegtem Kugelradius in d mm Tiefe H (0.07) operationelle Messgrösse für H S Mass für Dosimeter- Ansprechvermögen

11 Ionisationskammer Prinzip Ionisation Ladungstrennung Anlegen einer Spannung Ladungstransport Ionisationsstrom

12 Ionisationskammer 100 (a) Ionisationsstrom [pa] Rekombinationsbereich Sättigungsbereich (b) Kammerspannung [V]

13 Ionisationskammer Bsp. Stabdosimeter

14 Ionisationskammer Messung einer Dosis Kollimation des Strahlenfelds Hilfselektroden E Streustrahlenblende Messvolumen

15 absorbierte Dosis D de dm D 1 de dv

16 KERMA K de tr dm E ( ) ( ) nonr tr Rin u R out u Q

17 Bestimmung der Dosis X dq d m air Exposure X K col wx Kerma

18 KERMA, Energiefluenz und Dosis 100 kev 500 kev 6 MeV

19 Bestimmung der Dosis e Medium Luft Medium x

20 KERMA, Energiefluenz und Dosis D(x) K(x) KERMA(x) D(x) Tiefe x

21 D,K Medium Luft K med Messregimes D air D med a) K air Medium x Kammerdurchmesser >> Sekundärelektronenreichweite D,K Medium D air Luft K med Medium Kammerdurchmesser << Sekundärelektronenreichweite D med b) K air x

22 Dosimetrie in der Strahlentherapie (RT)

23 Dosimetrie in der RT Ziel: Verordnete Dosis so genau wie möglich applizieren (im Referenzpunkt und räumlich)

24 Messregimes Medium Photonen gasgefüllter Hohlraum D D med gas Emax 0 Emax 0 de de d / de de / ds e med d e / de de / ds gas gas med

25 Messregimes D D med gas Emax 0 Emax 0 d / de de / ds e de d / de de / ds de e med gas med gas med S gas Strahlung Material Wasser Kohlenstoff 100 kv p * Cs Co MeV **

26 Monitor Units (MU) vs Dosis MU vs. D ref?

27 Monitor Units (MU) vs Dosis MU D... SCD k SC SP SPD 2 S C : Collimator scatter factor S P : Phantom scatter factor k: cgy/mu

28 Zum Messgerät Proportionalzählrohr Prinzip ähnlich wie Ionisationskammer, aber höhere Spannung C Anode (Zähldraht) R V - Kathode (Kammerwand)

29 Proportionalzählrohr Feldstärke E(r) in 10 6 V/m r [mm] Verlauf des elektrischen Feldes im Proportionalzählrohr. Graues Feld: Gasverstärkungszone

30 Geiger-Müller-Zählrohr Weiterverarbeitung des Signals - R A 100 k Anode ca. 500 V Kathode (Metallmantel) R L 4.7 M Prinzip: Ladungslawine nach Ionisation durch Anlegen einer hohen Spannung

31 Geiger-Müller-Zählrohr Vorteile: Kleine, handliche Form möglich empfindlich und billig Nachteile Totzeit! Keine Energiediskriminierung (ausser mit Filter)

32 Geiger-Müller-Zählrohr 1.6 rel. Ansprechvermögen mit Filter ohne Filter Energie [kev]

33 1.6 rel. Ansprechvermögen Ionisationskammer Szintillator Geiger-Müller- Zählrohr Energie [kev]

34 Szintillationsdetektoren Lichtdichte Hülle Szintillationskristall Photokathode - Hochspannung Prinzip: Umwandlung von ionisierender Strahlung in Licht Umwandlung von Licht in Elektronen und Verstärkung Anode Dynoden

35 Szintillationsdetektoren 1.2 rel. Ansprechvermögen m Tc 131 I Kristalldicke [mm]

36 Thermolumineszenz-Dosimeter E Valenzband Trap Prinzip: Anregung von Elektronen / Anhebung ins Leitungsband Fixierung in sog. Traps Bei Heizen rausschütteln der Elektronen und Freisetzung von Licht

37 Thermolumineszenz-Dosimeter 350 C Glow-Kurve eines TLD s und Temperaturverlauf. Strahlungsleistung P Temperaturr T 100 C 250 C P T Zeit

38 TL-Material Dichte [g/cm 3 ] Effektive Ordnungs- Zahl Wellenlänge der max. TL- Emission [nm] LiF:Mg,Ti CaF 2 :Mn CaF 2 :Dy , 580 CaSO 4 :Dy , 570 CaSO 4 :Tm CaSO 4 :Mn BeO Al 2 O Li 2 B 4 O

39 Individuelle Dosisermittlung Die Ermittlung der Dosis erfolgt durch: Personendosimeter für alle beruflich strahlenexponierten Personen Überschürzendosimeter bei möglicher hoher Belastung z.b. der Schilddrüse (interventionelle Radiologie) Fingerringdosimeter bei möglicher hoher Belastung der Hände (interventionelle Radiologie, NUK) Inkorporationsüberwachung beim Umgang mit Radionukliden in offener Form

40 Halbleiterdetektoren Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si P Si Si P Si - Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si P Si Si Si Si P Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si P Si Si Si Si Si B Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si B Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si B Si Si Si Si Si Si Si Si Si B Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si B Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Raumladung elektr. Feld E Prinzip: Interaktion mit Elektronen in der Verarmungsschicht Anregung / Anhebung Transport durch Potentialbarriere elektr. Potential

41 Halbleiterdetektoren elektr. Potential - Prinzip: Interaktion mit Elektronen in der Verarmungsschicht elektr. Potential - Strahlung - Anregung / Anhebung Transport durch Potentialbarriere

42 Halbleiterdetektoren Prinzip: Analogie zur Ionisationskammer, jedoch Si / Ge viel dichter kleinvolumige Detektoren möglich

43 DIS-Dosimeter Floating Gate Füllgas Isolator Source Drain Substrat (Si) Direct Ion Storage: basiert auf einer gasgefüllten Ionisationskammer, welche mit einer Halbleiter-Speicherzelle kombiniert ist (analog EEPROM)