Weiterentwicklung eines Ionen-Transportprogramms im Hinblick auf

Werbung
Institut für Kern- und Teilchenphysik
AG Strahlungsphysik
Weiterentwicklung eines IonenTransportprogramms im Hinblick
auf Anwendung in der
Hadronentherapie
Albrecht Hopfe
Dresden, 9. Dezember 2010
1
Motivation für diese Arbeit
2
Modellbildung
3
Kernreaktionen
4
Ergebnisse und Fazit
1 Motivation für diese Arbeit
Warum Ionentherapie?
1 Motivation für diese Arbeit
Warum Ionentherapie?
 Ionenstrahlung hat gegenüber
Röntgenstrahlung günstigeres
Tiefendosisprofil für Therapie
 Eindringtiefe wird durch die
Energie der Projektile bestimmt
 Höhere biologische Wirksamkeit
im sogenannten BRAGG-Peak
 In der Therapieplanung werden analytische Modelle verwendet.
 TRiP in Heidelberg
 Monte-Carlo-Algorithmen berechnen exemplarische Trajektorien der
Projektile unter Berücksichtigung der auftretenden Wechselwirkungen.
 Es gibt bereits etablierte Monte-Carlo-Programme:
 FLUKA
 SRIM
 GEANT4
 MCNPX
 Warum ein weiterer Monte-Carlo-Algorithmus?
Zielsetzung bei der Programm-Entwicklung
 Beschränkung der Behandlung physikalischer Effekte auf eine für
die Therapieplanung benötigte Messgenauigkeit
 Laufzeit-Optimierung des Monte-Carlo-Algorithmus sowie der
Datenverarbeitung
2 Modellbildung
Zugrundeliegende Wechselwirkungen
 Elastische Wechselwirkungen
 Streuung am abgeschirmten
Coulomb-Potential der
Targetkerne
 Inelastische Wechselwirkungen
 Anregung und Ionisation
der Targetatome
 ( Anregung und Ionisation
des Projektils )
 Kernreaktionen
2 Modellbildung
Zugrundeliegende Wechselwirkungen
 Elastische Wechselwirkungen
 Streuung am abgeschirmten
Coulomb-Potential der
Targetkerne  Winkelablenkung
 Inelastische Wechselwirkungen
 Anregung und Ionisation
der Targetatome  Abbremsung
 ( Anregung und Ionisation
des Projektils )
 Kernreaktionen  Sekundärteilchen
Prinzipieller Ablauf des Transportalgorithmus
 Transport längs freier Weglänge li mit inelastischem Energieverlust ΔEi
 Streuung an einem Targetatom mit Winkeländerung ϑi
 wiederholen bis Abschneideenergie erreicht ist
Prinzipieller Ablauf des Transportalgorithmus
 Transport längs freier Weglänge li mit inelastischem Energieverlust ΔEi
 Streuung an einem Targetatom mit Winkeländerung ϑi
 wiederholen bis Abschneideenergie erreicht ist
Streuwinkel
ϑi
Weglängen
li
Energieüberträge ΔEi
Bestimmung der Streuwinkel
 Streuwinkel wird mittels modifizierter Rutherfordstreuung bestimmt.
 Wechselwirkungspotential aus dem Monte-Carlo-Programm SRIM
 Stichprobe für Stoßparameter p wird mit linearer Dichtefunktion
erhoben.
Bestimmung des Grenzwinkels
 Die Auswirkung einer Streuung auf die Energiedeposition ist am
Anfang der Trajektorie größer als kurz vorm Ende
 Kleine Streuwinkel werden nur bei hoher verbleibender
Reichweite simuliert!
Prinzipieller Ablauf des Transportalgorithmus
Streuwinkel
ϑi
Weglängen
li
Energieüberträge ΔEi

Zu berücksichtigende Streuwinkel
treten nur bei sehr kleinen
Stoßparametern p auf.

Bestimme maximalen
Stoßparameter pmax aus
maximalem Streuwinkel.

Berechne durchschnittliche
Weglänge zwischen zwei
solchen Ereignissen
aus der Teilchendichte
und diesem Stoßparameter.
Weiterentwicklung eines Ionen-Transportprogramms im
Hinblick auf Anwendung in der Hadronentherapie
Folie 14 von XYZ

Zu berücksichtigende Streuwinkel
treten nur bei sehr kleinen
Stoßparametern p auf.

Bestimme maximalen
Stoßparameter pmax aus
maximalem Streuwinkel.

Berechne durchschnittliche
Weglänge zwischen zwei
solchen Ereignissen
aus der Teilchendichte
und diesem Stoßparameter.
Weiterentwicklung eines Ionen-Transportprogramms im
Hinblick auf Anwendung in der Hadronentherapie
Folie 15 von XYZ
Bestimmung der freien Weglänge zwischen zwei Stößen
 Längen li sind exponentialverteilt:
Prinzipieller Ablauf des Transportalgorithmus
Weglängen
li
Streuwinkel
ϑi
Energieüberträge ΔEi
Bestimmung der Energieüberträge
 Theoretischer Hintergrund: Bethe-Formel
 Lineares Stoßbremsvermögen Se ist Quotient aus Energieübertrag
und Weglänge. Es hängt ab
 vom Material,
 vom Projektil und
 von der Energie.
 Daten werden mittels einer Programmroutine aus StopPow
berechnet.
Schwankung der Energieüberträge
 Schwankung aufgrund
stochastischem Energieübertrag
an Elektronen
 Gaußverteilung wenn gesamter
Energieverlust viel größer als
maximaler Übertrag an einzelnes
Elektron ist
 Beschreibung durch allgemeinere
Vavilov – Theorie möglich
Schwankung der Energieüberträge
<ΔR>
<ΔR>
 Reichweitenstreuung von Protonen in Fettgewebe
3 Modellbildung für Kernreaktionen
 Kernreaktionen sind viel seltener als die anderen Wechselwirkungen
3 Modellbildung für Kernreaktionen
 Kernreaktionen sind viel seltener als die anderen Wechselwirkungen
 Möglich sind
 die Anregung eines Kerns mit anschl. Gamma-Emission,
 das Abstreifen eines Neutrons oder Protons,
 der Zerfall in mehrere Sekundärkerne sowie
 eine totale Spallation.
3 Modellbildung für Kernreaktionen
 Kernreaktionen sind viel seltener als die anderen Wechselwirkungen
 Möglich sind
 die Anregung eines Kerns mit anschl. Gamma-Emission,
 das Abstreifen eines Neutrons oder Protons,
 der Zerfall in mehrere Sekundärkerne sowie
 eine totale Spallation.
 Modelle wie die „Binäre Kaskade“ oder das „Bertini-Modell“
3 Modellbildung für Kernreaktionen
 Kernreaktionen sind viel seltener als die anderen Wechselwirkungen
 Möglich sind
 die Anregung eines Kerns mit anschl. Gamma-Emission,
 das Abstreifen eines Neutrons oder Protons,
 der Zerfall in mehrere Sekundärkerne sowie
 eine totale Spallation.
 Modelle wie die „Binäre Kaskade“ oder das „Bertini-Modell“
 Datenbanken wie ENDF (Brookhaven National Laboratory)
Verwendeter Wirkungsquerschnitt
 zu Demonstrationszwecken
 Reaktionspartner: Proton auf Kohlenstoff
FARBEN!!!!!
Verwendeter Wirkungsquerschnitt
 zu Demonstrationszwecken
 mit Energie- und Impulserhaltung
 Reaktionspartner: Proton auf Kohlenstoff  Bindungsenergien dieser Kerne
werden verwendet
Algorithmus zum Auslösen der Kernreaktionen
Algorithmus zum Auslösen der Kernreaktionen
 Prüfe, ob das Projektil in diesem
Material eine KR macht.
 Falls ja, bestimme die Energie,
bei der die Kernreaktion
stattfinden wird.
 Transportiere Teilchen bis zu
dieser Energie ohne weitere
Abfrage.
Algorithmus zum Auslösen der Kernreaktionen
 Prüfe, ob das Projektil in diesem
Material eine KR macht.
 Falls ja, bestimme die Energie,
bei der die Kernreaktion
stattfinden wird.
 Transportiere Teilchen bis zu
dieser Energie ohne weitere
Abfrage.
 Neues Material?
 beginne von vorn.
4 Ergebnisse und Fazit
Kernreaktionen durch Sekundärteilchen
 Auch in Kernreaktionen erzeugte
Protonen können Kernreaktionen
auslösen.
Kernreaktionen in
Materialschichten
Kernreaktionen durch Sekundärteilchen
 Beschränkung auf benötigte
Genauigkeit führt zu einer
Beschleunigung im Vergleich
zur expliziten Simulation aller
Streuungen
 Neuer Algorithmus zum
Auslösen der Kernreaktionen
 Therapieplanung mittels MCMethode erscheint möglich
 Weitere Aufgaben:
 Geometrie
 Verarbeitung entstandener Neutronen und Gamma-Strahlung
 Implementierung einer Datenbank von Kernreaktionen
Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!
Herunterladen
Random flashcards
Erstellen Lernkarten