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!