Dresden , 9. Dezember 2010

1. Institut für Kern- und Teilchenphysik AG Strahlungsphysik WeiterentwicklungeinesIonen-Transportprogramms im Hinblick auf Anwendung in der HadronentherapieAlbrecht Hopfe Dresden, 9. Dezember 2010

2. Motivation für diese Arbeit Modellbildung Kernreaktionen Ergebnisse und Fazit

3. 1 Motivation für diese Arbeit Warum Ionentherapie?

4. 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

5.  Warum ein weiterer Monte-Carlo-Algorithmus? • 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

6. ZielsetzungbeiderProgramm-Entwicklung • Beschränkung der Behandlung physikalischer Effekte auf eine für die Therapieplanung benötigte Messgenauigkeit • Laufzeit-Optimierung des Monte-Carlo-AlgorithmussowiederDatenverarbeitung

7. 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

8. 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  Sekundär- • teilchen

9. Prinzipieller Ablauf des Transportalgorithmus • Transport längs freier Weglänge limit inelastischem Energieverlust ΔEi • Streuung an einem Targetatom mit Winkeländerung ϑi • wiederholen bis Abschneideenergie erreicht ist

10. Prinzipieller Ablauf des Transportalgorithmus • Transport längs freier Weglänge limit inelastischem Energieverlust ΔEi • Streuung an einem Targetatom mit Winkeländerung ϑi • wiederholen bis Abschneideenergie erreicht ist • Streuwinkel ϑi • Weglängen li • Energieüberträge ΔEi

11. Bestimmung der Streuwinkel • Streuwinkel wird mittels modifizierter Rutherfordstreuungbestimmt. • Wechselwirkungspotential aus dem Monte-Carlo-Programm SRIM • Stichprobe für Stoßparameter p wird mit linearer Dichtefunktion erhoben.

12. 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!

13. Prinzipieller Ablauf des Transportalgorithmus • Streuwinkel ϑi • Weglängen li • Energieüberträge ΔEi

14. Bestimme maximalen Stoßparameter pmaxaus maximalem Streuwinkel. • Berechne durchschnittliche Weglänge zwischen zwei solchen Ereignissen • aus der Teilchendichte • und diesem Stoßparameter. • Zu berücksichtigende Streuwinkel treten nur bei sehr kleinen Stoßparametern p auf. Weiterentwicklung eines Ionen-Transportprogramms im Hinblick auf Anwendung in der Hadronentherapie

15. Bestimme maximalen Stoßparameter pmaxaus maximalem Streuwinkel. • Berechne durchschnittliche Weglänge zwischen zwei solchen Ereignissen • aus der Teilchendichte • und diesem Stoßparameter. • Zu berücksichtigende Streuwinkel treten nur bei sehr kleinen Stoßparametern p auf. Weiterentwicklung eines Ionen-Transportprogramms im Hinblick auf Anwendung in der Hadronentherapie

16. Bestimmung der freien Weglänge zwischen zwei Stößen • Längen li sind exponentialverteilt:

17. Prinzipieller Ablauf des Transportalgorithmus • Weglängen li • Streuwinkel ϑi • Energieüberträge ΔEi

18. 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.

19. 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

20. Schwankung der Energieüberträge <ΔR> <ΔR> • Reichweitenstreuung von Protonen in Fettgewebe

21. 3 Modellbildung für Kernreaktionen • Kernreaktionen sind viel seltener als die anderen Wechselwirkungen

22. 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.

23. 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“

24. 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)

25. Verwendeter Wirkungsquerschnitt • zu Demonstrationszwecken • Reaktionspartner: Proton auf Kohlenstoff FARBEN!!!!!

26. Verwendeter Wirkungsquerschnitt • mit Energie- und Impulserhaltung • Bindungsenergien dieser Kerne werden verwendet • zu Demonstrationszwecken • Reaktionspartner: Proton auf Kohlenstoff

27. Algorithmus zum Auslösen der Kernreaktionen

28. 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.

29. 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.

30. 4 Ergebnisse und Fazit Kernreaktionen durch Sekundärteilchen • Auch in Kernreaktionen erzeugte Protonen können Kernreaktionen auslösen.

31. Kernreaktionen in Materialschichten

32. Kernreaktionen durch Sekundärteilchen

33. Beschränkung auf benötigte Genauigkeit führt zu einer Beschleunigung im Vergleich zur expliziten Simulation aller Streuungen • Neuer Algorithmus zum Auslösen der Kernreaktionen • Therapieplanung mittels MC-Methode erscheint möglich • Weitere Aufgaben: • Geometrie • Verarbeitung entstandener Neutronen und Gamma-Strahlung • Implementierung einer Datenbank von Kernreaktionen

34. Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!