Entwicklung und Charakterisierung von Elektret-Ionisationskammern zur Messung von Gewebe-Oberflächendosen in der Hochenergie-Strahlentherapie

ORIGINALARBEIT

Entwicklung und Charakterisierung von ElektretIonisationskammern zur Messung von GewebeOberflachendosen in der Hochenergie-Strahlentherapie Guntram Kunz, Hermann Seifert, Hans-Ka rl Leetz Universitat des Saarlandes, Institut fOr Radiolog ische Physik, 6642 1 Hombu rg/Saar

Zu sammcnfassung Eine Yorau ssetzung fi ir die zuve rliissige Bestimmung von Organdosen bei der Therapie mit hochenergetischen Photonen ist die Messung der Gewebe-Ob erfliichendosis am Patienten. FUr diese Aufgabe werden Elektret-Ionisationskammem (ElK) entwickelt. Die ElK arb eiten wie herkiimmliche Ionisationskamm ern im Siittigungsberei ch, besit zen abe r einen Elektreten als Samm elelektrode. Die Dosism essung beruht auf der Ladun gsabnahme und der damit verbunde nen Spannungsabnahme des Elektreten durch die strahlungsinduzierte Ionisation des Kamm ergases Luft, Das Ansprechvermogen der ElK konnte sowohl durch die Wahl der Elektretdicke als auch dur ch die Kammerhoh e variiert werden. Die entwickelten Elektretdo simeter zeigen eine ge ringe Energie-, Richtungs- und Dosisleistungsabhiingigkeit, Zur Aufladung der Elektr ete wurde eine Koronaformierung entwic kelt. Die mechanisch robusten ElK konn en im Gegensatz zu Tl. -Dosimetern sehr schn ell, einfach IIIld ohne Mefl wertverlust ausgewertet werden. Da der Elektret selbst als Hochspannungsquelle ohne Anschluflkab el dient, ist ein gle ichzeitiger Einsat: mehrerer Dosimeter alii Patienten miigli ch.

Abstract A prerequi site fo r the pra ctical determination of organ doses in high- energy radiothe rapy is the measurement of surface doses on the pati ent. For this task electret ionization chambe rs (EIC) are being developed. An EIC works like a conventional ionization chambe r in the region of saturation, but it possesses an electret as collecting electrode. The principle of EIC is based on the charge decrea se and the resulting electret voltage decrease by radiation-induced ionization of the chamber gas. The Response of the EIC has been adapted by varyin g the electret thickn ess and the chambe r hight. The EIC sho ws a small dependence on photon energy, ray dir ection and dose rate. For charg ing the electrets a corona-charging method has been developed. The time necessary fo r dosemeter readin g is very short. and it is possible 10 repeat the readin g procedure, in contrast to therm olum inescent doseme ters. Dose measurements on different places of the patient at the same time are possible. beca use EICs need no external voltage supply durin g irradiation.

Keywords: Elektret-Ionisationskamrner, Elektretdosimctr ie, Gewebe-Oberflachendosis, Hochenergetische Photonen

Einleitung Die ersten Elektret- lonisationskammern zur Messung ionisierender Strahlung (u-, ~- , y- und Rontg enstrah lung) wurden 1955 von H. B. Marv in konstruiert [7]. Heute werden ElK vorwiegend zur Messung del' Aktivitatskonzentration von Radon ge nutzt 16J. lm vorliegenden Fall wurde n ElK fiir die klinische Anwendung in del' Strahlentherapie

Z. Mcd. Phys. 7 ( 1997) 27 - 32

mit hochenergetischen Photon en konstruiert und gctestet [5J. Unter eine m Elektreten verste ht man ein elektrisch isolierendes Materia l, das quasi-permanent e elektri sche Monoladungen und/oder Dipole enthalt, so daB ein auBeres elektr isch es Feld erzeugt wird . In die sel' Arbei t wurde n Folien aus Polyfluorethylenpropylen (Teflon-FEP, Fa. Du Pont de Nemours) als Elektretmatcria l verwen det, da sie sich du rch hcrvorragcnde Ladungsstabilitat ausze ichne n [ 10. S. 67J .

27

EnlWicklung und Charakterisierung von Eiektrat-tonlsanonskammem zur Mcssung von Gewebe-Ober1IAchendosen in der Hochcnergie-Strahlentherapie

Korona-

~

Spitzen

Sonde

shuller ~n~.d Metan.

_

Shuuer

giner

Elcktret

Heizplane

~

Elektrct

lem

Abbildung 1 Schematischer Aufbau der kapa zltlven Sonde zur Bestimmung der Elektretspannung d SE = 10,00 mm (Sonde -Elektret Abstand)

1m ersten Abschnitt soli die Methode der statischen kapazitiven Sonde zur Me ssung de r Elektretspannu ng vorgestellt we rden. Als Verfahren zur Erzielung hoher Elektretspannungen wird im darauffol genden Kap itel ei ne Koronaformierung besch rie ben . Die Best im mung de s An sprechverrnogens und der dosimetrisc hen Eigen schaften der ent w ickelten El K bilden den Kern diese r Arbeit.

Kapazitive Sonde zur Elektretspannungsmessung Bei einer statischcn kapazitiven So nde zur Elektretspannun gsm essun g (Abb. I) befindet sich der Elek tret im definierte n Ab stand unter einer planare n Elek trode, d ie an cin hoch em pfin dliches Lad ung smcllgerat (Elektrometer Modell 617, Fa. Kei th ley) angeschlosse n ist [9J. Nac h O ffnen de s Shutters intlue nzie rt das elek trisc he Feld des Elektreten auf der So nde noberflac hc ci ne der Elektretlad ung prop ortion ale Ladu ng. Zu r Kalibri erun g der Sonde wurde die metall isch e Nac hbildung eines Elektreten (" Kalibrier-Elektret" ) hergestellt. Durch eine meBbare, ex terne Spannung am Kalibr ierElektre tcn wird da s aufsere elek trisc he Feld eines Elektreten simuliert und Ladung auf der So nde intl uenziert. Die infl uenzierte Ladung han gt linear von de r angelegten Spannung ab, so daB von einer durch einen Elek tre ten intluenzierten Ladung die Elektretspannung (Elcktret-Oberflachenpotential) berechnet we rden kann . Durc h die voll standige elektrisc he Ab sc hirrnung de r Sonde si nd Me ssungen von Ladungsdifferenzen mit ein er mittleren Genauigkeit von ± 7 pC moglich, was einer MeBgenauigkeit der Elektre tSpannungsdi fferen z von ± 14 V ent spricht.

Koronaformierung Bei ei ner Koron aentladu ng we rde n die in der Lu ft vorhandenen lonen durch eine Hochspannun g, die an den Koronaspitzen anlieg t, so bcschl cun igt, daB we itere Luftrnolekule ionis iert werde n (StoBionisation). Bei der hier gewahlten Polarit at der Koranoasp itzen werde n positiv ge lade ne lon en

28

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Abbildung 2 Schema tischer Aufbau del' Koronafo rmieru ng Us = 10 kV (Spitzenspannung ), UG = 5 kV (Gitterspannung ), dSG = 12 111111 (Sp itzen-Gitter Abstand), dGE = 11 111111 (Gitter-Elektret Abstand) in Ric htung de s Elektreten besc hleunigt (Abb. 2). Dort rek omb inieren sie ode r dringe n in den Elektrete n ei n, wo durc h Defektelektronen (Locher) und positiv geladene Storstel len ge bildet werden. Es en tstehen vorwiegend Oberflache nla dungen, zu geringem Tei l auc h Raumladungen, die de n Elcktreten positi v autladen (Formierung) [8. 12]. Die Koro naspitzen aus Kupferlitze erhalten tiber ein Hochspannungs- et zge rat ein elektrisc hes Potential vo n + 10 kV . S ie befi nden sich zen triert tiber einem planarcn, krei sru nden Me ssin ggitt er, das zur Homogenisierun g de s Ladungsstromes auf den Elektreten dient, Ocr Elektret wi rd ind irekt in seinem Trager auf ctwa 50 °C erwarmt, urn die Beweg lichkeit der Locher im Elektretmaterial zu er ho he n und energet i ch hoher ge legene Loch zu stande zu bese tzen [I I]. Auf diese Weise wird die Stabi litat der Ladungstrager im Elek treten erhoh t, lnn crh alb wen ige r M inuten werde n mit dieser Methode Elektretspa nnu nge n in Tetl on -FEP von tiber 1500 V erreicht. Nac h 10 Tagen liegt die durch schn ittl ieh e Ab nah merate der Ele ktre tspa nnung bei (3,5 ± 1,0) V/d . Da d ie Bestr ahlungsze iten vo n Patien ten im allgemeine n we niger als 30 mi n bc tragen, ist die nich tstrahlu ngsinduzierte Spannungsa bna hmc der Elektrete weniger als O. I V und som it vernachliissigbar. Nac h ei ncr strahlungs induzierlen Entladung kann der Elek tret erneut aufgeladen und bestrahlt werden.

Autbau und Berechnung des Ansprechverrnogens der ElK Die ElK wurden als Flachkammern mit dem Kap sc lrnatc rial Pol ysulfo n (Fa. Gehr Kunststoffwerk, Mannheim ) kon struiert (Abb. 3). Um die Elektrete au s Tetlon-FEP im Alum iniurntrager zu fixieren , wurden Sprengringe aus Federstahl angefertigt. Die Kapsclh ohen wurden zwi schen 0 ,97 und 7,97 mrn, die Elektretdicken zw isc hen 25 und 254 11m variiert. Bei positiver Elektre tladung we rden strahlungsind uzierte Elektrone n im allBeren e lek trischen Feld des Elek treten

EntwiCklung und Cha,a kterisieru ng von Elekt,eHonisat ionska mmern zur Mess ung von Gewebe-Oberttiichendosen in de' Hoch enerqie-S trahl entherap ie

Kapscl 800

Lufl

Elektret

~ 600 Cl c: c: c:

:>

Trager 0 28

e~ 400

~

~

W

0 30

200

Abbildung 3 Querschnitt du rch eine Elektret-Ionisationskamm er dE: Elektretdicke; dL: Kapselltohe (Dicke der Luftschicht ]

angczogen und verringern seine Spannung. Da die ElK im Sattigungsbereich betrieben werden, ist das Ansprech vermogen durch R = ~UlD w bestirnmbar, wo bei ~U die Spannungsdifferen z eines Elektreten vor und nach Bestrahl ung und Ow die Wasser-Energiedosis bedeuten. Th eoretisch kann das Ansprech verrnogen einer ElK auf der Grundl age eines Plattenk ondensators naherungsweise durch

*)

(SCOI/pk

(scol/p)w

(I)

bestimmt werden, wobei die Elektretd icke dE und die Kapselhohe d L (Dicke der Luftschicht in der El K) we e ntliche Einflubgroben sind [ 1-4J . Es bezeichnen Eo die Dielekt rizitatsko nstantc. PL die Dicht e, WI. die mittlere Ionisationsenergie, CL die Dielek tri ziratszahl von Luft und c~ die Die lektrizitatsza hl des Elektretmaterials. (SCOftP k /(SCOT/p )w besch reibt das Ver haltnis der mittlere n Mas sen-Sto fbrernsvermogen von Luft zu Was ser. Da die ElK bei Photonenenergien im MeV- Bereich als Bragg -Gray-Kammer arbe itet, bcwirkt dieses Verhaltnis die Umrechnung der Luftdosis in Luft zur Wasser-Energiedosis in Wasser.

SD-Co-QueUe FOA = 75 cm. FG = 10cm x10cm dE 25 1.l m, dL 1,97 mm

=

o

=

2

3

5

4

6

Wisser-Energiedosis [Gyl

Abbildung 4 Dosis-Charakteristik einer ElK, die mit Photonen einer 60 -Co-Qllelle bestrahlt wurde.

Dosis-Charakt er istik und Variation des Ansprec hver mogens Die fur die Hochenergie-Strahlenth erapie cntwickel ten ElK wurde n sowoh l an ei ner 60-Co-Anlage als auch an Lincarbeschleunigern (Siemens Mevatron MDX. MXE und KD2) bcstrah lt. In Tab. I sind die Bcstrahl ungsbedingungen angegeben. Die Kalibrierung der ElK in der GroBe WasserEnergiedosis in Wasser wu rde mithilfe cine s Plexiglasphantoms vorgenommen. Referenzmessungen wurden mil einer geeichten Sch lauch kammer (Typ M3 1003. Fa. PTW Freiburg) realisiert. Abb. 4 zcigt die Dosis-Charakreristik einer ElK. welche mil Photoncn einer 6O-Co- Quelle bestrahlt wurde. Der Ver lauf de r Charakteristik ist linear . Bei ei ner Elektretanfang sspannung von 800 V reicht der DosismeBbercich dicser ElK bei einem Ansprechvermogen von 104 V/G y von etwa 0.1 Gy bis 6 Gy. Die obe re Grenze des Dosisme13bereiches ergibt sich aus der maximal mellbaren Elektret-Spannungs-

Tabelle 1 Bestrahlungsbedingungen Bestrahlungsanlage

Nennenergie der Photonen [MeV]

60-Co

Effektive Photonenenergie [MeV]

Strah lung

1,25

y-Strahl ung

Siemens MDX

4 6

1,5 2,0

gepulste Bremsstrahlung

Siemens MXE

6

2,2

gepulste Bremsstrahl ung

Siemens KD2

6 23

2,4 6,2

gepulste Bremsstrahlung

Repetitionsrate der Strahlungspulse [Hz]

- 178 - 175

- 63; - 182 - 37; - 141

29

Entw icklung un
400

dE = 25 urn

>: 300 C)

~ c

-


Ol

•-

1000

•

Effekt ive Photonenenergie: 2 ,0 MeV Mittlere Dosisleistung: 1,5 Gy/min

~c
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E

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Mittlere DJsisIeistung: 1,5 Gjl min

=25 '" m. d,. =1,97 mm

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2 4

6

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8

EffelWePhotonenenergie [MeV]

Abbildung 7 Abhiingigkeit des relati ven Ansprechve rmogens der ElK von der effektive n Photonenenergie, bezogen auf das Ansprechvermiigen der ElK bei 60-Co-Gommastrahlung anderung infolge der Bestrahlung. Oiese ergibt sic h als Differenz zwischen der maximal erze ugbaren Elektretspann ung und der minima len Elektrc tspan nung, bei de r die ElK noch im Satti gungsbcreich arbeitet. Die untere Grenze des OosismeBbereiches ergi bt sich aus dem Fehler, der durch die Elektret-Spannu ngsmess ung, der Abweichun g der DosisCharakteristik von der Linearitat und durch die Exemplarstreuung der El K bestimm t ist. Abb . 5 stellt die Abh angigkcit des Ansprech vermogens von der Kapselh ohe dar. Mit zunehmender Kapselh ohe steig t das Anspre ch vcrmogen der ElK. Die Abweichun gen von den theoretischen Werten ergeben sich dadurch, daB die benu tzte Theorie die Abw eichung der Dosis-Ch arakteristik

30

dL =1 ,95mm

0

50

= 1,97 mm 100

150

200

250

Elektretdicke [I1ml

Abbildung 5 Abhdngigkeit des Ansprechvermdgens der El K von der Kapselhohe

dE

dL = 1,92 mm

200

dL 4

Kapselh6he [rnrn]

0,7

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o

~

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600

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80 0 >:

T

Exper iment Theorie

Effektive Photonenenergie: 2,0 MeV Mittlere Dosisle istung : 1,5 Gy/min Expe riment - - Theorie

Ab bildung 6 Ab hiingigkeit des Ansprec hve rmiigens der El K vall der Elektretdi cke

von der Linearitat, die strahlungsinduzierte elektrische Leitfahigkeit des Elektreten, Kamrncrwand-Effekte und die Inhomogeni tat des elektrisc hen Elcktrctfcldcs unberiicksichtigt IiiBt. Mit steige ndem Ansprech vcrm ogen konnen ge nauere Messungen in einem kleiner werdende n OosismeBbereich dcr ElK durchgefiihrt werden . Bei ei ner Elcktretan fangsspannun g von 900 V und einer Elektretd icke von 25 IJm wurden du rch die Variat ion der Kapselhohe DosismeBbereiche von [0,04 Gy: 2,0 Gy] bei d L = 7,97 rnm bis [0,2 Gy; 10,5 Gy ] bei d L = 0,97 mm erzielt. Analog zur Kapselhohe der ElK konnte auch durch Wahl der Elekt retdicke das Ansprech vcrm ogcn und der OosismeBbereich einges tellt werden (Abb. 6). Mit steige nder Elekt retdicke steig t bci sinkender oberer MeBbereichsgrenze das Ansprechvermogen und die MeBgen auigkeit.

Dosimetrische Eigenschaften der ElK Abb. 7 zeig t das auf die Wasser-Energiedosis bezogene Ansprech vermogen in Abhangigkcit von dc r effe ktiven Photonenenergie, norm iert auf das Ansprechvcrmogc n bei 60-Co-Gammastrahlung. In diesem Energiebereich der Photonen von 1,25 bis 6,2 Me V ist das Ansprechverrnoge n nahezu konstant , so daB Do. ismessungen nicht von der Photonenenergie bceinflu lst werde n. Die Ursac he hier fiir liegt in dcr geringe n Energieabhangigkeit der Masse nStolibrem sverm ogen von Luft, Wasser, und Kammerwand materia lien in diesem Energie bereic h. Abb. 8 zeigt die Abhangigke it des Ansprec hver moge ns von der Einfallsrichtun g der Photonen, bezogen auf das Ansprech verrnogen bei einer Bestrahlun g aus 0 0 • Oiese Abh angigkeit liegt bei etwa 20 %. Das relati ve Ansprechverrnoge n ist maximal bei 0 0 und zeigt bei etwa 135 0 bzw. 225 0 schwache Minima. Die Begrlindung fur diese Abhan -

Entwicklung und Cha ral
90° 1,0 0,8 0,6

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60-Co-OJelie Effektive Energie der Photonen: 2,4 MeV \1 EffektiveEnergie der Photonen: 6,2 MeV d E =25 11 m, d l =1,97 mm

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Energiedosisleistung [GyfminI

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Abbildung 8 Abhiin gigkeit des relativen Ansprechvermiigens der ElK vom Bestrahlungwinkel (Effe ktive Photonenenergie: 2,0 MeV; mittlere Dosisleistung: 1,5 Gy/min ; dE = 25 pm ; dL = 1,97 mm ) gigkeit liegt in der geometrischen Kon struktion und dem gro13eren Stolsbremsvermcgen des Elcktrettragers aus Aluminium im Vergleich zur Kapse ldecke aus Po lysulfon. Die Minima werden durc h die grol3e im Alumi nium zuruckzulegen de Weglange de r dosisbestimm enden Sekundarelektronen ver ursacht. Bei der Bestrahlung ge langt hierdu rch der vergleichsweise geri ngste An tei l von Sek undarelektro ncn in das empfi ndliche Luftvolumen der Bragg-G ray-Kammer und verursacht den geringsten Mel3effekt. Es wurden Me ssungen zum Ansprechvermogen der ElK an vcrschiedenen Bestrahlungsanlagen (Co-Anlage n und Linearbeschleuniger KD2 ) mit unte rschiedlicher mittlerer Dosisleistung durchgefuhrt (Ab b. 9). Die zeitlichen Verlaufe der Ausgangsle istung der Bestrahlungsanlagen unterscheide n sich dabei wesentlich voneinande r. Wahrend die Photonen einer Co -A nlage du rch den zufallig verteilten radioaktiyen Zerfall des Co balts entstehen, erzeugt der Li nearbeschleuniger kurze Pulse (ca. 5 I1s). Die mittle re Ausgangsleistung wird mit hi lfe der Repetitionsrate und der Dosisleistung de r Bestrah lungspulse geregelt. Die Abhangigkeit des Ansprcchvermogens der ElK von die sen Dosisleistungen im Bereich der Hochenergie-Strahlentherapie lieg t innerhalb der Mel3unsicherhe it

Anwendungsbeispiel In einem praktischen Test eine r ElK wurde die Wirbelsaulc eines Alderso n-Phantom s bestrahlt. Die ElK wurde im

Abbildung 9 Abh angigkeit des An sprechvermogens der ElK von der mittleren Wasser-Energiedosisleistung Hodenbereich des Phan tom s befe stigt, so dal3 die Streu strahlung auf die ses Risik oorgan gemessen werden konnte. Vergleich smessungen wurden m it Tl.Dv l Otl-Stabchcn durchgefuhrt, Die Bestrahlung wurde bei einer Feldgrofse von 45 em x 7 em in ein em Foku s-Haut-Abstand von 120 em und mit einer en nenergie von 4 MeV durc hge fuhrt, Als ElK-Para meter wurden eine Elektretdicke von 75 11m und cin e Kapselhohe von 1,92 mm (Ansprechvermogen: 249 V/G y ) gewahlt, Aus Messungen mit den TL -Dosimetem ergab sich ein Verhaltnis der Hodcndosis zur Dosis im Zie lorga n vo n 7,8 %. Mit der ElK wurde das Verhaltnis zu (7,5 ± 0,8 ) % bestimmt, wa s innerh alb der Feh lerg renzen mit den T LDosismessun gcn tibereinstimm t.

Schlu6folgerunge n und Ausblick Die Elektretdosimeter unte rscheiden sich je nach Dosismel3bereich nur durch unterschiedliche Dimensionierung der Elektretdicke und des Abstandcs zwi schen Elektretoberflach e und Kap seldecke, da die se Parameter das Ansprechvermogen einer ElK wesentlich bestimmen. Hierdurch wird es rnoglich, durch geeignete Dimen sionierung der ElK da s Anwendungsspektru m der El K innerhalb der Medizinischen Strah lenphy sik auch auf andere Bereiche auszudehnen . In der Strahlentherapie mit hochenerget ischen Photonen wer den Gewebe-O berflachend osen eines Patie nten sowohl im Nutzstrah l als auc h im St reustrahlen bereich benotigt. In diesem Zu sammenhang sollen weitere Untersuchungen mit El K an der Oberflache ei nes Alderson -Ph antoms fiir die Strahlentherapie durchgefuhrt werden. Danksagung

Die Autoren bedanken sich bei den Herren A. Page, Dr.

J. Berlich , R. Nowack und F. Les meis ter fur ihre wer tvo llen

31

Entwicklung und Charakle risierung von Elckl rel· lonisabonskammem zur Messung von Gewebe-Oberflachendosen in der Hochenerg ie·Strah lentherap ie

Hinweise, sowie Herrn Prof. Dr. Schmoranzer vom FB Physik der Universitat Kaiserslautem fur die wisscnschaftliche Unterstiitzung dieser Untersuchungen. Diesc Arbeit wird von der Deutschen Forschun gsgcmcinschaft (Le 662/3- 1) gefo rdert .

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