Weiterentwicklung eines Ionen-Transportprogramms im Hinblick auf Anwendung in der Hadronentherapie
Albrecht Hopfe
Institut für Kern- und Teilchenphysik AG Strahlungsphysik
Dresden, 9. Dezember 2010
1 Motivation für diese Arbeit
2 Modellbildung
3 Kernreaktionen
4 Ergebnisse und Fazit
1 Motivation für diese ArbeitWarum Ionentherapie?
1 Motivation für diese ArbeitWarum Ionentherapie?
Ionenstrahlung hat gegenüber Röntgenstrahlung günstigeres Tiefendosisprofil für Therapie
Eindringtiefe wird durch die Energie der Projektile bestimmt
Höhere biologische Wirksamkeit im sogenannten BRAGG-Peak
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
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
Elastische Wechselwirkungen Streuung am abgeschirmten
Coulomb-Potential der Targetkerne
Inelastische Wechselwirkungen Anregung und Ionisation
der Targetatome
( Anregung und Ionisation des Projektils )
Kernreaktionen
Zugrundeliegende Wechselwirkungen
2 Modellbildung
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
Zugrundeliegende Wechselwirkungen
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
Folie 14 von XYZWeiterentwicklung eines Ionen-Transportprogramms im Hinblick auf Anwendung in der Hadronentherapie
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 Teilchendichteund diesem Stoßparameter.
Folie 15 von XYZWeiterentwicklung eines Ionen-Transportprogramms im Hinblick auf Anwendung in der Hadronentherapie
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 Teilchendichteund diesem Stoßparameter.
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 Reaktionspartner: Proton auf Kohlenstoff
mit Energie- und Impulserhaltung 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.
Kernreaktionen durch Sekundärteilchen Auch in Kernreaktionen erzeugte
Protonen können Kernreaktionen auslösen.
4 Ergebnisse und Fazit
Kernreaktionen in Materialschichten
Kernreaktionen durch Sekundärteilchen
Verarbeitung entstandener Neutronen und Gamma-Strahlung Implementierung einer Datenbank von Kernreaktionen
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
Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!
