Masterarbeit - Physikzentrum der RWTH Aachen

1. Einleitung
Krebs gehört in den Industrienationen zu den häufigsten Todesursachen. Neben
pharmazeutischen und chirurgischen Maßnahmen ist die Bestrahlung eine der gängigsten
Behandlungen. Bestrahlt wird neben Gamma-Strahlen in den letzten Jahren
zunehmend mit schweren Teilchen, den Hadronen. Im Speziellen können dies etwa
Protonen oder Kohlenstoffatome sein. Im Gegensatz zu Photonen, deren Wirkung
im Gewebe mit zunehmender Eindringtiefe exponentiell abnimmt, steigert sich der
Energieeintrag durch Hadronen bis zum sogenannten Bragg-Peak und fällt danach
schlagartig ab. Besonders bei tief liegenden Tumoren lässt sich durch den Einsatz von
Hadronen das umliegende Gewebe also besser schützen als bei Photonen, ohne dabei
die vom Arzt für den Tumor verschriebene Dosis zu unterschreiten. Bestrahlungen
werden in der Regel am Computer geplant, wobei ein Programm aus einem theoretischen
oder phänomenologischen Modell und einem CT 1 -Datensatz des Patienten
die Dosisverteilung innerhalb des Körpers berechnet. Durch Variation der Richtung,
Form und Intensität der Bestrahlungsfelder wird diese Dosisverteilung optimiert,
um die verschriebene Dosis innerhalb des Tumors zu erreichen und das umliegende
Gewebe bestmöglich zu schonen. Bei der Bestrahlung mit Hadronen treten neben
elektromagnetischen Wechselwirkungen auch Kern-Wechselwirkungen auf. Um eine
Bestrahlung mit Hadronen exakt planen zu können, müssen auch die Wirkungsquerschnitte
dieser Reaktionen genau bekannt sein. Bei Kenntnis aller relevanten
Wirkungsquerschnitte können zur Behandlungsplanung numerische Simulationen
eingesetzt werden, wie sie in der Hochenergiephysik üblich sind. Dies sind insbesondere
Monte-Carlo-Simulationen wie sie etwa das Programmpaket Geant4 ermöglicht.
Auch wenn die Abweichungen in der Dosisverteilung für den klinischen Alltag nicht
relevant sein sollten, ergeben sich durch ein besseres Verständnid der Sekundärstrahlung
neue Ansätze wie etwa das Bragg-Peak-Monitoring, mit dessen Hilfe während
einer laufenden Bestrahlung die Position des Bragg-Peaks gemessen werden soll. Da
gerade die Kern-Wirkungsquerschnitte noch vergleichbar ungenau gemessen sind,
wurde am III. Physikalischen Institut B der RWTH Aachen mit dem Aufbau eines
Flugzeitspektrometers begonnen, das über die Identifikation einzelner Reaktionen
beim Beschuss eines festen Ziels 2 diese Wirkungsquerschnitte genauer bestimmen soll.
Diese Identifikation basiert auf der Flugzeit, dem Energieverlust in Materie und der
kinetischen Energie der Kernfragmente. Um die kinetische Energie eines Teilchens zu
messen, muss es in einem sogenannten Kalorimeter gestoppt werden. Die dabei frei
1 Computer-Tomograph
2 fixed target
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