Development of a compact nanodosimeter and nanodosimetric based biophysical models of radiation action and its impact for radiation protection (Ursprünglicher Name: LOCARI)

• Forschungsstelle: ENSI
• Projektnummer: CTR00512

Schlüsselwörter (Deutsch)

Radioaktive Strahlung; Krebsrisiko; Komponenten der Strahlendosis

Kurzbeschreibung (Deutsch)

Die Bewertung und Überwachung des Krebsrisikos aus verschiedenen Strahlungsarten ist eine entscheidende Voraussetzung für den Strahlenschutz. Eine wichtige Aufgabe bei der Risikoberechnung ist es, die verschiedenen Komponenten der Strahlendosis entsprechend ihrem angenommenen Beitrag zum Krebsrisiko im Verhältnis zum Risiko einer Strahlung mit geringer Ionisationsdichte richtig abzuwägen. Insbesondere geht es um:

• die Abschätzung der strahleninduzierten Krebsrisiken bei niedrigen und hoher Dosen sowie Vergleich mit den Ergebnissen epidemiologischer Studien
• die Analyse und Abschätzung der Qualitätsfaktoren der Strahlungskomponenten (relative biologische Wirksamkeit)

Projektziele (Deutsch)

Die Risikodebatte über die Auswirkungen einer Strahlenexposition hat sich mit der Einführung der StSV und der anstehenden Revision der KEV akzentuiert. Mit dem vorliegenden Forschungsvorhaben werden für das ENSI die wissenschaftlichen Grundlagen zur Risikobeurteilung im Niedrigdosisbereich erarbeitet und gefestigt. Veröffentlichungen der Forschungsergebnisse sollen in anerkannten Fachzeitschriften erfolgen und auf wissenschaftlichen Konferenzen präsentiert werden.

Abstract (Deutsch)

Das Projekt wurde im Juli 2020 gestartet. Die Ziele über das gesamte Forschungsprojekt umfassten die Simulation von elektrostatischen Feldern in einem Nanodosimeter, die Optimierung der Detektorgeometrie, die Simulation der Dynamik der Gasionen im Nanodosimeter mittels Monte-Carlo-Methoden, die Implementation eines neuen Datenerfassungssystems sowie die Charakterisierung verschiedener Kathoden, Gastypen, Detektormaterialien und Geometrien. Abschliessend sollte ein neuer Detektorprototyp für externe Strahllinien entwickelt werden.

Der von den Forschenden entwickelte Detektor beziehungsweise das Nanodosimeter ist technisch betrachtet eine Ionisationskammer, in die ein bestimmtes Gasgemisch für die Detektion von ionisierender Strahlung eingeschlossen ist. Ionisierende Strahlung hat den Effekt, dass sie im Gasgemisch Ionen bildet.

Die Charakterisierung des Nanodosimeters erfolgte unter anderem anhand des Monte-Carlo-Programms Garfield++. Dies setzt allerdings voraus, dass man die Mobilität der erzeugten Ionen kennt. In den Jahren 2023 und 2024 wurde die Mobilität gasspezifisch untersucht. Dafür wurden neben Messungen mit Propangas auch Messungen mit Stickstoffgas durchgeführt. Da sich die Datenlage für Stickstoff besser als für Propan darstellt, konnten theoretische Vermutungen und das verwendete Monte-Carlo-Programm validiert werden. Dadurch steigt das Vertrauen in die mit dem Monte-Carlo-Programm errechneten Eigenschaften für Propangas.

Das Hauptaugenmerk der Forschenden lag in diesem Jahr auf der Entwicklung und dem Bau eines Prototyps eines Nanodosimetrie-Detektors für externe Protonen-Strahllinien am Paul Scherrer Institut. Um die Vakuumabdichtung zu verbessern, wurde eine kreisförmige Detektorkammer verwendet, die über mehrere O-Ringe zur Abdichtung verfügt. Ein weiterer wichtiger Aspekt des neuen Designs betrifft die externe Strahlkollimation für den Protonenstrahl sowie die Mylar-Fenster, die den Strahlenein- und -austritt ermöglichen (Abbildung xx). Die variable Höhe des Detektors sowie die vertikal und horizontal bewegbare Strahlkollimation ermöglichen vielseitige Einsätze des Detektors.

Abstract (Englisch)

In July 2020 a new PhD Project titled “Development of a nanodosimetric detector and biophysical models for its clinical application” was started with the support of ENSI. The aim of this project is to develop and characterize a portable nanodosimetric detector, which could lead to the development of a new concept of radiation quality based on measurable characteristics of particle tracks, such as ionisation cluster size distributions.

A new detector prototype was designed and built, offering various new features such as a variable anode height, the possibility to use the detector at external beam lines and lateral displacement of the alpha source.

Over the course of the 4 years of this project, the original Frequency of Ion Registration (FIRE) detector was characterized by comprehensive measurements and different dielectric plate materials were tested. Simulations of the electrostatic field within the detector, as well as Monte Carlo simulations of the electron avalanches occurring within were performed with Garfield++. In the last year a new detector prototype was designed and built, called FIRE-V2. Furthermore, the new detector was used to measure the ion mobility and diffusion of propane gas.

Umsetzung und Anwendungen (Deutsch)

Ziel des Strahlenschutzes ist es, Mensch und Umwelt vor ionisierender Strahlung zu schützen. Dabei muss verstanden werden, welche Auswirkungen ionisierende Strahlung auf den menschlichen Körper hat und welchen Einfluss verschiedene Strahlenfelder haben. Viele Erkenntnisse werden aus epidemiologischen, medizinischen und biologischen Studien gewonnen. Mit der Nanodosimetrie ergibt sich ein alternativer Ansatz, um den biologischen Schaden von verschiedenen Strahlenarten zu erforschen und diesen in einer weiteren, physikalisch messbaren Grösse zu quantifizieren. Mit einer messbaren Grösse kann der biologische Schaden direkt quantifiziert werden. Durch die Entwicklung eines biophysikalischen Modells, basierend auf dieser Messgrösse, kann der resultierende Strahleneffekt beschrieben werden. Dieses Projekt hilft daher, Strahleneffekte besser zu verstehen sowie die bestehenden Strahlenschutzmodelle zu optimieren.

Als Fazit ihrer Arbeit erläuterten die Forschenden, dass vor der Weiterführung des Projekts ein neues Projektkonzept erarbeitet werden muss. Das neue Konzept wird einige Zeit in Anspruch nehmen, weil das Design des Detektors grundsätzlich überarbeitet werden muss. Dies erfordert ausführliche Diskussionen und Austausch mit diversen Forschungsgruppen. Das Projekt wird somit aktuell nicht weitergeführt.