Primärstandard-Dosimetrie hochenergetischer Photonen- und Elektronenstrahlung

Abstract

Das österreichische Primärnormal zur Darstellung der Einheit der Wasser-Energiedosis (Gray) ist ein Graphit-Kalorimeter. Es wurde vom Bundesamt für Eich- und Vermessungswesen (BEV), dem nationalen Metrologieinstitut (NMI) in Österreich, in Zusammenarbeit mit dem Forschungszentrum Seibersdorf entwickelt und ist seit 1983 in Verwendung. Die Darstellung der Einheit der Wasser-Energiedosis beruht auf Messungen der Graphit-Energiedosis. Diese kann mit dem Graphit-Kalorimeter durch ein quasi-adiabatisches und durch ein quasi-isothermes Verfahren bestimmt werden. Die Konversion der Graphit-Energiedosis in Wasser-Energiedosis erfolgt mittels zwei Methoden, die auf dem photon-fluence scaling theorem beruhen. Eine Methode ist ein rechnerisches Verfahren, die andere ein experimentelles Verfahren, bei der zur Dosiskonversion ein Transferdetektor (Graphit-Hohlraum-Ionisationskammer) verwendet wird.<br />Das ursprüngliche Anwendungsgebiet des Graphit-Kalorimeter-Primärnormals war die Energiedosisbestimmung im 60Co-Gammastrahlungsfeld. Der Fortschritt innerhalb der letzten Jahre auf dem Gebiet der Strahlentherapie stellt allerdings auch hohe Ansprüche an die Dosimetrie von Strahlungsfeldern, welche durch medizinische Beschleuniger erzeugt werden. Um den Anforderungen gerecht zu werden, wurde der Anwendungs- bzw. Energiebereich des Graphit-Kalorimeter-Primärnormals erweitert, um dadurch eine direkt-rückführbare Primärstandard-Dosimetrie hochenergetischer Photonen- und Elektronenstrahlungsfelder bereitstellen zu können. Die Durchführung des Hochenergie-Kalorimetrie-Projektes wurde gefördert vom Physikalisch-technischen Prüfdienst des BEV. Für die Darstellung der Einheit der Wasser-Energiedosis für hochenergetische Photonen- und Elektronenstrahlung ist eine Reihe von strahlungsqualitätsspezifischen Korrektions- und Konversionsfaktoren für das Graphit-Kalorimeter erforderlich. Diese wurden durch Monte Carlo Simulationen mit dem code PENELOPE 2006, sowie durch Messungen mit dem Graphit-Kalorimeter und verschiedenen Ionisationskammern ermittelt. Zu Beginn wurden Messungen und Simulationen für 60Co-Gammastrahlung durchgeführt, um eine fundierte Basis für die Energiebereichserweiterung zu schaffen. Basierend auf den Berechnungen der Korrektionsfaktoren und der durchgeführten Modernisierung des Graphit-Kalorimeter-Primärnormals nahm das BEV an der Vergleichsmessung des Bureau International des Poids et Mesures (BIPM) für Wasser-Energiedosis-Primärnormale teil. Als zweiter Schritt wurden Messungen im Krankenhaus Wiener Neustadt in hochenergetischen Photonenstrahlungsfeldern durchgeführt. Dabei wurden Beschleuniger der Fa. Varian verwendet (Type: 2100C und 2300C/D). Um strahlungsqualitätsspezifische Korrektionen zu erhalten ist es notwendig, die Spektren der Bestrahlungsanlagen zu berücksichtigen. Im Rahmen dieser Arbeit wurde das Photonen-Fluenzspektrum der 60Co Teletherapieanlage, und die Spektren von Varian Beschleunigern bestimmt und verifiziert. Durch die Simulationen der Energiespektren der verwendeten Bestrahlungsanlagen wurden realistische Eingangsparameter für die Graphit-Kalorimeter-spezifischen Simulationen erhalten. Dadurch wird gewährleistet, dass durch die Simulationsergebnisse anwendungsspezifische Korrektionsfaktoren bereitgestellt werden und dadurch der Einsatz des Graphit-Kalorimeters an hochenergetischen Beschleuniger-Strahlungsfeldern für medizinische Anwendungen ermöglicht wird. Für hochenergetische Elektronenstrahlung wurden Konzepte zur Durchführung von Primärstandard-Dosimetrie mit dem Graphit-Kalorimeter erarbeitet. Für die praktische Umsetzung sind allerdings noch Adaptierungen des Graphitphantoms an die messtechnischen Anforderungen dieser Strahlungsfelder notwendig.<br />Die Gesamtverifizierung von allen implementierten strahlungsqualitätsspezifischen Korrektions- und Konversionsfaktoren für hochenergetische Photonenstrahlung wurde im Rahmen des Projektes 1021 der European Association of National Metrology Institutes (EURAMET) durchgeführt. Im Zuge dieses Projektes wurden Primärnormale zur Darstellung der Einheit der Wasser-Energiedosis für hochenergetische Photonenstrahlung und 60Co-Gammastrahlung verglichen und bewertet. An dieser Vergleichsmessung nahmen das Bundesamt für Metrologie (METAS - das NMI der Schweiz), die Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB - das NMI von Deutschland) und das BEV als führende Institution teil. Die dafür erforderlichen Messungen und die Durchführung der Kalibrierarbeiten an den Vergleichs-Ionisationskammern erfolgte in den Strahlungsfeldern der PTB und des METAS. Aufgrund der durchgeführten Arbeiten wurden die methodischen Grundlagen für die Primärstandard-Dosimetrie hochenergetischer Photonen- und Elektronenstrahlung mit dem BEV Graphit-Kalorimeter geschaffen. Dies ermöglicht eine metrologisch direkt-rückführbare Dosimetrie dieser Strahlungsfelder und die Durchführung von Kalibrierungen von Messgeräten zur Bestimmung der Wasser-Energiedosis.<br />

The Austrian absorbed dose to water primary standard is a graphite-calorimeter. It was developed by the Federal Office of Metrology and Surveying (BEV - Bundesamt für Eich- und Vermessungswesen) in cooperation with the Research Centers Seibersdorf. The BEV is the National Metrology Institute (NMI) of Austria. The graphite-calorimeter is a Domen-type calorimeter and is in operation since 1983. The realization of the unit of absorbed dose to water is based upon absorbed dose to graphite measurements. The graphite calorimeter is designed for quasi-adiabatic and quasi-isothermal mode of operation. The absorbed dose conversion is done by two methods based on the photon-fluence scaling theorem. These methods are: conversion by calculation and conversion with an ionisation chamber. The graphite-calorimeter was originally designated for determination of absorbed dose to water in 60Co gamma ray beams. The progress in radiation therapy within the recent years required the extension of the graphite-calorimeter application range to enable primary standard dosimetry of high-energy photon and electron beams. The accomplishment of the BEV high-energy calorimetry project was promoted by the Physico-technical Testing Service (PTP), which is an entity of the BEV.<br />To enable the graphite calorimeter for primary standard dosimetry of high-energy photon and electron beams a set of beam quality dependent conversion and correction factors was required. Additionally the graphite calorimeter, the graphite phantom and all corresponding components had to be adapted to the measurement requirements for high-energy photon beams. This was done within a refurbishment and modernization process intended to ensure the quality and reliability of the primary standard and to maintain the primary standard at an international level. The correction and conversion factors were obtained via Monte Carlo simulations with PENELOPE code, measurements - with the graphite calorimeter and ionization chambers - and with the use of published factors.<br />First of all measurements and simulation studies for the estimation of correction factors were carried out for 60Co gamma rays to achieve a well founded basis. This lead to the re-evaluation of the BEV absorbed dose rate to water reference value for 60Co gamma ray beams. To validate those results the BEV participated the international key comparison for absorbed dose to water in 60Co gamma radiation at the Bureau International des Poids et Mesures (BIPM). Subsequently measurements and Monte Carlo studies for selected high-energy photon beam qualities were performed.<br />To achieve beam quality specific correction factors it was necessary to consider the radiation field characteristics of irradiation facilities used for measurements. This included the Monte Carlo modelling of the BEV 60Co teletherapy unit and of Varian Linac treatment heads. Thereby photon energy spectra were determined. These spectra constitute the basis of beam models used for the graphite calorimeter specific Monte Carlo simulations to obtain the required application specific correction factors. For high-energy electron beams the developed concepts for the realization of primary standard dosimetry are shown. Nevertheless the practical implementation requires adaptations of the graphite phantom. A confirmation of the energy range and application enhancement of the graphite calorimeter and thus of the implemented correction and conversion factors is done in the framework of the project 1021 of the European Association of National Metrology Institutes (EURAMET). This project is intended for the direct comparison of primary standards for absorbed dose to water in 60Co and high-energy photon beams. The participating NMI's are: BEV, the Federal Office of Metrology (METAS - the NMI of Switzerland) and the Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB - the NMI of Germany). For the comparison exercise the BEV transported the graphite calorimeter primary standard system to METAS and PTB for operation in the accelerator radiation fields.<br />The advance of the graphite calorimeter provides the methodical fundamentals to enable the BEV for the accomplishment of primary standard dosimetry of high-energy photon and electron beams.<br />