3. Abschnitt: Beschleunigung von Ionen

1. Eindringtiefe von Elektronen

Die energieabgebende Wirkung von ionisierender Strahlung an die umgebende Materie wird Dosis genannt. Zur besseren Vergleichbarkeit wurde bei Untersuchungen zum Dosisverlauf von geladenen Teilchen statt Gewebe immer Wasser verwendet. Da das Gewebe sehr viel Wasser enthält, ist Wasser als Modellsubstanz aber gut brauchbar.

Nach Abbildung 3 steigt die relative Dosis (auf 100% normiert) von Elektronen zunächst mit zunehmender Wassertiefe an, um dann nach einem Maximum langsam wieder abzunehmen. Am Maximum des Dosisverlaufs ist die schädigende Wirkung der Elektronen auf Gewebe auch maximal.

Die meisten Elektronen geben ihre Energie nach Abbildung 3 allerdings schon nach sehr wenigen cm Tiefe an das Wasser ab.

Die Lage des Dosismaximums von Elektronen im Wasser hängt aber noch von deren Geschwindigkeit ab.

Tabelle 1: Eindringtiefen bzw. Reichweiten von Elektronen in Wasser. Datenquelle: Christian Breit: Strahlentherapie-Seminar vom 22.04.2013, Seite 3

Elektronen­geschwindigkeit in 108 m/s	Eindringtiefe in cm
2,88	1,30
2,91	1,80
2,94	2,80
2,95	3,70
2,96	4,10

In der Tabelle 1 sind die jeweiligen Wasserstiefen angegeben, bei der die Energieabgabe an das Wasser gerade maximal ist. Diese Wassertiefen werden im Folgenden Eindringtiefen oder auch Reichweiten genannt.

Die Elektronen treten nach Abbildung 3 zwar noch tiefer ins Wasser ein, jedoch ist der Energietransfer ans Wasser (Gewebe) dann nur noch sehr gering.

Trotz doch sehr großer Geschwindigkeiten liegt das Maximum der Eindringtiefe aber nur bei etwa 4 cm Wassertiefe.

Dadurch ist der Einsatz von Elektronen in der Strahlentherapie aber auf Oberflächentumore begrenzt. Um auch tiefer liegende Tumore zu erreichen, verwendet man gemäß Abbildung 3 besser Protonen oder auch positiv geladene Kohlenstoffatome ¹²C.

2. Eindringtiefe von Protonen

Im Vergleich zur Energieabgabe von schnellen Elektronen an Wasser, haben die Energietransfers von schnellen Wasserstoffionen (Protonen) einen charakteristischen Verlauf mit zunehmender Wassertiefe (Gewebetiefe).

Nach Abbildung 4 geben die Ionen am Anfang der Eindringstrecke nur wenig Energie ab. Nach einer bestimmten Strecke im Wasser kommt es dann aber zu einer erhöhten Energieabgabe. Der größte Energietransfer findet in einem sehr schmalen Tiefenbereich (Eindringtiefe) statt.

In der Abbildung 3 ist neben dem Tiefendosis-Profil von Protonen auch noch das von einfach positiv geladenen Kohlenstoffionen abgebildet. Die Ionenarten unterscheiden sich zwar in der Masse ihrer Teilchen hatten hierbei aber die gleiche Geschwindigkeit. Auch jede andere Ionenart hat bei gleicher Geschwindigkeit und Ladung der Teilchen nahezu das gleiche Tiefenprofil.

Die Ionen geben nahezu ihre gesamte Energie in einem nur sehr begrenzten Tiefenbereich an Zellen ab und zerstören diese damit. Dieser charakteristische Verlauf mit dem schnellen Anstieg und dem anschließenden schnellen Abfall der Energieübertragung nennt man auch Bragg-Peak.

In den nun folgenden Abschnitten dieses Kapitels wird geklärt, wie die Ionen auf die für die Tumortiefe richtige Geschwindigkeit gebracht werden.