Physik der Ionenstrahlung

Strahlentherapie und Physik

Bei einem Patienten ist die räumliche Lage des Tumors sehr genau vermessen worden. Dazu gehört neben der Ausdehnung in x- und y-Richtung auch die Tiefe in z-Richtung. Um jetzt Ionenstrahlen für die Therapie einsetzen zu können, müssen prinzipiell verschiedene Verfahrensschritte unternommen werden.

Diese Schritte sind alle physikalischer Art, müssen hintereinander und alle fehlerfrei erfolgen. Alle notwendigen Schritte müssen für eine erfolgreiche Behandlung gut verstanden werden. Welche Schritte das sind, wird im Folgenden erläutert.

Schritte zur Verwendung von Ionenstrahlung

Um Ionenstrahlen für die Therapie einsetzen zu können, müssen prinzipiell verschiedene Verfahrensschritte unternommen werden, die auch "Lebensphasen" der Ionen genannt werden können.

Abbildung 6a: Die drei Bewegungsbereichte der Ionen Quelle: Mit freundlicher Genehmigung durch Katja Parodi und Walter Assmann: Haddronen gegen den Krebs, in Physik Journal 18(2019) Nr.6, Seite 38, Abb2b - leicht verändert

1. Zunächst müssen die Ionen so hergestellt werden, dass sie nicht an einem Medium gebunden sind und sich frei im Vakuum bewegen können. Die Ionen müssen also zunächst erzeugt werden Erzeugung von Ionen.
2. Anschließend müssen sie im Bereich I in x-Richtung auf eine bestimmte, definierte Geschwindigkeit v_x beschleunigt werden, um anschließend in den Bereich II einzutreten Beschleunigung von Ionen.
3. Im Bereich II werden die Ionen aus ihrer vorherigen Bewegungsrichtung so abgelenkt, dass sie auf den gesamten Tumorbereich treffen können. Die Ionen erfahren in diesem Bereich eine Beschleunigung quer zur Richtung der Anfangsgeschwindigkeit. Diese Beschleunigung wird durch eine Kraft im elektrischen Feld eines geladenen Kondensators hervorgerufen Ablenkung von Ionen.
4. Nachdem die Ionen im Bereich III den Feldbereich des Kondensators verlassen haben, bewegen sich diese im feldfreien Raum - also kräftefrei weiter, bis sie genau auf die Tumorfläche treffen. In diesem Raumbereich erfahren die Ionen keine Beschleunigung und die Bewegung nach dem Kondensator führt schließlich zur Gesamtablenkung.
5. Die Geschwindigkeit der Ionen muss sehr genau eingestellt werden durch ein Geschwindigkeitsfilter.

1. Erzeugung von Ionen

Informationen zur Erzeugung von freien Elektronen bzw. freien Protonen finden Sie auf der Seite Erzeugung von Ionen.

2. Beschleunigung auf Endgeschwindigkeit

Die Ionen haben nach ihrer Erzeugung eine Anfangsgeschwindigkeit, die aber vermutlich weder ausreichend hoch ist, noch einen genauen Wert hat. Die Ionen müssen daher zunächst beschleunigt werden. Jede Beschleunigung setzt eine Kraft voraus, die entweder durch ein elektrisches Feld oder durch ein Magnetfeld hervorgerufen werden kann.

Die Ionen werden hier in einem homogenen elektrischen Feld auf ihre Endgeschwindigkeit beschleunigt. Beschleunigung von Ionen.

3. Ablenkung von Ionen

Die Ionen müssen nicht nur genau auf den Tumor treffen, sondern müssen so abgelenkt werden, dass sie die gesamte Fläche des Tumors überstreichen. Dazu müssen die Ionen in ihrem Flug aus ihrer ursprünglichen Richtung gezielt abgelenkt werden.

Die seitliche Ablenkung der Strahlen bedeutet, dass eine genau definierte Geschwindigkeitsänderung quer zur ursprünglichen Bewegungsrichtung der Ionen erfolgen muss. Erläuterungen dazu finden Sie auf der Seite Ablenkung von Ionen.

4. Weiterbewegung zum Tumor

Nachdem die Ionen den Kondensator verlassen haben, bewegen sie sich gleichförmig mit einer Gesamtgeschwindigkeit weiter, die sich durch die Überlagerung der ursprünglichen Geschwindigkeit v_0,x in x-Richtung und einer neu hinzugekommenen Geschwindigkeit v_y in y-Richtung ergibt. Da die Ionen schon schräg aus dem Kondensator austreten, wird deren Ablenkung aus der ursprünglichen immer größer, je weiter sie jetzt noch bis zum Tumor fliegen müssen.

Näheres dazu im Kapitel Gesamtablenkung.

5. Geschwindigkeitsfilter

Die Ionen haben nach ihrer Beschleunigung eine vermutlich breit verteilte Geschwindigkeit. Das muss aber wegen der genau festgelegten Eindringtiefe der Strahlung verhindert werden. Daher wird die Geschwindigkeit der Ionen mit Hilfe eines Geschwindigkeitsfilters (Wien-Filter) auf eine definierte Größe eingestellt. Geschwindigkeitsfilter.

Weitere Informationen

• Die Behandlungsmethoden bösartiger Tumore werden hier beschrieben: Therapieformen

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