HELMHOLTZ-PREIS 1999 (Preisverleihung am 27.03.1999)
Uwe Titt, Dr. Volker Dangendorf, Dr. Helmut Schuhmacher für die Arbeit „Messung und Visualisierung der mikroskopischen Ionisationsverteilung von schnellen geladenen Teilchen in Materie“

Preisträger 1999: Wie ionisierende Strahlen wirken

(v. l. n. r.) Volker Dangendorf, 1958 in Siegen geboren, studierte Physik in Siegen und Frankfurt. Nach einem Forschungsaufenthalt am Weizmann Institut in Israel wurde er 1990 in Frankfurt promoviert. 1991 kam er zur PTB Braunschweig, wo er im Bereich „Detektorentwicklung und Neutronenphysik“ arbeitet.

Helmut Schuhmacher, 1950 in Heidelberg geboren, studierte Physik in Heidelberg und wurde 1981 am Institut für Biophysik der Universität des Saarlandes promoviert. Er kam 1986 zur PTB Braunschweig. Von 1997 bis 2003 leitete er das Labor „Neutronendosimetrie“. Seither war er Leiter des Fachbereichs „Neutronenstrahlung“. 2015 wurde er pensioniert.

Uwe Titt studierte Physik in Frankfurt und schloss sein Studium 1994 mit dem Diplom ab. Er war von 1994 bis 1997 als Doktorand in der PTB Braunschweig beschäftigt. 1999 promovierte er an der Universität Frankfurt. Jetzt hat er eine Professur am Department of Radiation Physics der University of Texas in Houston.

Die Wirkung ionisierender radioaktiver Strahlen auf biologisches Gewebe ist von großem medizinischem und öffentlichem Interesse. Wie die Strahlung wirkt, hängt nicht nur von der Energiemenge ab, die sie an das Gewebe abgibt, sondern auch von den Details der Energieübertragung, also der Reaktion der geladenen Teilchen mit den Zellen und Zellstrukturen. Die im Strahlenschutz benutzten Größen wie die „Körperdosis“ dienen nur als grobe Abschätzung für die Strahlenwirkung, für die es keine direkten Messverfahren gibt. Verbesserte Möglichkeiten für die Erforschung der Strahlenwirkung auf Materie und für Anwendungen im Strahlenschutz eröffnete ein neuartiges Messinstrument, das Dipl.-Phys. Uwe Titt, Dr. Volker Dangendorf und Dr. Helmut Schuhmacher von der PTB entwickelt hatten. Mit diesem Gerät konnten sie die Ionisationsspuren, die geladene Teilchen in einem Gas hinterließen, dreidimensional abbilden und analysieren. Für ihre Arbeit erhielten die drei Wissenschaftler den Helmholtz-Preis 1999 für den Bereich „Messtechnik in Medizin und Umweltschutz“.

Bei dem Instrument handelte es sich um eine Spurendriftkammer, die optisch ausgelesen wurde. Die Strahlung drang in eine zylindrische Messkammer, die mit gasförmigem Triethylamin gefüllt war. Durchquerte ein energiereiches geladenes Teilchen den Gasraum, so hinterließ es eine Ionisationsspur. Die dort erzeugten freien Elektronen drifteten zu einem Anodengitter, hinter dem weitere gitterförmige Elektroden lagen. Diese beschleunigten die einzelnen Elektronen, so dass sie im Gas durch Stoßionisation Ladungslawinen auslösten, anhand deren sich die einzelnen Elektronen nachweisen ließen.

Zudem regten die Ladungslawinen das Füllgas zu UV-Strahlung an, die den Messzylinder durch ein Quarzfenster verlassen konnte. Über einen Bildverstärker gewann eine CCD-Kamera aus dieser UV-Strahlung ein zweidimensionales Bild der Ionisationsspur. Wurde mit einer Anordnung von Photovervielfachern die zeitliche Entwicklung des Lichtsignals gemessen, so bekam das Bild der Ionisationsspur räumliche Tiefe und wurde dreidimensional. Auf diese Weise untersuchten die Forscher die Ionisationsspuren von Protonen, Deuteronen, Alpha-Teilchen und verschiedenen schwereren Ionen bei unterschiedlichen Einschussenergien. Leichte Teilchen wie Deuteronen und Alpha-Teilchen ließen sich bei niedrigen Energien anhand der Breite ihrer Spur unterscheiden.

Die räumliche Auflösung der Ionisationsspuren war durch die Unsicherheit der Ortsbestimmung in Driftrichtung begrenzt, die etwa 2,7 mm betrug. Dies entspräche in dem dichteren biologischen Gewebe, das eine ähnliche atomare Zusammensetzung hat wie Triethylamin, einer Auflösung von 112 nm. Damit ließen sich die über die Ionisation des Gases gewonnen Informationen auf biologische Strukturen übertragen. Davon versprach man sich ein besseres Verständnis der Strahlenwirkung auf biologisches Gewebe und Verbesserungen im Bereich des Strahlenschutzes und der Strahlentherapie. Später wurde das Verfahren, mit einer etwa dreifach höheren räumlichen Auflösung, bei Untersuchungen im Rahmen der Strahlentherapie mit Kohlenstoffionen eingesetzt, die am Helmholtz-Zentrum für Schwerionenforschung (GSI) in Darmstadt entwickelt wurde.

Literatur

U. Titt, V. Dangendorf, H. Schuhmacher: Messung und Visualisierung der mikroskopischen Ionisationsverteilung von schnellen geladenen Teilchen in Materie. (Unveröffentlicht, 1999)

U. Titt et al.: Development and application of an optical TPC for charged particle track structure imaging in microdosimetry. Nucl. Instrum. Meth. A 477, (2002), 536