Dosimetrie und Mikrodosimetrie
Die genaue Messung ionisierender Strahlung spielt sowohl in der modernen Krebstherapie als auch in der Weltraumforschung eine entscheidende Rolle. Während in der Medizin eine möglichst präzise Bestrahlung von Tumoren angestrebt wird, müssen Astronautinnen und Astronauten vor der kosmischen Strahlung geschützt werden. In beiden Bereichen werden zuverlässige Detektoren benötigt, welche die Strahlenbelastung auch unter anspruchsvollen Bedingungen erfassen können.
Am Marietta-Blau-Institut werden dafür neuartige Halbleiterdetektoren aus Siliziumkarbid und Diamant sowie speziell angepasste elektronische Auslesesysteme entwickelt.
Mikrodosimetrie – Strahlung auf zellulärer Ebene verstehen
Bei der Behandlung von Krebserkrankungen mit Protonen oder Kohlenstoffionen kann die Strahlung besonders gezielt im Tumorgewebe deponiert werden. Die Teilchen geben den größten Teil ihrer Energie erst am Ende ihrer Reichweite ab, am sogenannten Bragg-Peak. Dadurch kann das umliegende gesunde Gewebe besser geschont werden als bei einer herkömmlichen Bestrahlung mit Röntgenstrahlen.
Für die biologische Wirkung der Strahlung ist jedoch nicht nur die insgesamt abgegebene Energie entscheidend, sondern auch, wie konzentriert diese auf mikroskopischer Ebene deponiert wird. Diese Eigenschaft wird unter anderem durch den linearen Energietransfer (LET) beschrieben. Die Mikrodosimetrie untersucht die statistische Verteilung der Energie, die einzelne Teilchen in winzigen, mit biologischen Zellen vergleichbaren Volumina abgeben. Damit können wichtige Informationen über die Strahlenqualität und deren mögliche biologische Wirkung gewonnen werden.
In Zusammenarbeit mit dem Ionentherapiezentrum MedAustron in Wiener Neustadt und der TU Wien werden neuartige Mikrodosimeter auf Basis von Diamant und Siliziumkarbid untersucht. Ein Schwerpunkt liegt auf der Entwicklung besonders rauscharmer und schneller Ausleseelektronik, mit der selbst kleinste Energiemengen einzelner Teilchen zuverlässig erfasst werden können.
Dafür wurde unter anderem das modulare Datenerfassungssystem Spectacular entwickelt. Es ermöglicht die präzise Digitalisierung und Analyse der Detektorsignale und wurde bereits erfolgreich mit einem Diamant-Mikrodosimeter an MedAustron getestet. Ergänzend wurde ein spezieller Mikrochip entwickelt, der besonders schwache Signale verstärken kann. Langfristig sollen diese Technologien dazu beitragen, die Strahlenqualität während der Ionentherapie genauer zu überwachen und die Behandlungsplanung sowie die Qualitätssicherung weiter zu verbessern.
Strahlungsdosimetrie im Weltraum – Schutz vor kosmischer Strahlung
Außerhalb der schützenden Erdatmosphäre sind Menschen und elektronische Geräte einer erhöhten Strahlenbelastung ausgesetzt. Kosmische Strahlung besteht unter anderem aus hochenergetischen Protonen und schweren Atomkernen. Sie kann elektronische Komponenten beschädigen und stellt insbesondere bei längeren Weltraummissionen, etwa zum Mond oder Mars, ein erhebliches Gesundheitsrisiko dar.
Zur Überwachung dieser Strahlung werden kompakte und zuverlässige Dosimeter benötigt, welche die Strahlenbelastung möglichst kontinuierlich messen können. Im Forschungsprojekt SpaceSiC werden dafür neuartige Detektoren aus Siliziumkarbid (SiC) entwickelt.
Siliziumkarbid besitzt gegenüber herkömmlichem Silizium mehrere Vorteile: Es ist besonders widerstandsfähig gegenüber Strahlung, weist eine hohe Temperaturstabilität auf und kann mit sehr geringem elektronischem Rauschen betrieben werden. Dadurch eignet sich dieses Material besonders für Messgeräte, die unter den extremen Bedingungen des Weltraums zuverlässig funktionieren müssen.
Ziel des Projekts ist die Entwicklung eines kompakten, leichten und energiesparenden Dosimeters, das Strahlung in Echtzeit erfassen kann. Die Detektoren werden dazu im Labor charakterisiert und mit unterschiedlichen Teilchenstrahlen, unter anderem bei MedAustron, getestet und kalibriert.
In Zusammenarbeit mit dem Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) ist außerdem vorgesehen, das entwickelte Dosimetersystem auf einer Forschungsrakete unter realen Weltraumbedingungen zu erproben. Die gewonnenen Erkenntnisse sollen zur Entwicklung zukünftiger Strahlungsüberwachungssysteme für bemannte und unbemannte Weltraummissionen beitragen.