Nach dem absolvierten Physikstudium beendete ich auch mein Studium der Technischen Mathematik und der Meteorologie und ging zunächst ans CERN, wo ich mich im Rahmen des Austrian Doctoral Student Programs mit der Entwicklung eines Kontrollsystems für den Tracker des Compact Muon Solenoid - Detektors beschäftigte. Doch ein Jahr später im Sommer 2002 bekam ich das Angebot, in Österreich für das Projekt MedAustron an der Entwicklung eines Ionen-Injektors zu arbeiten. Einerseits wollte ich die einmalige Möglichkeit, an so einem für österreichische Verhältnisse gigantischen Projekt von Anfang an mitzuarbeiten, nicht ausschlagen, andererseits erwartete ich mir durch die Forschungserfahrung im außeruniversitären Bereich und die Herausforderung einer Dissertation am anwendungsorientierten Technologiesektor Erfahrungen, die mir später in jeder Hinsicht nützlich sein würden. So landete ich durch Zufall wieder in Wiener Neustadt, in dessen Umgebung ich auch aufgewachsen war.
MedAustron ist das kleinere von zwei ehrgeizigen Projekten, in Österreich ein Beschleunigerzentrum zu etablieren. Ursprünglich als Bestandteil des großen Bruders AUSTRON geplant, an dessen baldige Umsetzung leider aus einigen Gründen nicht mehr zu denken ist, hat sich das medizinische Projekt MedAustron als eigenständiges Projekt hervorgetan und steht nun von vielen österreichischen und internationalen Gremien befürwortet und empfohlen unmittelbar vor der Realisierung.
MedAustron ist ein Krebstherapie- und Forschungszentrum. Mit Hilfe eines Ionenstrahls wird versucht den Tumor eines Patienten abzutöten. Die besondere Tiefendosisverteilung von Ionen kommt diesem Ziel entgegen, da dabei das umliegende gesunde Gewebe verglichen mit konventionellen Strahlentherapien beträchtlich geschont werden kann.
Das technische Innere von MedAustron ist eine Beschleunigeranlage, die unter Mitwirkung vom CERN und anderen europäischen Institutionen entwickelt wurde. Das Herzstück dieser Anlage ist ein Synchrotron, das Ionen (Protonen und Kohlenstoffionen) auf die notwendige Geschwindigkeit bzw. kinetische Energie beschleunigt. Denn je nach Höhe der kinetischen Energie haben die Ionen andere Eindringtiefen und ergeben dadurch andere Tiefendosisverteilungen.
 | Abbildung: Tiefendosisverteilung Die Kunst in der Strahlentherapie ist es, eine maximale Dosis der schädigenden Strahlung im Tumorgewebe zu applizieren und dabei das umliegende Gewebe so wenig wie möglich zu belasten. In dieser Grafik ist die typische Tiefendosisverteilung einer Photonentherapie (grün) und jene von Ionentherapien (Protonen blau und Kohlenstoffionen rot) dargestellt. Es fällt auf, dass die Röntgenstrahlung (Photonen) ihr Maximum bereits nach kurzer Eindringtiefe entfaltet und im tieferliegenden Tumor nur mehr ein reduzierter Dosisanteil zur Schädigung desselben beitragen kann. Dadurch können ernsthafte Nebenwirkungen im Eingangskanal entstehen. Bei der Ionentherapie kann durch Verschmieren des sogenannten Bragg-peakes eine Dosisverteilung erzeugt werden, deren Maximum genau im Tumorgewebe liegt und wo sowohl Gewebe des Eingangskanals als auch dahinterliegendes Gewebe geschont wird. Durch die höhere biologische Effektivität der Kohlenstoffionen gegenüber den Protonen kann die Belastung des umliegenden Gewebes noch einmal reduziert werden. |
Diese Eigenschaft und eine transversale Ablenkung durch Magnete macht man sich zu Nutze, um mit dem Ionenstrahl aktiv das zu bestrahlende Volumen Ebene für Ebene abzurastern. Der Vorteil der Ionentherapie gegenüber konventioneller Behandlungsmethoden mit Photonen liegt für Mediziner klar auf der Hand. Die Wahrscheinlichkeit einer Entstehung von Folgeschäden und Nebenwirkungen kann so beträchtlich reduziert werden. Vor allem Kindern kann auf diese Weise eine besonders aussichtsreiche Form der Krebstherapie zugänglich gemacht werden.
 | Abbildung: Scanningtechnik durch Variation der Strahlenergie kann die Eindringtiefe ins Medium variiert werden. Durch zusätzliche transversale Ablenkung mittels Magnetfelder kann man so ein definiertes Volumen abrastern. |
Für die Beschleunigung mit einem Synchrotron ist die Verwendung eines Vorbeschleunigers (Injektor) unabdingbar. Durch das Vorliegen mehrerer Konzepte liegt der Arbeitsschwerpunkt in der wissenschaftlichen Evaluierung und Auswahl eines dieser Konzepte und der anschließenden Optimierung des Designs. Die Methoden sind dabei analytische Abschätzungen und strahlenoptische Untersuchungen mit Hilfe von Rechenprogrammen. Neu ist die Beurteilung der Konzepte in der Planungsphase anhand von abstrakten Kriterien wie medizinische Qualität, Zuverlässigkeit, Ausfallssicherheit und Wirtschaftlichkeit. Außerdem entstehen sowohl durch die Interdisziplinarität als auch durch die Überlappung der verschiedenen Bereiche ganz neue kreative Lösungen für eine hinsichtlich dieser Kriterien bessere Anlage.
Der Injektor hat also die Aufgabe für die Injektion ins Synchrotron notwendigen Ionenstrahlen zur Verfügung zu stellen. Im derzeitigen publizierten Layout besteht der Injektor aus einer gemeinsamen Beschleunigerstrecke mit einem Radiofrequenzquadrupol und einem Driftröhrenbeschleuniger, je eine Ionenquelle für die Generierung eines Wasserstoff- (H 2 +) bzw. eines Kohlenstoffionenstrahls (C 4+), einer Niederenergiestrahlführung und einer Mittelenergiestrahlführung.
 | Abbildung: Aufbau des Injektors Der Injektor besteh aus zwei Ionenquellen, einer Niederenergiestrahlführung, den Beschleunigerstrukturen und einer Mittelenergiestrahlführung. |
Die Vorteile dieser Struktur liegen in der kompakten Bauweise, in der effizienten Beschleunigung und der Möglichkeit durch systematische Bepulsung auf unterschiedlichem Leistungsniveau beide Ionenarten mit derselben Struktur zu beschleunigen. Aufgrund der medizinischen Anforderungen müssen Strahlqualität und Güte besonders hoch sein. Das wird durch leistungsstarke Quellen gewährleistet, die die notwendigen Intensitäten bei geringer Emittanz (Phasenraumvolumen) erzielen, und durch Spektrometer, welche die erwünschten Ladungszustände selektieren und den Rest des Strahls ausblenden.
Da beide Ionenarten in denselben Beschleunigerstrukturen beschleunigt werden, müssen diese eine breite Akzeptanz, was das Ladungs-zu-Masse-Verhältnis betrifft, besitzen. Das geschieht durch unterschiedliche Leistungsniveaus in der Einspeisung der Hochfrequenz, durch welche in den Beschleunigereinheiten eine an die jeweiligen Ionen angepasste elektrische Feldstärke erzeugt wird. Mit den unterschiedlichen Leistungsniveaus sind auch jeweils andere thermische Gleichgewichte verbunden, die sich jedoch erst nach einigen Minuten einstellen würden. Alternativ wird die Struktur zwischen den strahlführenden Pulsen zusätzlich mit sogenannten Dummy-Pulsen gespeist, wodurch über die zeitliche Mittelung wiederum ein thermisches Gleichgewicht erreicht wird und daher dennoch von Puls zu Puls zwischen den Ionenarten umgeschaltet werden kann. Die zusätzlichen Dummypulse verursachen natürlich eine höhere thermische Beanspruchung der Struktur.
Nach erfolgter Beschleunigung werden in einer dünnen Kohlenstofffolie, die im Strahlengang liegt, die Wasserstoffmoleküle in Protonen zerlegt bzw. die restlichen Elektronen von den Kohlenstoffionen entfernt. Das geschieht ohne merklichen Energieverlust. Die Festlegung der Injektionsenergie von 7 MeV/u liegt nicht zuletzt an der für C 4+-Ionen hohen Übergangswahrscheinlichkeit bei dieser Energie.
Durch einen Debuncher, der durch Manipulation des longitudinalen Phasenraums die Energie- bzw. Impulsbreite des Strahls reduziert, und durch mehrere Quadrupole wird der Strahl für die Injektion ins Synchrotron vorbereitet. Ein Degrader steht außerdem für Korrekturen die Intensität des Strahls betreffend zur Verfügung. Die Injektion erfolgt letztlich über ein elektrostatisches und ein magnetisches Septum und dauert mehrere Umläufe im Synchrotron an. Dadurch kann ganz gezielt das notwendige Phasenraumvolumen ausgemalt werden, welches in weiterer Folge zu auf die Extraktionsenergie bezogene identischen Strahlgrößen für die unterschiedlichen Teilchenarten führt.
Als ein Spezifikum von MedAustron gilt die Bereitstellung von Protonen und von Kohlenstoffionen in gleicher Qualität und Genauigkeit (abgesehen von der Intensität). Das vereinfacht in medizinischer Hinsicht die Vergleichbarkeit der beiden unterschiedlichen Behandlungsformen. Alle Komponenten des Beschleunigersystems müssen daher auf beide Ionenarten optimiert werden.
Bei der Umsetzung dieser Aufgaben gibt es natürlich tatkräftige Unterstützung vom CERN, von der TU Bratislava und anderen Instituten. Das erste Jahr konnte ich sogar an der GSI in Darmstadt verbringen, um eine Art Praktikum im Beschleunigerbereich zu absolvieren.
Letztes Jahr hat unser Projektteam die gesammelten Ergebnisse als Buch veröffentlicht. http://www.medaustron.at/buch.html
Ich hoffe, ich konnte das Projekt und meinen Bezug dazu ein wenig illustrieren. Es gäbe natürlich viel mehr zu sagen. Einige Informationen gibt es auch auf unserer offiziellen Webseite http://www.medaustron.at oder unter http://www-linux.gsi.de/~strodl.
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