Szintillierender faserbasierter Strahlprofilmonitor für Ionentherapie-Bestrahlung

• Antragsteller: Dr. Blake Dean Leverington, Ph.D.
• Fachliche Zuordnung: Kern- und Elementarteilchenphysik, Quantenmechanik, Relativitätstheorie, Felder ; Medizinische Physik, Biomedizinische Technik ; Messsysteme
• Förderung: Förderung von 2019 bis 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 419255448

Dieses Projekt wurde als Ergebnis einer Diskussion mit der Heidelberger Ionenstrahl-Therapie-Klinik (HIT) entwickelt und wird einen Strahlprofil-Monitor für den Einsatz in Ionentherapie-Kliniken oder anderen Beschleunigeranlagen entwickeln. An HIT können Protonen-, Helium-, Kohlenstoff- und Sauerstoffionenstrahlen über einen 20 cm mal 20 cm großen Bereich mit mehreren Energie- und Intensitätseinstellungen für die Patientenbehandlung gescannt werden. Das Tracking-System überwacht online die Strahlposition und gibt FeedbackDer vorgeschlagene Detektor basiert auf 0,25 mm Plastik-Szintillationsfasern verknüpft sind, die als Band mit Photodiodenarray-Auslese (0,8 mm Kanäle) verbunden sind, die 1-dimensionale Profilinformation von jeder Detektorebene liefern. Das jetzige System ist eine Drahtkammer (MWPC) mit 2 mm Kanalabstand und 4-8 kHz Auslese. Ionen aus der Gasionisation haben Driftzeiten von ~ 150 μs und erzeugen eine Totzeit. Der MWPC wird bald seine Laufzeit erreichen und ein schnelleres, präziseres System soll diesen ersetzen. Eine schnellere Ausleserate (~ 10 kHz) würde höhere Dosisraten und schnellere Behandlungszeiten des Patienten ermöglichen. Die Vorentwicklung begann mit einem Proof-of-Concept-Detektor, der verfügbare Materialien und Elektronik nutzte. Ein existierendes 5 lagiges Faserband wurde in einem kleinen Detektor mit einer 64-k-Photodiode verwendet, die mit einer gewünschten Signalintegrationsperiode (100 Mikrosekunden) ausgelesen wurde, aber aufgrund der verfügbaren Elektronik nur bei 1 kHz abgetastet wurde. Die Ergebnisse waren erfolgreich und wurden in JINST veröffentlicht (https://doi.org/10.1088/1748-0221/13/05/P05030).Die nächste Phase versucht, alle Spezifikationen zu erreichen, die für einen Ionentherapie-Strahlmonitor erforderlich sind. Sie besteht aus 2/5 des endgültigen Detektors (der Fläche) unter Verwendung der ersten Version von kundenspezifischer Elektronik und verwendet die ersten zweilagigen Faserbänder (um das Material im Strahl zu minimieren) mit zwei verschiedenen Arten von Szintillatoren. Zwei Faserbänder wurden mit einem Äquivalent von einem halben Jahr Dosis bestrahlt, um Strahlenschäden zu untersuchen. Die Reaktion der Plastikszintillationsfaser auf verschiedene Ionentypen und Energien wird im Detail untersucht. Andere Einrichtungen zum Testen mit anderen Ionen werden untersucht.Die übernächste Phase würde die Entwicklung einer On-Board-Verarbeitung zusätzlich zur Offline-Ausgabe eines Prototyps vollständigen beinhalten. Zusätzlich würden leichtere Fasermatten entwickelt werden. Eine erfolgreiche zweite Phase fuhr dazu, das Wissen und die Technologie an HIT zur weiteren Entwicklung und Verwendung im medizinischen Umfeld zu übertragen.Die Anstellung eines Doktoranden ist vorgesehen, um die neuen Detektoren, Verarbeitungsalgorithmen und Detektorsimulationen zu entwickeln und die gesammelten Daten zusammen mit dem Projektleiter und dem Elektronikentwickler zu analysieren.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Schweiz
• Mitverantwortlich: Dr. Michal Dziewiecki
• Kooperationspartner: Dr. Frederic Blanc; Dr. Plamen Hopchev