Szintillierender faserbasierter Strahlprofilmonitor für Ionentherapie-Bestrahlung
Medizinische Physik, Biomedizinische Technik
Messsysteme
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Dieses Projekt entwickelte einen neuartigen Strahlprofilmonitor auf Basis von plastischen szintillierenden Fasern, der Technologien aus der Hochenergie-Teilchenphysik nutzt, um eine präzise Strahldiagnostik zu ermöglichen. Das System verwendet szintillierende Fasern, die bei Ionisation fluoreszieren und Lichtsignale erzeugen, die in elektrische Daten umgewandelt werden, um die Strahlposition, -form und -intensität zu rekonstruieren. Im Vergleich zu traditionellen Mehrdraht-Proportionalkammern (MWPCs) zeigte der faserbasierte Detektor schnellere Reaktionszeiten, submillimetergenaue Präzision (besser als 0,2 mm für die Position und 0,4 mm für die Form) und Kompatibilität mit einer Vielzahl von Strahlintensitäten. Wichtige Ergebnisse belegen die erfolgreiche Entwicklung von leichten, materialarmen Faserebenen mit einer Größe von 25 cm x 25 cm. Diese Ebenen, die entwickelt wurden, um die Strahlstörung zu minimieren, erreichten ein Materialbudget von weniger als 0,3 mm Wasseräquivalenz. Durch die Integration von Spiegelbeschichtungen an einem Ende der Fasern konnte das optische Signal um über 60 % verstärkt werden, was ein konsistentes Signal- Rausch-Verhältnis entlang der Faser gewährleistet. Strahlungstests zeigten, dass grün-emittierende Fasern auch bei klinischen Strahlintensitäten über mehrere Monate zuverlässig arbeiten, wobei lediglich regelmäßige Kalibrierungen erforderlich sind, um lokale Nichtlinearitäten zu korrigieren. Darüber hinaus demonstrierte das System eine lineare Leistung in Bezug auf die Strahlintensität und ermöglichte die Echtzeitrekonstruktion der Strahlparameter direkt auf der FPGA-Hardware. Einfache Algorithmen zur Rauschunterdrückung und Momentberechnung (Mittelwert und RMS) lieferten identische Ergebnisse wie Offline-Rekonstruktionen und erfüllten die klinischen Spezifikationen. Komplexere Algorithmen wie die Methode der kleinsten Quadrate konnten aufgrund von FPGA-Beschränkungen nicht implementiert werden. Die Ergebnisse bestätigen faserbasierte Detektoren als robuste und skalierbare Lösung für die Strahldiagnostik. Die Präzision, Geschwindigkeit und Modularität des Systems bieten großes Potenzial für Anwendungen in Beschleunigereinrichtungen, Qualitätssicherungsverfahren und anderen Bereichen, die eine genaue Strahlüberwachung erfordern.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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"A Scintillating Fiber-based Ion Beam Profile Monitor", HighRR Workshop: Vistas on Detector Physics 2022, Heidelberg, 12.09-14.09.2022
Liqing Qin
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"The performance of scintillating fibre based beam profile monitor for ion therapy in magnetic field", DPG Spring Meeting "Heidelberg 2022", Heidelberg, 21.03- 25.03.2022
Qian Yang, Liqing Qin & Blake Leverington
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"Towards Real-time Analysis for a Scintillating fiber-based Ion Beam Profile Monitor", DPG Spring Meeting "Heidelberg 2022", Heidelberg, 21.03-25.03.2022
Liqing Qin
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"Towards Real-time Analysis for a Scintillating fiber-based Ion Beam Profile Monitor", HighRR Seminar, Heidelberg, 20.04.2022
Liqing Qin
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“A Scintillating Fibre-based Beam Monitor for HIT – Part II”, HighRR Seminar, 4 May 2022,
Qian Yang
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"Development of a Real-time Scintillating fiber-based Ion Beam Profile Monitor for HIT", DPG Spring Meeting "Dresden 2023", Dresden, 20.03-24.03.2023
Liqing Qin
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"Development of a Real-time Scintillating fiber-based Ion Beam Profile Monitor for HIT", HGSFP Summer School 2023, Molveno, Italy, 11.06-17.06.2023,
Liqing Qin
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"Scintillating fiber-based Ion Beam Profile Monitor for HIT",HighRR Seminar talk, Heidleberg, 20.03.2024
Liqing Qin
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“The LHCb Scintillating Fibre Tracker U1 and U2 + The Ion-therapy Beam Profile Monitor”, GSI DT Detector Seminar
Leverington, Blake D.
