Fundamentals for routined utilization of tomography in beam diagnostics

Grundlagen für die routinemäßige Implementierung der Tomografie in der Strahldiagnose

Ende der 70ger Jahre, fünf Jahre nach der Einführung des ersten kommerziellen, medizinischen Computertomographen wurde die Tomographie am Los Alamos Scientific Laboratory zum ersten Mal für die Diagnose von Teilchenstrah
Ende der 70ger Jahre, fünf Jahre nach der Einführung des ersten kommerziellen, medizinischen Computertomographen wurde die Tomographie am Los Alamos Scientific Laboratory zum ersten Mal für die Diagnose von Teilchenstrahlen angewendet. Bei der Tomographie wird aus eindimensionalen Projektionen, sogenannten Profilen, welche in möglichst vielen Winkeln um ein Objekt herum aufgenommen werden, ein zweidimensionales Abbild der Dichteverteilung (Slice oder Scheibe) approximiert. Dies ist möglich durch das bereits 1917 von Johann Radon eingeführte Fourier-Scheiben-Theorem. In der Theorie kann die zwei-dimensionale Dichteverteilung exakt ermittelt werden, wenn Projektionen mit einer unendlich feinen Auflösung über unendlich viele Winkel um ein Objekt herum in die Rekonstruktion einbezogen werden. Durch die Rekonstruktion vieler Scheiben kann ein drei-dimensionales Abbild der Dichteverteilung in einem Objekt, in diesem Fall einem Ionenstrahl, berechnet werden, sofern dieses nicht optisch dicht ist.
Die Profile in der nicht-invasiven Strahldiagnose entstehen durch CCD-Kameraaufnahmen von strahlinduzierter Fluoreszenz, welche durch den Einlass von Restgas hervorgerufen wird. Es sind aber auch Profile, welche aus anderen Methoden gewonnen werden (z.B. Gittermessungen) denkbar. An Orten mit hoher Energie ist jedoch eine nicht-invasive Form der Profilaufnahme sowohl für die Qualität des Strahls, wie auch den Schutz der Messgeräte unabdingbar.
In den letzten 40 Jahren wurden im Bereich der Strahltomographie viele wichtige Fortschritte erzielt:
1. Anfangs standen nur sehr wenige Profile zur Verfügung, so dass die Methode der gefilterten Rückprojektion(FBP), welche sich direkt aus dem Fourier-Scheiben-Theorem ableitet und welches auch in der Medizin verwendet wird, nicht angewendet werden kann. Um dieses Problem zu lösen wurden iterative Methoden wie die Algebraische Rekonstruktion (ART) und die Methode der Maximalen Entropie (MEM) für die Strahltomographie erschlossen, so dass auch mit sehr geringer Profilanzahl eine Rücktransformation möglich wurde.
2. Neben der Ortsraumtomographie wurde die Phasenraumtomografie entwickelt, so dass mittlerweile eine Rekonstruktion des sechs-dimensionalen Phasenraumes möglich ist, mit welchem ein Ionenstrahl in seiner Gesamtheit beschrieben werden kann.
3. Die Projektionen wurden lange Zeit durch Aufnahmen von mehreren festen Anschlüssen aus gewonnen (Multi-Port-Technik). Auf diese Weise ist die Anzahl der möglichen Projektionen sehr begrenzt. So entwickelte man später eine Methode welche den Strahl mit Hilfe von Quadrupolen dreht (Quad-Scan-Technik), so dass auf diese Weise von einem Anschluss aus viele Projektionen gemessen werden konnten, so dass sogar die FBP angewendet werden konnte.
4. Die meisten Bestrebungen zielten darauf ab, die Tomographie für eine nicht-invasive Emittanzmessmethode zu nutzen, welches bis heute aufgrund der großen und noch immer zunehmenden Energien in modernen Beschleunigern ein wichtiges Problem ist. Um die Tomographie zur Emittanzmessung zu verwenden, führt man eine Rekonstruktion des Phasenraumes durch. Das Problem ist, dass hierfür das a priori Wissen über die Strahltransportmatrix in die Tomographie mit einfließt, die berechnete Strahltransportmatrix
jedoch nicht mit dem tatsächlichen Strahltransport übereinstimmt, da dieser bei hohen Energien durch auftretende Raumladung nicht-linear verändert wird. Hierzu wurden gute Fortschritte in der Abschätzung der tatsächlichen Transportmatrix gemacht um die Phasenraumtomographie trotzdem mit hinreichend gutem Ergebnis durchführen zu können.
Trotz all dieser Fortschritte und Entwicklungen ist die Tomographie bis heute keine weitverbreitete Methode in der Strahldiagnose. Der Grund ist, dass das Einrichten einer Tomografie eine komplexe Abfolge etlicher Entscheidungen und weitgestreutes Wissen aus vielen unterschiedlichen Bereichen erfordert, dieser nicht zu unterschätzende Mehraufwand jedoch auch durch einen signifikanten Nutzen gerechtfertigt sein muss. Der große Nutzen der Tomographie für die Strahldiagnose und Untersuchung der Strahldynamik ist bis heute allerdings weitgehend unerkannt und weiterhin reduziert auf die Entwicklung einer nicht-invasiven Methode für die Emittanzbestimmung. Ein zweites Hindernis stellte bisher auch die Diskrepanz zwischen Genauigkeit und Platzaufwand dar (hohe Genauigkeit durch viele Projektionen mit Quad-Scan-Technik auf mehreren Metern oder niedrige Genauigkeit durch wenig Projektionen mit Multi-Port-Technik auf weniger als einem Meter). Die Tomografie kann großen Nutzen leisten für die Online-Überwachung wichtiger Maschineneparameter im Strahlbetrieb (Monitoring) als auch für detaillierte Analysen zur Strahldynamik (Modellierung) weit über die Implementierung einer nicht-invasiven Emittanzmessmethode hinaus.
Um dies zu gewährleisten Bedarf es Zweierlei. Zum einen muss die Diskrepanz zwischen Genauigkeit und Platzaufwand aufgehoben werden. Hierzu wurde im Rahmen dieser Arbeit eine rotierbare Vakuumkammer entwickelt die nach dem Vorbild medizinischer Tomographen in mehr als 5000 Winkelschritten um den Strahl herum fahren kann, dabei ein Vakuum von mindestens 10-7mbar aufrecht erhält und einen Platzbedarf von weniger als 400 mm in der Strahlstrecke einnimmt. Zum anderen muss die Implementierung der Tomografie durch eine Angabe von schematischen Schritten und Entscheidungen vereinfacht werden. Eine Strahltomographie muss immer auf ihren jeweiligen Zweck hin implementiert werden, da Einzelelemente der Tomografie wie beispielsweise Messvorrichtung und dadurch die Profilanzahl, zu verwendender Tomographiealgorithmus, zu bestimmende Parameter sich je nach Einsatz unterscheiden können. Jedoch können die dazu nötigen Entscheidungen in ein Schema eingeordnet werden, welches die Implementierung der Tomographie vereinfacht und beschleunigt. Hierzu wurde in dieser Arbeit eine Diagnosepipeline und ein Entscheidungsschema eingeführt, sowie die Implementierung nach diesem Schema am Beispiel einer Strahltomographie für die Frankfurter Neutronenquelle (FRANZ) demonstriert und die entsprechenden Fragen und Entscheidungen diskutiert. Es wird gezeigt, wie sich aus den Messdaten über die Aufbereitung der Daten durch die Tomografie die erforderlichen Standardstrahlparameter für ein Monitoring gewinnen lassen. Zusätzlich wird ein Ebenen-Modell eingeführt, über welches nicht-Standardparameter oder neu modellierte Strahlparameter für detaillierte Analysen der Strahldynamik über die Standardparameter hinaus entwickelt werden können. Diese Arbeit soll ein grundlegendes Konzept für die routinemäßige Implementierung der Tomographie in der Strahldiagnose zur Verfügung stellen. Für die Verwendung zum Monitoring im Strahlbetrieb muss die Bestimmung von Standardparametern noch wesentlich im Zeitaufwand verbessert werden. Die Verwendung der Phasenraumtomographie benötigt noch eine Idee um den arcustangensförmigen Verlauf der berechneten Phasenraumrotationswinkel mit der Forderung der FBP nach äquidistanten Projektionswinkeln verträglicher zu machen.
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Metadaten
Author:Hermine Reichau
URN:urn:nbn:de:hebis:30:3-243007
Referee:Ulrich Ratzinger
Advisor:Ulrich Ratzinger
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Date of Publication (online):2012/02/19
Year of first Publication:2012
Publishing Institution:Univ.-Bibliothek Frankfurt am Main
Granting Institution:Johann Wolfgang Goethe-Univ.
Date of final exam:2012/02/08
Release Date:2012/02/24
Pagenumber:160
HeBIS PPN:29025633X
Institutes:Physik
Dewey Decimal Classification:530 Physik
Sammlungen:Universitätspublikationen
Licence (German):License LogoCreative Commons - Namensnennung, Nicht kommerziell, Keine Bearbeitung 2.0

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