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[Nachruf] Peter Grünberg
(2018)
Ulrich Gerhardt : Nachruf
(2018)
Die Bestrahlung atmungsbewegter Tumoren stellt eine Herausforderung für die moderne Strahlentherapie dar. In der vorliegenden Arbeit werden zu Beginn die physikalischen, technischen und medizinischen Grundlagen vorgestellt, um dem Leser den Einstieg in die komplexe Thematik zu erleichtern. Des Weiteren werden verschiedene Techniken zur Bestrahlung atmungsbewegter Zielvolumina vorgestellt. Auch wird auf die Sicherheitssäume eingegangen, die notwendig sind, um Fehler in der Bestrahlungskette beim Festlegen des Planungszielvolumens für die Bestrahlung auszugleichen.
Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein Konzept entwickelt, wodurch sich der Sicherheitssaum von bewegten Tumoren in der Radiochirurgie mit dem Tumor-Tracking-System des Cyberknifes noch weiter verkleinern lässt. Somit kann die sogenannte therapeutische Breite der Behandlung weiter vergrößert werden kann. Dafür wurden ein 4D-CT und ein Gating-System in den klinischen Betrieb aufgenommen. Die entwickelte Technik basiert auf den zehn individuellen Atemphasen des 4D-CTs und lässt eine Berücksichtigung bewegter Risikostrukturen bereits während der Bestrahlungsplanung zu. Diese Methode wurde mit aktuellen Bestrahlungstechniken mittels eines Vergleichs der Bestrahlungspläne anhand von zehn Patientenfällen verglichen. Zur Erstellung der Bestrahlungspläne kamen die Bestrahlungsplanungssysteme von Varian (Eclipse 13.5) und Accuray (Multiplan 4.6) zum Einsatz. Es wurden insbesondere die Bestrahlungsdosen an den Risikoorganen und die Volumina ausgewählter Isodosen betrachtet. Hier zeigte sich eine klare Abhängigkeit von der Belastung des gesunden Gewebes von der verwendeten Bestrahlungstechnik. Dies lässt die Schlussfolgerung zu, dass mit einer Reduzierung des Sicherheitssaums, welcher abhängig von der verwendeten Planungs- und Bestrahlungstechnik ist, eine Vergrößerung der therapeutischen Breite einhergeht. Zusätzlich bleibt bei einer geringen Belastung des umliegenden gesunden Gewebes die Möglichkeit für eine weitere Bestrahlung offen.
Anschließend wurden anhand von berechneten Testplänen Messungen an einem für diese Arbeit modifizierten Messphantom am Varian Clinac DHX und am Cyberknife VSI durchgeführt. Hier wurden die beim Planvergleich verwendeten Bestrahlungstechniken verwendet, um einen Abgleich von berechneter und tatsächlich applizierter Dosis zu erhalten. Das verwendete Messphantom simuliert die Atmung des Patienten und lässt gleichzeitig eine Verifikation der Dosisverteilung mit EBT3-Filmen sowie Messungen mit Ionisationskammern zu. Es zeigte sich, dass für die Techniken, welche aktiv die Atmung berücksichtigen (Synchrony am Cyberknife und Gating am Varian Clinac), selbst im Niedrigdosisbereich eine gute Übereinstimmung zwischen Messung und Berechnung der Dosisverteilung vorliegt. Sobald die Bewegung des Zielvolumens bereits bei der Bestrahlungsplanung berücksichtigt wird, steigt die Übereinstimmung weiter an. Für Techniken, welche die Atmung lediglich bei der Zielvolumen-Definition einbeziehen (ITV-Konzept), liegen sowohl die mit Ionisationskammern gemessenen Werte als auch die Übereinstimmung von berechneter und gemessener Dosisverteilung außerhalb des Toleranzbereichs.
Eine weitere Frage dieser Arbeit befasst sich mit der Treffsicherheit des Tumor-Tracking-Systems des Cyberknifes (Synchrony). Hier wurden Messungen mit dem XSightLung-Phantom und unterschiedlichen Sicherheitssäumen, welche die Bewegung des Tumors ausgleichen sollen, durchgeführt. Dies geschah sowohl mit dem für das Phantom vorgesehenen Würfel mit Einschüben für EBT3-Filme als auch mit einem Film-Sanchwich aus Flab-Material zur Untersuchung einer dreidimensionalen Dosisverteilung. Die Analyse der Filme ergab, dass es zumindest an einem Phantom mit einer einfachen kraniokaudalen Bewegung nicht nötig ist, die Bewegung des Zielvolumens durch einen asymmetrischen Sicherheitssaum in Bewegungsrichtung zu kompensieren um die Abdeckung des Zielvolumens mit der gewünschten Dosis zu gewährleisten.
Durch diese Arbeit konnten zusätzlich weitere wertvolle Erkenntnisse für den klinischen Alltag gewonnen werden: bei der Untersuchung der Bewegung von Tumoren in freier Atmung sowie bei maximaler Inspiration und Exspiration zeigte sich, dass zum Teil die Tumorbewegung in maximalen Atemlagen (3-Phasen-CT) deutlich von der freien Atmung abweicht. Dies lässt den Schluss zu, dass für eine Bestrahlung in freier Atmung ein 4D-CT die Tumorbewegung deutlich realistischer widerspiegelt als ein 3-Phasen-CT, zumal letzteres eine größere Dosisbelastung für den Patienten bedeutet.
Ebenfalls konnte anhand einer retrospektiven Untersuchung von Lungentumoren gezeigt werden, dass für die Berechnung von Bestrahlungsplänen für Tumoren in inhomogenem Gewebe der Ray-Tracing-Algorithmus die Dosis im Zielvolumen teilweise sehr stark überschätzt. Um eine realistische Dosisverteilung zu erhalten, sollte deshalb insbesondere bei Tumoren in der Lunge auf den Monte-Carlo-Algorithmus zurückgegriffen werden.
Die vorliegende Dissertation befasst sich mit der Entwicklung und Erforschung eines konzeptionell neuartigen Injektionssystems zum Transport von Ionenstrahlen in toroidale Magnetfeldstrukturen. Die Forschungsarbeit ist dabei Teil des Figure-8 Speicherringprojekts (F8SR) des IAP, bei welchem es um die Erforschung der Physik und die Entwicklung eines niederenergetischen, supraleitenden, magnetostatischen Figure-8 Hochstromspeicherrings geht. Dieser neuartige Speicherring ermöglicht aufgrund des Einsatzes von fokussierenden solenoidalen und toroidalen Magnetfeldern das Speichern von Strahlströmen von bis zu einigen Ampere. Diese Arbeit baut auf früheren Forschungsarbeiten zu diesem Themenfeld auf, in welchen die Grundlagen und Ausgangsparameter für die experimentelle Untersuchung der Injektion gelegt und mit dem Aufbau des Injektionsexperiments begonnen wurde.
In dieser Dissertation wird den Fragen nachgegangen, ob ein magnetisches Konzept des Injektionssystems mittels eines „Scaled-Down“-Experiments experimentell umsetzbar ist und ob mit diesem die Injektion von Ionenstrahlen in toroidale Magnetfeldstrukturen realisiert werden kann. Ziel ist es dabei, ein Injektionssystem aufzubauen, durch welches sowohl ein seitlich injizierter Injektionsstrahl, welcher den in den Speicherring zu injizierenden Strahl darstellt, als auch ein gleichzeitig durch die toroidalen Magnetfelder driftender Ringstrahl, welcher den im Speicherring zirkulierenden Strahl darstellt, ohne Verluste transportiert werden können. Das Injektionssystem besteht dabei aus drei normalleitenden Magneten, wobei es sich um zwei baugleiche 30 Grad Toroide sowie einen Solenoid handelt. Die Toroide bilden den Transportkanal für den Ringstrahl, während der Injektionssolenoid senkrecht zwischen den beiden Toroiden endet und den Injektionskanal für den Injektionsstrahl darstellt.
Zunächst wurde das Injektionssystem mittels Strahltransportsimulationen untersucht und aufbauend auf den Ergebnissen die benötigen Vakuumkomponenten sowie der Injektionsmagnet ausgelegt, entwickelt und umgesetzt. Anschließend wurde mit dem fertigstellten Injektionsexperiment der Transport von zwei Ionenstrahlen durch das Injektionssystem experimentell erforscht. Dabei wurden die Strahlpfade mit einem in Entwicklung befindlichen Kameradetektorsystem aus verschiedenen Perspektiven aufgenommen und das Strahlverhalten in Abhängigkeit von unterschiedlichen Parametern phänomenologisch analysiert und diskutiert, mit den Ergebnissen der Simulationen verglichen sowie theoretisch bzgl. der RxB Drift und eines Gedankenmodells eingeordnet. Die technische Umsetzung, Inbetriebnahme und Durchführung verschiedener Vorabexperimente bzgl. weiterer Komponenten des Injektionsexperiments (bspw. Ionenquellen und Filterkanäle) ist ebenfalls Bestandteil dieser Arbeit.
Bei den experimentellen Untersuchungen mit Wasserstoff- und Heliumionenstrahlen konnte beobachtet werden, wie der Injektionsstrahl in den zweiten Toroid driftet und somit erfolgreich injiziert wird. Des Weiteren wurde eine Heliummessung durchgeführt, bei der sowohl der Injektionsstrahl als auch der Ringstrahl erfolgreich durch das Injektionssystem transportiert werden konnten. Auch die Auswirkungen des Injektionsmagneten auf den Ringstrahl konnten experimentell untersucht werden. Die verschiedenen Messungen wurden mittels des Gedankenmodells diskutiert und mit den Ergebnissen der Simulationen sowie untereinander verglichen.
Das abschließende Ergebnis dieser Arbeit ist, dass durch den Einsatz von solenoidalen und toroidalen Magnetfeldern der Injektionsstrahl vom Injektionsmagneten in den zweiten Toroid transportiert und dieser somit in die gekoppelte magnetische Konfiguration der Toroide eingelenkt werden kann. Der gleichzeitige verlustfreie Transport eines Ringstahls durch das Injektionssystem konnte dabei ebenfalls realisiert werden. Des Weiteren stimmen die Ergebnisse der Simulationen und Experimente sowie die theoretischen Überlegungen überein.
Das neuartige Injektionskonzept, welches als Schlüsselkomponente für die Umsetzung des Figure-8 Hochstromspeicherrings benötigt wird, wurde somit mittels Theorie, Simulation und Experiment überprüft und die Funktionalität bestätigt.
Zukünftige Forschungsfragen für welche der Figure-8 Hochstromspeicherring verwendet werden könnte, bspw. aus den Bereichen der experimentellen Astrophysik oder Fusionsforschung, wurden abschließend diskutiert.
Die vorliegende Arbeit präsentiert die wissenschaftlichen Erkenntnisse, welche im Rahmen dreier verschiedener Messreihen gewonnen wurden. Kernthema ist in allen Fällen die Ionisation von molekularem Wasserstoff mit Photonen.
Im Rahmen der Messung sollte eine 2014 veröffentlichte Vorhersage der theoretischen Physiker Vladislav V. Serov und Anatoli S. Kheifets im Experiment überprüft werden. Ihren Berechnungen zufolge kann ein sich langsam vom Wasserstoff Molekülion entfernendes Photoelektron durch sein elektrisches Feld das Mutterion polarisieren und dafür sorgen, dass beim anschließenden Aufbruch in ein Proton und ein Wasserstoffatom eine asymmetrische Emissionswinkelverteilung zu beobachten ist [SK14]. Diese Vorhersage konnte mit den Ergebnissen der hier vorgestellten Messung zweifelsfrei untermauert werden. Für drei verschiedene Photonenenergien, welche im relevanten Reaktionskanal Photoelektronenenergien von 1, 2 und 3 eV entsprechen, wurden die prognostizierten Symmetrien in den Messdaten herauspräpariert. Es zeigte sich, dass diese sowohl in qualitativer wie auch in quantitativer Hinsicht gut bis sehr gut mit den Vorhersagen übereinstimmen.
Im zweiten Teil dieser Arbeit wurde erneut die Dissoziationsreaktion, allerdings bei deutlich höheren Photonenenergien, untersucht. Ziel war es, den in Zusammenarbeit mit den Physikern um Fernando Martin gelungenen theoretischen Nachweis der Möglichkeit einer direkten Abbildung von elektronischen Wellenfunktionen auch im Experiment zu vollziehen. Der überwiegende Teil aller Veröffentlichungen im Vorfeld dieser Messung fokussierte sich bei den Untersuchungen der Wellenfunktion entweder auf die rein elektronischen Korrelationen - so zum Beispiel in Experimenten zur Ein-Photon-Doppelionisation, wo Korrelationen zwischen beiden beteiligten Elektronen den Prozess überhaupt erst möglich machen - oder aber auf den Einfluss, welchen das Molekülpotential auf das emittierte Elektron ausübt. Die wenigen Arbeiten, die sich bis heute an einer unmittelbaren Abbildung elektronischer Wellenfunktionen versuchten, gingen meist den im Vergleich zu dieser Arbeit umgekehrten Weg: Man untersuchte hier das Licht höherer Harmonischer, wie sie bei der lasergetriebenen Ionisation und anschließenden Rekombination eines Photoelektrons mit seinem Mutterion entstehen.
In dieser Arbeit wurde ein Ansatz präsentiert, der zwei überaus gängige und verbreitete Messtechniken geschickt kombiniert - Während das Photoelektron direkt nachgewiesen und seine wesentlichen Eigenschaften abgefragt werden, kann der quantenmechanische Zustand des zweiten, gebunden verbleibenden Elektrons über einen koinzident dazu geführten Nachweis des ionischen Reaktionsfragments bestimmt werden. Dieser Vorgang stützt sich wesentlich auf Berechnungen der Gruppe um Fernando Martín, welche eine Quantifizierung der Beiträge einzelner Zustande zum gesamten Wechselwirkungsquerschnitt dieser Reaktion erlauben. Diese unterscheiden sich je nach Energie der Fragmente signifikant, so dass über eine Selektion des untersuchten KER-Intervalls Kenntnis vom elektronischen Zustand des H2 +-Ions nach der Photoemission erlangt werden kann. Die experimentellen Daten unterstützen die Theorie von Martin et al. nicht nur mit verblüffend guter Übereinstimmung, die gemessenen Emissionswinkelverteilungen stehen darüber hinaus auch in sehr gutem Einklang mit ihren theoretisch berechneten Gegenstücken. Die Ergebnisse wurden zwischenzeitlich in der renommierten Fachzeitschrift Nature Communications veröffentlicht [WBM+17].
Die dritte Messreihe innerhalb dieser Arbeit beschäftigt sich mit der Photodoppelionisation von Wasserstoff. Im Rahmen des selben Experiments wie die weiter vorn beschriebene Dissoziationsmessung bei 400 eV Photonenenergie aufgenommen, belegen die Ergebnisse auf wunderbar anschauliche Art und Weise, dass die Natur in unserer Umgebung voller Prozesse ist, die ursprünglich als rein quantenmechanische Laborkonstrukte angesehen wurden. Es konnte zweifelsfrei gezeigt werden, dass die beiden Elektronen, die bei der Photodoppelionisation freigesetzt werden, als ein Quasiteilchen aufgefasst werden können. Sie befinden sich in einem verschränkten Zweiteilchenzustand, und nur eine koinzidente Messung beider Elektronen vermag es, Interferenzeffekte in ihren Impulsverteilungen sichtbar zu machen - betrachtet man beide hingegen individuell, so treten keinerlei derartige Phänomene auf. Es gelang dabei zudem, eine beispielhafte Übereinstimmung zwischen den gemessenen Daten und einer theoretischen Berechnung der Kollegen um Fernando Martín zu erreichen.
Für das bessere Verständnis der Nukleosynthese der schweren Elemente im s-Prozess wurde im Rahmen dieser Arbeit die Messung zur Bestimmung der Neutroneneinfangsreaktion von 83Kr durchgeführt. Als Messinstrument wurde DANCE am LANL verwendet, ein 4pi-Kalorimeter zur Detektion der entstehenden g-Kaskaden bei (n,g)-Reaktionen. Darüber hinaus wurden außerdem noch Proben mit 85Kr und 86Kr vermessen.
Die Herausforderung an diesem Experiment bestand vor allem in der Probenherstellung. Das Edelgas Kr erforderte eine Neukonstruktion der normalerweise bei DANCE verwendeten Probenhalterung. Das Hauptaugenmerk lag auf der Maximierung der Kr-Exposition durch den Neutronenstrahl. Im Gegenzug wurde versucht das umgebende Material nach Möglichkeit keinen Neutronen auszusetzen. Für die Isotope 83,86Kr wurden Hochdruckgaskugeln verwendet, die an der Goethe-Universität Frankfurt gefüllt und in eine der neuen Probenhalterungen eingesetzt wurden. Zur Beachtung des bei der Messung entstehenden Untergrundes wurde eine Messung mit baugleicher Probenhalterung und leerer Gaskugel durchgeführt. Da bereits kleine Mengen 85Kr eine hohe Radioaktivität aufweisen, wurde eine in einen Stahlzylinder eingeschweißte, existierende Quelle verwendet.
Bei der Analyse zu 86Kr wurde schnell eine zu starke Verunreinigung der Kr-Probe mit Xe offensichtlich, einen signifikanten Anteil des Spektrums ausmachte. Aus diesem Grund kam es vor allem zu Problemen den korrekten Untergrund von den 86Kr Messdaten zu subtrahieren. Die weitere Bestimmung inklusive Streukorrekturen, Normierung anhand des Flussmonitors und DICEBOX/GEANT3 Effizienzbestimmung lieferte zwar einen energieabhängigen Wirkungsquerschnitt, dieser zeigte allerdings große Abweichungen von den evaluierten ENDF/B-VII.1 Daten, was besonders ersichtlich in der deutlichsten 86Kr Resonanz bei 5515 eV zu erkennen war. Aus diesem Grund konnte aus den Messdaten kein MACS extrahiert werden.
Bei einer Untersuchung der Aktivität der 85Kr-Probe mit Hilfe der einzelnen BaF2-Detektoren in der DANCE Kugel zeigte sich zunächst eine um fast einen Faktor vier geringere Aktivität als vom Hersteller angegeben. Auch bei der weiteren Analyse traten massive Untergrundprobleme auf. Die Form des Stahlzylinders, in dem das Kr-Gasgemisch eingeschweißt war, konnte aufgrund seiner Form nur schwer im Strahlrohr untergebracht werden. Beim Experiment selbst zeigte sich dann, dass Teile der Halterung vom Neutronenstrahl getroffen wurden, was einen Untergrund mit sehr hohem Q-Wert erzeugte, der nicht durch ein Esum Fenster entfernt werden konnte. Durch eine Beschädigung der Halterung mit der Probe kam es darüber hinaus zu Abweichungen mit der verwendeten Leerhalterung. All das führte trotz einer langen Messzeit von fast 18 d dazu, dass nur ein sehr schwaches Signal von der eigentlichen Kr-Probe zu erkennen war. Es wurde eine mögliche 85Kr Resonanz bei 675 eV gefunden, allerdings ist die endgültige Zuordnung aufgrund der nicht eindeutigen Untergrundsituation äußerst schwierig. Im Vorfeld des Kr-Experimentes wurde eine Messung von RbCl an DANCE durchgeführt, da ursprünglich zu erwarten war, dass bereits ein Teil des 85Kr zu 85Rb zerfallen war. Durch diese Messung sollte dieser Anteil leicht von der späteren Messung zu subtrahieren sein. Allerdings trat ein unerwartetes Problem während der Datenaufnahme auf. Die Verbindung der DAQ Boards wurde getrennt, wodurch ca. 3/4 der Detektoren nicht mehr zeitsynchron liefen. Im Zuge dieser Arbeit wurde eine Rekonstruktion dieser Daten angestrebt. Durch Modifikationen am FARE Code, der zur Auswertung verwendet wurde, konnte Flugzeitspektren für jeden Beschleunigerpuls erzeugt werden. Es zeigte sich zunächst ein offensichtlicher Trend einer Verschiebung der getrennten Boards zu späteren Zeiten. Durch mehrere Fits an die Abweichungsverteilung und anschließende Korrektur konnte zunächst ein Spektrum wiederhergestellt werden, das vergleichbar mit den unbeschädigten Daten war. Bei einer detaillierten Analyse dieser neu gewonnen Daten zeigte sich jedoch eine Nichtlinearität in der Zeitverschiebung. Dies resultierte letztlich in einer Korrektur des Spektrums, allerdings nicht in einem Koinzidenzfenster von 10 ns, das für eine Wirkungsquerschnittsanalyse notwendig ist. Es wurde geschlussfolgert, dass durch die geringe Statistik in den einzelnen Flugzeitspektren solch eine Genauigkeit nicht zu erreichen ist.
Die Messung des Neutroneneinfangsquerschnitts von 83Kr konnte im Zuge dieser Arbeit erfolgreich durchgeführt werden. Es wurden zwei Messungen mit verschiedenen Strömen kombiniert. Eine Messung mit 40 µA wurde durchgeführt, um Pile-Up in der größten Resonanz bei 28 eV zu reduzieren. Die zweite Messung diente dann dem Sammeln von ausreichend Statistik in den nicht resonanten Bereichen. Die eingesetzte Leerkugel erlaubte eine saubere Subtraktion des Untergrundes von Probenhalterung, Gaskugel und Umgebung. Für die Skalierung der Messergebnisse wurde eine weitere Messung mit einer 5000 Å dicken Goldfolie durchgeführt. Zur Bestimmung der Detektoreffizienz konnten zunächst die durch den Neutroneneinfang entstandenen Abregungskaskaden der 84Kr Kerne mit DICEBOX modelliert werden. Diese Kaskaden wurden dann anschließend in GEANT3 Simulationen verwendet, um die Effizienz bestimmen zu können. Mit diesen Methoden erhielt man die Maxwell-gemittelten Wirkungsquerschnitte von kT = 5 keV - 100 keV. Bei der für den s-Prozess wichtigen Temperatur von kT = 30 keV wurde der Querschnitt bestimmt zu: MACS (30 keV) = (256,6 +- 14,2 (stat) +- 18,1(sys)) mb.
Dieser Wert ist in guter Übereinstimmung mit dem in der KADoNIS v0.3 Datenbank angegebenen Wert von MACS;KADoNIS (30 keV) = (243 +- 15) mb. Mit den so gewonnenen Wirkungsquerschnitten wurden außerdem die Reaktionsraten berechnet. Bei den anschließenden Netzwerkrechnungen mit dem Programm NETZ wurden die Auswirkungen der in dieser Arbeit gewonnenen Wirkungsquerschnitte im Vergleich zu den KADoNIS v0.3 Werten betrachtet. Dabei zeigte sich eine leicht erhöhte Produktion der stabilen Isotope 84Kr, 86Kr, 85Rb und 87Rb, sowie eine leichte Unterproduktion der stabilen Isotope 86-88Sr in der Hauptkomponente des s-Prozess. Ein ähnliches Bild zeigte sich in der He-Brennphase der schwachen Komponente. Der in dieser Arbeit gemessene Wirkungsquerschnitt bei hohen Temperaturen ist geringer als der in KADoNIS v0.3 angegebene, weswegen es bei der Simulation mit NETZ zu einer stark erhöhten Produktion von 83Kr in der C-Brennphase kommt.