Open Access

Richard Leopold Hermann

• Das Heidelberger Ionenstrahl-Therapiezentrum (HIT) stellt Protonen-, Helium- und Kohlenstoff-Ionenstrahlen unterschiedlicher Energie und Intensität für die Krebsbehandlung und Sauerstoff-Ionenstrahlen für Experimente zur Verfügung. Der hierfür verwendete Beschleuniger ist darüber hinaus in der Lage auch Ionenstrahlintensitäten unterhalb der für Therapien verwendeten bereitzustellen. Allerdings ist das derzeit installierte Strahldiagnosesystems nicht in der Lage, das Strahlprofil bei solchen geringen Intensitäten (< 10^5 Ionen/s) zu messen. Dabei existieren mögliche medizinische Anwendung für diese niederintensiven Ionen-strahlen, wie beispielsweise eine neuartige und potentiell klinisch vorteilhafte Bildgebung: die Ionenradiographie. Eine essentielle Voraussetzung für diese und andere Anwendungen ist ein System zur Überwachung von Ionenstrahlen niedriger Intensität. Ein solches System wurde im Rahmen dieser Arbeit konzipiert, realisiert, getestet und optimiert. Das Funktionsprinzip basiert auf szintillierenden Fasern, insbesondere solchen mit erhöhter Strahlungshärte für die Möglichkeit einer dauerhaften Platzierung im Therapiestrahl. Ein diese Fasern durchlaufendes Ion regt den darin enthaltenen Szintillator durch Stoßprozesse kurzzeitig an. Die dabei deponierte Energie wird anschließend in Form von Photonen wieder emittiert. Silizium-Photomultiplier sind an den Enden der Fasern montiert und wandeln die Photonensignale in verstärkte elektrische Impulse um. Diese Impulse werden von einer neuartigen und dedizierten Ausleseelektronik aufgezeichnet und verarbeitet. Ein Prototypaufbau, bestehend aus den genannten Teilen, wurde im Strahl getestet und kann das transversale Strahlprofil erfolgreich im Intensitätsbereich von 10^7 Ionen/s bis hinunter zu 10^2 Ionen/s aufzeichnen. Darüber hinaus konnte, durch die erfolgreiche Ankunftszeitmessung von einzelnen Ionen bis zu Intensitäten von 5*10^4 Ionen/s, ein Machbarkeitsnachweis für die Messung der Spur von einzelnen Teilchen erbracht werden.
• The Heidelberg Ion-Beam Therapy Center (HIT) provides proton, helium, and carbon-ion beams with different energies and intensities for cancer treatment and employs oxygen-ion beams for research purposes. The accelerator is able to produce ion beam intensities below the range used for therapy (< 10^5 Ions/s) by manually degrading the beam. The beam monitoring system instrumentation that is currently in use is unable to measure the beam profile at these low intensities. A secondary system that could cover this intensity range is therefore of interest. One possible medical application for these low-intensity ion beams is helium-ion beam imaging for image-guided ion radiotherapy. The essential prerequisite for this is a system for monitoring low-intensity ion beams, which has been designed, built, tested and continues to be optimized as part of this work. The new set-up relies on scintillating fibres, particularly those with enhanced radiation hardness. The fibres transform the deposited energy by traversing ions into photons, which are then converted into electrical pulses and amplified via silicon photomultipliers. These pulses are recorded and processed by novel and dedicated readout electronics. A prototype set-up consisting of all the mentioned parts was tested in beam and has successfully measured the transverse beam profile from intensities of 10^7 ions/s down to 10^2 ions/s. In addition, a proof of concept of single ion tracking was carried-out through successful single ion time-of-arrival measurements with intensities up to 5*10^4 ions/s.