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Das Heidelberger Ionenstrahl Therapiezentrum (HIT) ist die erste klinische Anlage in Europa, an der die Strahlentherapie zur Tumorbekämpfung mit schwereren Ionen als Protonen möglich ist. Seit November 2009 wurden mehr als 1500 Patienten bei HIT behandelt.
Dabei kommt das beim GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung GmbH in Darmstadt entwickelte Rasterscan-Verfahren zum Einsatz. In der Bestrahlungsplanung wird der Tumor in Schichten gleicher Ionen-Energie und jede Schicht in einzelne Rasterpunkte eingeteilt. Für jeden Rasterpunkt wird eine individuelle Teilchenzahl appliziert, die am Ende zu der gewünschten Dosisverteilung führt. Dabei kann sich die benötigte Teilchenbelegung der einzelnen Rasterpunkte auch innerhalb einer Schicht um mehr als zwei Größenordnungen unterscheiden.
Ein auf wenige Millimeter Durchmesser fokussierter Teilchenstrahl kann in allen Raumrichtungen variiert werden, so dass selbst für unregelmäßig geformte Tumoren eine hochgenaue Dosiskonformität erreicht wird. Messkammern, die in der Ionen-Flugbahn kurz vor dem Patienten installiert sind, überwachen kontinuierlich Position, Form und Intensität des Strahls und ermöglichen so die Rasterpunkt-abhängige Dosisabgabe.
Zur Bereitstellung des Teilchenstrahls ist eine komplexe Beschleunigeranlage nötig, die eine große Bibliothek an möglichen Strahlparametern erzeugen kann. Das Herzstück der Anlage ist ein Synchrotron, in dem die Ionen auf die gewünschte Energie beschleunigt und anschließend über mehrere Sekunden extrahiert werden. Diese langsame Extraktion ist nötig, um dem Bestrahlungssystem genug Zeit für die korrekte, punktgenaue Dosisabgabe zu geben. Die zeitliche Struktur der beim Patienten ankommenden Strahlintensität wird Spill genannt.
Der verwendete Extraktionsmechanismus ist die transversale RF-Knockout Extraktion, die auf dem Prinzip der langsamen Resonanzextraktion beruht. Die im Synchrotron umlaufenden Teilchen werden dabei transversal angeregt, bis nach und nach ihre Schwingungsamplitude so groß ist, dass sie in den Extraktionskanal gelangen. Das für diese Anregung verantwortliche Gerät ist der RF-KO-Exciter. Er ist so eingestellt, dass ein möglichst konstanter Teilchenstrom das Synchrotron verlässt.
Bereits beim Befüllen des Synchrotrons variiert jedoch die injizierte Teilchenzahl und deren Verteilung im Phasenraum, so dass die voreingestellte Amplitudenfunktion des RF-KO-Exciters keinen idealen Spill liefern kann. Es kommt unweigerlich zu Schwankungen der Intensität am Strahlziel. Die erreichbare Leistungsfähigkeit der Therapieanlage hängt jedoch in hohem Maße von der Spillqualität ab. Je besser diese ist, umso schneller kann die individuelle Bestrahlung erfolgen und um so mehr Patienten können in gleicher Zeit behandelt werden.
Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Verbesserung der Spillqualität am Bestrahlungsplatz. Dazu wird ein Regelkreis zwischen den Strahl-detektierenden Messkammern und dem die Extraktion steuernden RF-KO-Exciter geschlossen. Ionisationskammern, die auch zur Dosisbestimmung verwendet werden, messen die aktuelle Intensität. Das Therapiekontrollsystem, das den gesamten Bestrahlungsprozess steuert, gibt den Sollwert vor und leitet alle Informationen zur Reglereinrichtung. Dort wird in Abhängigkeit der Abweichung aus gewünschter und tatsächlich vorhandener Intensität sowie dem Regelalgorithmus ein Korrektursignal errechnet und dem RF-KO-Exciter zugeführt. Eine der Herausforderungen bestand dabei im Auffinden der geeigneten Regelparameter, die entsprechend der Strahlparameter Energie und Intensität gewählt werden müssen.
In einem ersten Schritt kann so der extrahierte Teilchenstrahl auf dem jeweils geforderten, konstanten Niveau gehalten werden. Diese Stufe wird seit April 2013 vollständig im Routinebetrieb der Therapieanlage verwendet. Der zweite Schritt besteht in der Anpassung der Extraktionsrate an den individuellen Bestrahlungsplan. So können die Rasterpunkte, die eine hohe Dosis benötigen, mit einer höheren Intensität bestrahlt werden, was die Bestrahlungszeit deutlich reduziert. Die Vollendung dieser Stufe ist bis Ende 2013 vorgesehen.
Im Rahmen dieser Arbeit wurden zwei Testsysteme sowie die Implementierung in den Routinebetrieb des Therapiebeschleunigers einer solchen Intensitäts- oder Spillregelung realisiert. Dies beinhaltet den Aufbau der Systeme, die Bereitstellung von Soll- und Istwert sowie die Auslegung und Einstellung des Regelkreises. Der erste Testaufbau für ein Strahlziel des Beschleunigers diente generellen Studien zur Machbarkeit einer solchen Regelung. Die dabei gesammelten Erfahrungen über nötige Erweiterungen führten zur zweiten Generation einer Testumgebung auf Basis eines Echtzeit-Ethernet-Systems. Dieses ermöglichte bereits die Regelung an allen Strahlzielen der HIT-Anlage sowie die Verwendung von unterschiedlichen Regelalgorithmen.
Mit den Systemen wurden Messungen zur Charakterisierung der Spillregelung im Parameterraum des Beschleunigers durchgeführt, um so ihre Möglichkeiten und Grenzen zu untersuchen. Erkenntnisse aus dieser Testphase flossen direkt in die Implementierung des für den Patientenbetrieb eingesetzten Systems ein, für das ein hohes Maß an Betriebs-Stabilität erforderlich ist. Es wurde in das Beschleuniger-Kontrollsystem unter Berücksichtigung des Sicherheitskonzeptes der Anlage integriert.
Die reine Bestrahlungszeit wird durch die Realisierung der ersten Stufe um bis zu 25% reduziert, nach Vollendung der zweiten Stufe wird sie um weitere bis zu 50% verringert. Strahlzeiten für Nachjustierungen der Spillqualität werden ebenfalls zum Teil eingespart. Insgesamt konnte durch die Spillregelung die Effizienz der Anlage deutlich gesteigert werden.
Im Rahmen dieser Arbeit wurde eine JTAG-Ansteuerung für MIMOSA26-Sensoren basierend auf FPGA-Boards entwickelt. Als VHDL-Code ist die Implementierung anpassbar. Jede JTAG-Chain wird durch einen unabhängigen JTAG-Chain-Controller angesteuert, so dass sich begrenzt durch die Zahl der I/O-Leitungen und die Ressourcen die Anzahl der JTAG-Chain-Controller auf einem FPGA einstellen lässt. Die Anpassbarkeit hat sich bereits bei der Strahlzeit am CERN im November 2012 gezeigt, für die eine Version mit drei JTAG-Chain-Controllern auf einem FPGA und Ausgängen auf einem SCSI-Kabel synthetisiert wurde. Dabei wurde die Prototyp-Frontend-Elektronik Version 1 verwendet. Außerdem ist die Größe des pro Sensor verwendeten Speichers (in Zweierpotenzen) im VHDL-Code einstellbar, um auch eventuelle zukünftige Sensoren mit größeren Registern zu unterstützen.
Aus dieser Sicht sollte die Implementierung mit kleinen Anpassungen im finalen MVD verwendbar sein, es gibt jedoch wie immer noch Verbesserungsmöglichkeiten, z.B. die Verwendung eines externen Speichers. Des Weiteren fehlt noch eine grafische Benutzeroberfläche für den finalen MVD, wobei wie bei den anderen Detektoren von CBM dazu eine Steuerung basierend auf EPICS entwickelt werden sollte, um eine einheitliche Oberfläche zu erreichen.
Auf Seiten der Elektronik für ded finalen MVD gibt es noch einige offene Fragen, vor allem bei der Entwicklung der Zuleitungen für die Sensoren. Die Signale auf den Flexprint-Kabeln zeigen bereits bei kurzen JTAG-Chains ein hohes Übersprechen (Abschnitt 9.1.2), das zu hoch werden könnte, wenn man Sensor-Module mit mehr als einem Sensor (wie für den finalen MVD geplant, siehe Kapitel 3) an das bisher verwendete Chain-FPC anschließt.. Es kann jedoch auch gut sein, dass das Übersprechen gar kein Problem darstellen wird. Prinzipiell besteht die Möglichkeit, dass sich das Übersprechen z.B. durch Einfügen einer Masseschicht in Kabel und Boards reduzieren lässt, was in Simulationen gezeigt wurde (siehe Kapitel 8). Jedoch wurden in diesen Simulationen die Steckverbinder und eventuelle Fehlanpassungen der Boards vernachlässigt, weshalb nicht sicher ist, ob bzw. wie gut sich dies praktisch umsetzen lässt. In jedem Fall stellen die betrachteten Möglichkeiten, das Übersprechen zu reduzieren, einen erhöhten Aufwand dar. Daher erscheint es sinnvoll, zuerst eine konkrete Geometrie für die Elektronik des finalen MVD zu entwerfen1, und für diese zu ermitteln, ob das Übersprechen ein Problem darstellt.
Dabei stellt sich die wichtige Frage, wie viele Sensoren auf einem Sensor-Modul mit einem einlagigen Kabel in der zur Verfügung stehenden Breite angeschlossen werden können, da mindestens vier zusätzliche Datenleitungen für jeden weiteren Sensor erforderlich sind.
In dieser Arbeit wurde der mittlere Transversalimpuls 〈pT〉 für nicht identifizierte, geladene Hadronen in pp und Pb–Pb Kollisionen bestimmt. Dazu wurden die pT -Spektren mit verschiedenen Funktionen bis pT = 0 extrapoliert. Die 〈pT〉 -Abhängigkeit wurde sowohl für die Anzahl der gemessen Teilchen nacc , als auch für die Anzahl der geladene Spuren nch gezeigt. Im Rahmen der Zentralitätsabhängigkeit wurde für periphere Ereignisse (70% bis 80 %) 〈pT〉 = 550, 1MeV/c gemessen. Der mittlere Transversalimpuls steigt bis auf 〈pT〉 = 628, 9MeV/c für Zentralitäten von 5% - 20% und verringert sich dann auf 〈pT〉 = 626, 8MeV/c für die zentralsten Kollisionen (0% - 5%) ab. Der Vergleich zu pp und Pb–Pb Kollisionen zeigte Gemeinsamkeiten für niedrige Multiplizitäten und ein sich unterscheidendes Verhalten für höhere Multiplizitäten.
Neben der Bestimmung der systematischen Unsicherheiten ist ein nächster Schritt die Unterscheidung zwischen hadronischer und elektromagnetischer Wechselwirkung für geringe Multiplizitäten in Pb–Pb Kollisionen. Eine Möglichkeit zur Unterscheidung wurde bereits mit Hilfe des ZDC gezeigt [Opp11]. Ebenfalls die Unterschiede zwischen pp und Pb–Pb betrifft eine Untersuchung der 〈pT〉 -Entwicklung für Jets und den sie umgebenden Hintergrund.
Eine allgemeine Erweiterung der Analyse stellt die Untersuchung von 〈pT〉 für identifizierte Teilchen da. Diese Analyse würde vor allem die besonderen PID Fähigkeiten von ALICE nutzen und könnte die schon beobachteten Unterschiede der NA49 Kollaboration[NA499] bei höheren Energien untersuchen
Ziel der Bachelorarbeit war es, einen Versuch für das Fortgeschrittenen-Praktikum des Instituts für Kernphysik zu konzipieren, der es ermöglicht, die Lebensdauer von aus der kosmischen Strahlung entstandenen Myonen zu bestimmen.
Dazu wurden vorhandene Komponenten auf ihre Gebrauchstauglichkeit getestet und untersucht, insbesondere in Bezug auf die Größe der Szintillatoren, ob der für einen Praktikumsversuch zeitlich gegebene Rahmen eingehalten werden kann.
Es ergaben sich einige mechanische Probleme, insbesondere bei der Verbindung der neuen, größeren Szintillatoren mit den Photomultipliern, die angegangen wurden. Die zuerst getestete Methode stellte sich jedoch als uneffektiv heraus, sodass die endgültige Lösung mit Hilfe einer neuen, computergesteuerten Fräsmaschine der Feinmechanik-Werkstatt erreicht werden soll.
Um die entstandenen Daten zu verarbeiten, wurde ein entsprechendes Programm in LabVIEW entwickelt, das die am TDC abgegriffenen Daten auf ihre Relevanz untersucht und die Ergebnisse in eine Textdatei schreibt. Das LabVIEW Front Panel wurde dabei so gestaltet, dass es den Praktikanten alle wichtigen Daten in graphisch anschaulicher Weise liefert.
Die Daten aus der Textdatei werden dann mit Hilfe eines ROOT Makros mit zwei verschiedenen Exponentialfunktionen gefittet.
In ersten Messungen ergibt sich ein Wert für die Lebensdauer der Myonen, der erstaunlich nahe am Literaturwert liegt.
Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Energiekalibration und der Effizienz zweier Niederenergie-Germaniumdetektoren, deren Energieauflösungen hier ebenfalls bestimmt werden. Die Untersuchungen werden an den γ-Spektren von 109Cd, 54Mn, 137Cs, 57Co, 133Ba, 60Co und 22Na in zwei verschiedenen Verstärkungseinstellungen vorgenommen, wobei der Abstand der Eichquellen zu dem Detektor variiert wird, um zussätzlich die Abhänngigkeit der Effizienz vom Raumwinkel sowie den Einfluss von Summeneffekten zu untersuchen. Einige der Eichquellen weisen in ihren Spektren γ-Zerfallskaskaden auf, die sich negativ auf die Bestimmung der Detektoreffizienz auswirken und somit als Eichquellen nicht optimal sind. Zusätzlich erfolgt dann ein Vergleich der Effizienzeichungen mit einer Monte-Carlo-Simulation.
Ein zentraler Bestandteil der Teilchenphysik ist die Berechnung der Zerfallsbreiten bzw. Lebensdauern von Teilchen. Die meisten bekannten Teilchen sind instabil und zerfallen in zwei oder mehr leichtere Teilchen. Die Formel für die Berechnung einer Zerfallsbreite enthält zwei verschiedene Komponenten: Die kinematischen Faktoren, die lediglich vom Anfangs- und Endzustand abhängen und aus der Energie- und Impulserhaltung folgen, und die dynamischen Faktoren, die sich aus der Art der Wechselwirkung und eventuellen Zwischenstufen ergeben. Gibt es mehrere Zerfallskanäle, die zu den gleichen Endzuständen führen, so unterscheiden diese sich nur in den dynamischen Faktoren. Aus diesem Grunde werden kinematische und dynamische Faktoren getrennt, da nur letztere für die Analyse der Wechselwirkung relevant sind.
Die kinematischen Faktoren von Zwei- und Dreikörperzerfällen haben einen fundamentalen Unterschied: Beim Zweikörperzerfall ist durch die Erhaltungssätze die Verteilung der Energien der Produktteilchen komplett festgelegt, während sie bei einem Dreikörperzerfall innerhalb bestimmter Grenzen variieren kann.
Ein Dreikörperzerfall kann auf zwei verschiedeneWeisen auftreten: Bei einem direkten Zerfall entstehen gleichzeitig alle drei Endprodukte. Bei einem indirekten Zerfall zerfällt das Startteilchen zuerst in zwei Teilchen, von denen eines stabil ist und das andere erneut zerfällt. Im Falle des indirekten Zerfalls haben die resultierenden Teilchen eine andere Impulsverteilung als bei einem direkten Zerfall, woraus sich Informationen über den Zwischenzustand gewinnen lassen.
Im ersten Kapitel dieser Arbeit widmen wir uns der expliziten Berechnung der Zerfallsbreite für die verschiedenen Fälle. Wir beschränken uns hier und in allen weiteren Rechnungen auf skalare und pseudoskalare Teilchen, bei denen keine Spineffekte auftreten.
Die Zerfallsbreite eines Dreikörperzerfalls lässt sich in einer besonders praktischen Form, dem sogenannten Dalitz-Plot, darstellen. Hierbei sind alle kinematischen Faktoren konstant und eine Darstellung der Zerfallsbreite in Abhängigkeit der entsprechenden Variablen lässt direkten Aufschluss über die Art der Wechselwirkung zu. Die Form eines Dalitz-Plots sowie dessen Interpretation ist Gegenstand des zweiten Kapitels.
Im dritten Kapitel beschäftigen wir uns kurz mit der Frage, welche Auswirkungen Prozesse höherer Ordnung auf den gesamten Zerfall haben. Hierbei beschränken wir uns auf die Betrachtung von Loopbeiträgen des Zwischenzustandes eines indirekten Zerfalls.
Im letzten Kapitel werden wir die theoretischen Betrachtungen am Zerfall eines pseudoskalaren Glueballs anwenden. Ein Glueball ist ein gebundener Zustand aus Gluonen, den Austauschteilchen der starken Wechselwirkung. Da die Gluonen aufgrund der nichtabelschen Struktur der Farbsymmetriegruppe selbst Farbladung tragen, ist es theoretisch möglich, Zustände nur aus Gluonen zu konstruieren, die farbneutral sind und damit den Regeln des Confinements entsprechen. Im Falle der betrachteten Glueballs tritt ein weiterer interessanter Effekt auf: Da es mehrere Zerfallskanäle gibt, die zum gleichen Endzustand führen, treten Interferenzeffekte auf, deren Auswirkung auf das Gesamtergebnis näher untersucht wird.