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Am Teilchenbeschleuniger in Darmstadt werden die extremen Bedingungen unseres Universums im Labor erforscht. Dabei gelang es den Physikerinnen und Physikern, eine Technologie zu entwickeln, die Energie zur Teilchenbeschleunigung wiederverwendet und einspart. Der Teilchenbeschleuniger ist eingebunden in das Clusterprojekt ELEMENTS, das gemeinsam von der Goethe-Universität Frankfurt und der TU Darmstadt geleitet wird.
Das radioaktive Edelgas Radon und seine ebenfalls radioaktiven Zerfallsprodukte machen den größten Teil der natürlichen Strahlenbelastung in Deutschland aus. Trotz der Einstufung als krebserregend für Lungenkrebs wird es zur Therapie entzündlicher Krankheiten eingesetzt. Der hauptsächliche Aufnahmemechanismus ist dabei die Inkorporation über die Atmung, wobei Radon auch über die Haut aufgenommen werden kann. Radon wird dabei über das Blut im gesamten Körper verteilt und kann in Gewebe mit hoher Radonlöslichkeit akkumulieren. Die Zerfallsprodukte verbleiben jedoch in der Lunge, zerfallen dort, bevor sie abtransportiert werden können und schädigen das dortige Gewebe.
Die Lungendosis wird laut Simulationen zum größten Teil durch die kleinsten Radon-Zerfallsprodukte (< 10 nm) bestimmt, die besonders effektiv im Respirationstrakt anheften. Die erzeugte Dosis ist dabei aufgrund der inhomogenen Anlagerung der Zerfallsprodukte lokal stark variabel. In Simulationen wurden Bifurkationen als Ort besonders hoher Deposition identifiziert, wobei die experimentelle Datenlage zur Deposition kleinster Radon-Zerfallsprodukte eingeschränkt ist. Aufgrund des Anstiegs der Komplexität von Simulationen oder Experimenten wird in den meisten Betrachtungen nicht der oszillatorische Atemzyklus berücksichtigt, sondern lediglich ein einseitig gerichteter Luftstrom betrachtet. Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein experimentelles Modell entwickelt und etabliert, das die Messung der Deposition von Radon-Zerfallsprodukten ermöglicht und zwischen drei Größenfraktionen (Freie Zerfallsprodukte: < 10 nm, Cluster: 20-100 nm, Angelagerte Zerfallsprodukte: > 100 nm) unterscheiden kann. Der Luftfluss durch das Modell bildet sowohl die Inhalation als auch die Exhalation ab. Erste Experimente mit dem neu entwickelten Messaufbau konnten die aus Simulationen bekannte erhöhte Deposition der freien Zerfallsprodukte in einer Bifurkation abbilden. Die Vergrößerung des Bifurkationswinkels von 70° auf 180° zeigte lediglich einen minimalen Anstieg in der Größenordnung des Messfehlers. Der dominierende Prozess der Anlagerung der freien Zerfallsprodukte ist die Brown'sche Molekularbewegung, die unabhängig vom Bifurkationswinkel ist. Dennoch kann ein veränderter Winkel die Luftströmung und entstehende Turbulenzen verändern, wodurch die Deposition beeinflusst werden kann. Dies lässt sich jedoch mit dem hier benutzten Messaufbau nicht auflösen. Entgegen der Beobachtungen in der Literatur führte die Erhöhung der Atemfrequenz von 12 auf 30 Atemzüge pro Minute, in den im Rahmen dieser Arbeit durchgeführten Experimenten, zu keiner messbaren Veränderung der Deposition. Diese Beobachtung ist auf die Entstehung gegensätzlicher Effekte zurückzuführen. Einerseits führt eine schnellere Luftströmung zu kürzeren Aufenthaltszeiten der freien Zerfallsprodukte im Modell, wodurch die Deposition unwahrscheinlicher wird. Andererseits entstehen vermehrt sekundäre Strömungen und absolut betrachtet werden mehr Partikel durch das Modell gepumpt. Es ist davon auszugehen, dass sich diese Effekte im hier getesteten Bereich aufheben.
Als potentielle Schutzmaßnahme zur Reduktion der Lungendosis konnte im Rahmen dieser Arbeit die Filtereffzienz von Gesichtsmasken (OP-Masken, FFP2 Masken) gegenüber Radon und seinen Zerfallsprodukten bestimmt werden. Während Radon nicht gefiltert wird, wurden die freien Zerfallsprodukte fast vollständig (> 98%) und die Cluster zum größten Teil (≈ 80 %) zurückgehalten.
Radon selbst kann im gesamten Organismus verteilt werden und dort in Gewebe akkumulieren. Zur Bestimmung der Dosis wird dabei auf biokinetische Modelle zurückgegriffen. Diese sind von der Qualität ihrer Eingabeparameter abhängig, wobei beispielsweise die Werte zur Verteilung von Radon zwischen Blut und Gewebe auf experimentell gewonnenen Löslichkeitswerten aus Mäusen und Ratten beruhen. Unbekannte Werte werden von der Internationalen Strahlenschutzkommission basierend auf der Gewebezusammensetzung als gewichteter Mittelwert berechnet. In dieser Arbeit wurde die Löslichkeit in humanen Blutproben und wässrigen Lösungen verschiedener Konzentrationen der Blutproteine Hämoglobin und Albumin bestimmt. Es löste sich mehr Radon in Plasma als in Erythrozytenkonzentrat und Vollblut. Die Protein-Lösungen zeigten keine Konzentrationsabhängigkeit der Löslichkeit, sondern lediglich in hitzedenaturiertem Hämoglobin wurde eine niedrigere Löslichkeit gemessen. Basierend auf diesen Beobachtungen, sollte die These überprüft werden, ob sich die Löslichkeit einer Mischung als gewichteter Mittelwert der einzelnen Löslichkeiten berechnen lässt. Daher wurden diese in einer Mischung aus zwei Flüssigkeiten (1-Pentanol, Ölsäure) bestimmt. Die experimentell bestimmte Löslichkeit war dabei fast doppelt so groß wie der berechnete Wert. Dieser Unterschied kann dadurch zustande kommen, dass bei einer Berechnung basierend auf der Zusammensetzung die Wechselwirkungen zwischen den Lösungsmitteln vernachlässigt werden. Dies verdeutlicht die Notwendigkeit experimenteller Daten zur Verteilung und Lösung von Radon in verschiedenem Gewebe.
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.
Im Rahmen dieser Doktorarbeit werden drei Schwerpunkte behandelt: 1) Die hocheffektive Beschleunigung von Elektronen und Protonen durch die Wechselwirkung von relativistischen Laserpulsen mit Schäumen. 2) Die Erzeugung und Messung hochintensiver Betatronstrahlung von direkt laserbeschleunigten (DLA-) Elektronen. 3) Die Anwendung von DLA-Elektronen für den biologischen FLASH-Effekt mit einer rekordbrechenden Dosisrate.
Die direkte Laserbeschleunigung von Elektronen wurde durch die Wechselwirkung eines sub-ps-Laserpulses mit einer Intensität von ~ 10^19 W/cm^2 mit einem Plasma nahe kritischer Elektronendichte (NCD) untersucht. Ein sub-mm langes NCD-Plasma wurde durch Erhitzen eines Schaums mit einer niedrigen Dichte mit einem ns-Puls von 10^13-10^14 W/cm^2 erzeugt. Die Experimente wurden an der PHELIX-Anlage (Petawatt Hoch- Energie Laser für Schwerionenexperimente) in den Jahren 2019 – 2023 durchgeführt. Während der Suche nach optimalen Bedingungen für die Beschleunigung von Elektronen und Protonen wurden die Parameter des ns-Pulses variiert und verschiedene Targets verwendet. Es wurde gezeigt, dass das Plasma im Schaum gute Voraussetzungen für die Erzeugung gerichteter, ultrarelativistischer DLA-Elektronen mit Energien von bis zu 100 MeV bietet. Die Elektronen weisen eine Boltzmann-ähnliche Energieverteilung mit einer Temperatur von 10-20 MeV auf.
Optimale Bedingungen für eine effektive Beschleunigung von DLA-Elektronen wurden bei der Kombination eines CHO-Schaums mit einer Dichte von 2 mg/cm3 und einer Dicke von 300-500 µm mit einer Metallfolie erreicht. Die Gesamtladung der detektierten Elektronen mit Energien über 1,5 MeV erreichte 0,5-1 µC mit der Umwandlungseffizienz der Laserenergie von ~ 20-30%.
Außerdem wird die Beschleunigung von Protonen durch DLA-Elektronen anders verursacht als bei typischer Target Normal Sheath Acceleration (TNSA). Für die Untersuchung der lokalen Protonenenergieverteilung wurden Magnetspektrometer unter verschiedenen Winkeln zur Laserachse verwendet. Dafür wurde eine Filtermethode entwickelt, welche es ermöglicht, Spektren von Protonen mit Energien von bis zu 100 MeV zu rekonstruieren. Es wurde gezeigt, dass am PHELIX durch die Kombination von einem ~ 300-400 µm dicken CHO-Schaum mit einer Dichte von 2 mg/cm^3 und einer 10 µm dicken Au-Folie bei einer Intensität des sub-ps-Pulses von ~ 10^19 W/cm^2 und unter Verwendung eines optimierten ns-Vorpulses eine optimale Protonenbeschleunigung erreicht wurde. Es wurde ein TNSA-ähnliches Regime mit einer maximalen Cut-off-Energie von 34±0,5 MeV beobachtet. Im Vergleich dazu wurde bei der typischen TNSA unter Verwendung einer 10 µm dicken Au-Folie als Target und derselben Laserintensität eine maximale Cut-off-Energie von 24±0,5 MeV gemessen. Darüber hinaus beobachteten wir einen sehr schwachen Abfall der Protonenanzahl in Abhängigkeit von der Protonenenergie (anders als bei der typischen TNSA) und eine sehr regelmäßige Protonenstrahlverteilung in einem breiten Winkelbereich bis zu hohen Energien. Dies könnte zur Verbesserung der Qualität der Protonenradiographie von Plasmafeldern genutzt werden.
Beim DLA-Prozess (im NCD-Plasma) entsteht Betatronstrahlung durch die Oszillationen von Elektronen in quasi-statischen elektrischen und magnetischen Feldern des Plasmakanals. Um diese Strahlung zu untersuchen, wurde ein neues modifiziertes Magnetspektrometer (X-MS) konstruiert. Das X-MS ermöglicht die 1D-Auflösung mehrerer Quellen. Dank dieser Spezifikation war es möglich, Betatronstrahlung von Bremsstrahlung der ponderomotorischen Elektronen im Metallhalter zu trennen und zu messen.
Im Experiment mit einem CHO-Schaum mit einer Dichte von 2 mg/cm^3 und einer Dicke von ~ 800 µm als Target wurde die von den optimierten DLA-Elektronen erzeugte Betatronstrahlung gemessen. Bei einer Peak-Intensität des dreieckigen ns-Pulses von ~ 3·10^13 W/cm^2 und des sub-ps-Pulses von ~ 10^19 W/cm^2, welcher 4±0,5 ns gegenüber dem ns-Puls verzögert war, betrug der Halbwinkel im FWHM-Bereich des Elektronenstrahls 17±2°. Unter diesen Bedingungen war die Betatronstrahlung mit einem Halbwinkel im FWHM-Bereich von 11±2° für die Photonen mit Energien über 10 keV ebenfalls gerichtet. Die Photonenanzahl mit Energien über 10 keV wurde auf etwa 3·10^10 / 3·10^11 (gerichtete Photonen / Photonen im Halbraum entlang der Laserstrahlrichtung) abgeschätzt. Die maximale Photonenanzahl pro Raumwinkel betrug ~2·10^11 photons/sr. Die Brillanz der registrierten Betatronstrahlung erreichte ~ 2·10^20 photons/s/mm^2/mrad^2/(0.1% BW) bei 10 keV.
Die Verwendung eines Hochstromstrahls aus DLA-Elektronen für die FLASH-Strahlentherapie ermöglicht das Erreichen einer Dosis von bis zu 50-70 Gy während eines sub-ps-Laserpulses. Im Jahr 2021, während der P213-Strahlzeit am PHELIX wurde der Sauerstoffkonzentrationsabfall bei der Bestrahlung von Medien (Wasser und andere biologische Medien) mit DLA-Elektronen in Abhängigkeit von der Dosis untersucht. Die Strahlendosis wurde hierbei indirekt gemessen. Hierfür wurde eine Rekonstruktionsmethode entwickelt, die es ermöglicht, die Dosis innerhalb des „Wasser-Containers“ auf Basis von Messungen außerhalb des Containers mit einem untersuchten Medium zu ermitteln. Es wurde eine gute Übereinstimmung zwischen dem Experiment und einer Monte-Carlo-Simulation für Wasser gezeigt. Die registrierte Dosisrate erreichte einen Rekordwert von ~ 70 TGy/s.