Untersuchungen zu den Reaktionen pp-->nK+Sigma+ und pp-->pK0Sigma+

Das Kuehlersynchrotron COSY im Forschungszentrum Juelich kann u.a. einen guten Protonenstrahl fuer Experimente zur Verfuegung stellen. An einem der Experimentierplaetze steht das Flugzeitspektrometer COSY-TOF. Es eignet sich hervorragend zur Untersuchung von Reaktionen, bei denen wenige Teilchen enstehen. Solange die entstehenden Teilchen einen Winkel von hoechstens 70 Grad mit Strahlachse einschliessen, werden diese nachgewiesen. Damit sind im schwellennahen Energiebereich die Flugzeit und Flugrichtung aller langlebigen Teilchen bestimmbar. Zum Nachweis kurzlebiger Teilchen gibt es einige Module im Flugzeitspektrometer zur Rekonstruktion der Flugrichtung. Die Arbeit untersucht zwei Reaktionen, bei denen Hyperonen entstehen: pp-->nK+Sigma+ und pp--> pK0Sigma+ bei einem Strahlimpuls von 2,95 GeV/c. Im schwellennahen Energiebereich liegen bisher keine (in Zeitschriften) veroeffentlichten Daten vor. Die Kenntnis der Reaktionsmechanismen sind jedoch wuenschenswert, um die physikalsiche Beschreibung in vielen Bereichen zu verbessern. Dazu gehoeren die Eigenschaften der Teilchen (Strangenessgehalt des Nukleons) und die Wechselwirkungen zwischen den Teilchen (auch in extrem dichter Materie). In dieser Arbeit werden die zur Kalibrierung des Detektors notwendigen Schritte, die vom Autor durchgefuehrt wurden, erlaeutert. Im Anschluss wird die Analyse der Daten fuer ein Experiment ausfuehrlich vorgestellt. Durch einige Bedingungen wird erreicht, dass eine (nahezu) untergrundfreie Menge der gesuchten Ereignissen vorliegt. Die Anzahl der gefundenen Ereignisse laesst fuer die Reaktion pp--> nK+Sigma+ nur die Angabe eines totalen Wirkungsquerschnittes zu. Fuer die Reaktion pp--> pK0Sigma+ wird ebenfalls der totale Wirkungsquerschnitt bestimmt. Weiterhin werden Untersuchungen zum Reaktionsmechanismus durchgefuehrt. Dadurch wird ersichtlich, dass diese Reaktion einen starken resonanten Anteil im K0Sigma-System hat. Die Analyse wird auch auf zwei andere Experimente mit COSY-TOF angewendet. Das Auftreten hoeherer Drehimpulse ist erst bei groesseren Strahlimpulsen 3,2 GeV/c zu erkennen

Ortsdosimetrie in gepulsten Strahlungsfeldern

In dem Bericht werden Methoden und Ergebnisse experimenteller Untersuchungen an verfügbaren Ortsdosisleistungsmessgeräten in Feldern gepulster, ionisierender Strahlung beschrieben. Es zeigte sich, dass die meisten Messgeräte nur erheblich eingeschränkt für die Messung dieser Art Strahlung geeignet sind. Ionisationskammern, soweit einsetzbar, stellen das geeignetste der untersuchten Messprinzipien dar. Felder gepulster Strahlung treten bei einer Vielzahl industrieller, medizinischer und wissenschaftlicher Anwendungen auf. Die Veröffentlichung richtet sich an die in diesen Bereichen tätigen Strahlenschützer

Entwicklung kompakter, gepulster Elektro-Dipolmagnete für die laserbasierte Protonentherapie

Hintergrund Die strahlentherapeutische Behandlung von Krebserkrankungen erfolgt zurzeit hauptsächlich durch eine Bestrahlung mit hochenergetischen Photonen und Elektronen aus kompakten Therapie-Linearbeschleunigern. Seltener werden auch Protonenstrahlen eingesetzt. Diese besitzen gegenüber Photonen und Elektronen vorteilhaftere physikalische und strahlenbiologische Eigenschaften, die besonders bei der Bestrahlung von tiefliegenden Tumoren in der Nähe von lebenswichtigen, strahlenempfindlichen Organen von Bedeutung sind. Die Behandlung mit Protonen erfordert jedoch sehr große und teure Bestrahlungsanlagen, weshalb es weltweit bisher nur ca. 50 solcher Anlagen an großen Zentren gibt. In den letzten Jahren wurde das völlig neuartige Prinzip der Teilchenbeschleunigung durch Hochleistungslaser soweit entwickelt, dass eine medizinische Anwendung zur Krebstherapie vorstellbar ist. Die laserbasierte Teilchenbeschleunigung verspricht deutlich kompaktere und kostengünstigere Protonenbeschleuniger, erzeugt jedoch im Unterschied zu herkömmlichen Beschleunigern sehr kurze (~ps) hochintensive Protonenpulse mit großer Strahldivergenz und breitem Energiespektrum. Im Rahmen des Verbundprojektes onCOOPtics wird die klinische Anwendbarkeit derartiger laserbeschleunigter Protonenstrahlen untersucht, was nicht nur die Entwicklung des notwendigen Laser-Teilchen-Beschleunigers, sondern auch die Entwicklung eines geeigneten Strahlführungssystems beinhaltet

Entwicklung kompakter, gepulster Elektro-Dipolmagnete für die laserbasierte Protonentherapie

Hintergrund Die strahlentherapeutische Behandlung von Krebserkrankungen erfolgt zurzeit hauptsächlich durch eine Bestrahlung mit hochenergetischen Photonen und Elektronen aus kompakten Therapie-Linearbeschleunigern. Seltener werden auch Protonenstrahlen eingesetzt. Diese besitzen gegenüber Photonen und Elektronen vorteilhaftere physikalische und strahlenbiologische Eigenschaften, die besonders bei der Bestrahlung von tiefliegenden Tumoren in der Nähe von lebenswichtigen, strahlenempfindlichen Organen von Bedeutung sind. Die Behandlung mit Protonen erfordert jedoch sehr große und teure Bestrahlungsanlagen, weshalb es weltweit bisher nur ca. 50 solcher Anlagen an großen Zentren gibt. In den letzten Jahren wurde das völlig neuartige Prinzip der Teilchenbeschleunigung durch Hochleistungslaser soweit entwickelt, dass eine medizinische Anwendung zur Krebstherapie vorstellbar ist. Die laserbasierte Teilchenbeschleunigung verspricht deutlich kompaktere und kostengünstigere Protonenbeschleuniger, erzeugt jedoch im Unterschied zu herkömmlichen Beschleunigern sehr kurze (~ps) hochintensive Protonenpulse mit großer Strahldivergenz und breitem Energiespektrum. Im Rahmen des Verbundprojektes onCOOPtics wird die klinische Anwendbarkeit derartiger laserbeschleunigter Protonenstrahlen untersucht, was nicht nur die Entwicklung des notwendigen Laser-Teilchen-Beschleunigers, sondern auch die Entwicklung eines geeigneten Strahlführungssystems beinhaltet

Dosimetry for radiobiological in vivo experiments at laser plasma-based proton accelerators

Objective. Laser plasma-based accelerators (LPAs) of protons can contribute to research of ultra-high dose rate radiobiology as they provide pulse dose rates unprecedented at medical proton sources. Yet, LPAs pose challenges regarding precise and accurate dosimetry due to the high pulse dose rates, but also due to the sources' lower spectral stability and pulsed operation mode. For in vivo models, further challenges arise from the necessary small field dosimetry for volumetric dose distributions. For these novel source parameters and intended applications, a dosimetric standard needs to be established. Approach. In this work, we present a dosimetry and beam monitoring framework for in vivo irradiations of small target volumes with LPA protons, solving aforementioned challenges. The volumetric dose distribution in a sample (mean dose value and lateral/depth dose inhomogeneity) is provided by combining two independent dose measurements using radiochromic films (dose rate-independent) and ionization chambers (dose rate-dependent), respectively. The unique feature of the dosimetric setup is beam monitoring with a transmission time-of-flight spectrometer to quantify spectral fluctuations of the irradiating proton pulses. The resulting changes in the depth dose profile during irradiation of an in vivo sample are hence accessible and enable pulse-resolved depth dose correction for each dose measurement. Main results. A first successful small animal pilot study using an LPA proton source serves as a testcase for the presented dosimetry approach and proves its performance in a realistic setting. Significance. With several facilities worldwide either setting up or already using LPA infrastructure for radiobiological studies with protons, the importance of LPA-adapted dosimetric frameworks as presented in this work is clearly underlined

Spectral and spatial shaping of laser-driven proton beams using a pulsed high-field magnet beamline

Intense laser-driven proton pulses, inherently broadband and highly divergent, pose a challenge to established beamline concepts on the path to application-adapted irradiation field formation, particularly for 3D. Here we experimentally show the successful implementation of a highly efficient (50% transmission) and tuneable dual pulsed solenoid setup to generate a homogeneous (8.5% uniformity laterally and in depth) volumetric dose distribution (cylindrical volume of 5 mm diameter and depth) at a single pulse dose of 0.7 Gy via multi-energy slice selection from the broad input spectrum. The experiments have been conducted at the Petawatt beam of the Dresden Laser Acceleration Source Draco and were aided by a predictive simulation model verified by proton transport studies. With the characterised beamline we investigated manipulation and matching of lateral and depth dose profiles to various desired applications and targets. Using a specifically adapted dose profile, we successfully performed first proof-of-concept laser-driven proton irradiation studies of volumetric in-vivo normal tissue (zebrafish embryos) and in-vitro tumour tissue (SAS spheroids) samples.Comment: Submitted to Scientific Report

Untersuchungen zu den Reaktionen pp-->nK+Sigma+ und pp-->pK0Sigma+

Das Kuehlersynchrotron COSY im Forschungszentrum Juelich kann u.a. einen guten Protonenstrahl fuer Experimente zur Verfuegung stellen. An einem der Experimentierplaetze steht das Flugzeitspektrometer COSY-TOF. Es eignet sich hervorragend zur Untersuchung von Reaktionen, bei denen wenige Teilchen enstehen. Solange die entstehenden Teilchen einen Winkel von hoechstens 70 Grad mit Strahlachse einschliessen, werden diese nachgewiesen. Damit sind im schwellennahen Energiebereich die Flugzeit und Flugrichtung aller langlebigen Teilchen bestimmbar. Zum Nachweis kurzlebiger Teilchen gibt es einige Module im Flugzeitspektrometer zur Rekonstruktion der Flugrichtung. Die Arbeit untersucht zwei Reaktionen, bei denen Hyperonen entstehen: pp-->nK+Sigma+ und pp--> pK0Sigma+ bei einem Strahlimpuls von 2,95 GeV/c. Im schwellennahen Energiebereich liegen bisher keine (in Zeitschriften) veroeffentlichten Daten vor. Die Kenntnis der Reaktionsmechanismen sind jedoch wuenschenswert, um die physikalsiche Beschreibung in vielen Bereichen zu verbessern. Dazu gehoeren die Eigenschaften der Teilchen (Strangenessgehalt des Nukleons) und die Wechselwirkungen zwischen den Teilchen (auch in extrem dichter Materie). In dieser Arbeit werden die zur Kalibrierung des Detektors notwendigen Schritte, die vom Autor durchgefuehrt wurden, erlaeutert. Im Anschluss wird die Analyse der Daten fuer ein Experiment ausfuehrlich vorgestellt. Durch einige Bedingungen wird erreicht, dass eine (nahezu) untergrundfreie Menge der gesuchten Ereignissen vorliegt. Die Anzahl der gefundenen Ereignisse laesst fuer die Reaktion pp--> nK+Sigma+ nur die Angabe eines totalen Wirkungsquerschnittes zu. Fuer die Reaktion pp--> pK0Sigma+ wird ebenfalls der totale Wirkungsquerschnitt bestimmt. Weiterhin werden Untersuchungen zum Reaktionsmechanismus durchgefuehrt. Dadurch wird ersichtlich, dass diese Reaktion einen starken resonanten Anteil im K0Sigma-System hat. Die Analyse wird auch auf zwei andere Experimente mit COSY-TOF angewendet. Das Auftreten hoeherer Drehimpulse ist erst bei groesseren Strahlimpulsen 3,2 GeV/c zu erkennen

Untersuchungen zu den Reaktionen pp-->nK+Sigma+ und pp-->pK0Sigma+

Das Kuehlersynchrotron COSY im Forschungszentrum Juelich kann u.a. einen guten Protonenstrahl fuer Experimente zur Verfuegung stellen. An einem der Experimentierplaetze steht das Flugzeitspektrometer COSY-TOF. Es eignet sich hervorragend zur Untersuchung von Reaktionen, bei denen wenige Teilchen enstehen. Solange die entstehenden Teilchen einen Winkel von hoechstens 70 Grad mit Strahlachse einschliessen, werden diese nachgewiesen. Damit sind im schwellennahen Energiebereich die Flugzeit und Flugrichtung aller langlebigen Teilchen bestimmbar. Zum Nachweis kurzlebiger Teilchen gibt es einige Module im Flugzeitspektrometer zur Rekonstruktion der Flugrichtung. Die Arbeit untersucht zwei Reaktionen, bei denen Hyperonen entstehen: pp-->nK+Sigma+ und pp--> pK0Sigma+ bei einem Strahlimpuls von 2,95 GeV/c. Im schwellennahen Energiebereich liegen bisher keine (in Zeitschriften) veroeffentlichten Daten vor. Die Kenntnis der Reaktionsmechanismen sind jedoch wuenschenswert, um die physikalsiche Beschreibung in vielen Bereichen zu verbessern. Dazu gehoeren die Eigenschaften der Teilchen (Strangenessgehalt des Nukleons) und die Wechselwirkungen zwischen den Teilchen (auch in extrem dichter Materie). In dieser Arbeit werden die zur Kalibrierung des Detektors notwendigen Schritte, die vom Autor durchgefuehrt wurden, erlaeutert. Im Anschluss wird die Analyse der Daten fuer ein Experiment ausfuehrlich vorgestellt. Durch einige Bedingungen wird erreicht, dass eine (nahezu) untergrundfreie Menge der gesuchten Ereignissen vorliegt. Die Anzahl der gefundenen Ereignisse laesst fuer die Reaktion pp--> nK+Sigma+ nur die Angabe eines totalen Wirkungsquerschnittes zu. Fuer die Reaktion pp--> pK0Sigma+ wird ebenfalls der totale Wirkungsquerschnitt bestimmt. Weiterhin werden Untersuchungen zum Reaktionsmechanismus durchgefuehrt. Dadurch wird ersichtlich, dass diese Reaktion einen starken resonanten Anteil im K0Sigma-System hat. Die Analyse wird auch auf zwei andere Experimente mit COSY-TOF angewendet. Das Auftreten hoeherer Drehimpulse ist erst bei groesseren Strahlimpulsen 3,2 GeV/c zu erkennen