Promotionsvortrag von Isabelle Schilling

Der Anspruch der kontinuierlichen Verbesserung der Behandlungsqualität in Protonentherapie Einrichtungen sorgt gleichzeitig für neue technische Anforderungen, vor allem an Detektorsysteme. Ein Beispiel dafür ist die Kollimation einzelner Protonennadelstrahlen. Um die erzeugten, steilen Dosisgradienten zu vermessen, werden Detektoren mit hoher räumlicher Auflösung benötigt. Des Weiteren sorgen die in der Protonentherapie üblichen Strahlströme um 2 nA für hohe Anforderungen an die Ausleseelektronik der Detektoren, wenn das Ziel der Messung die Einzelteilchenverfolgung ist. Um den wachsenden Detektoranforderungen gerecht zu werden, wird in dieser Arbeit das Wissen aus jahrzehntelanger Entwicklung für die Hochenergiephysik (HEP) auf Anwendungen in der Protonentherapie übertragen. Dafür wird der ATLAS IBL Pixeldetektors, der für die Einzelteilchenverfolgung in der Hochstrahlungsumgebung des ATLAS Experiments am LHC entwickelt wurde, für Protonenstrahlmessungen an Therapieanlagen charakterisiert. Aufgrund der Pixelierung des Detektors kann die Form einzelner Nadelstrahlen mit einer Genauigkeit in der kleineren Pixelrichtung von 28 μm bestimmt werden. Die zeitliche Information der Treffer auf dem Detektor ermöglicht die Betrachtung einzelner Nadelstrahlen gescannter Protonenfelder. Überprüfungen der Dosislinearität zeigen, dass der Detektor die Anforderung einer Ausgangsdosis-Konsistenz von ± 3 % für die tägliche Qualitätssicherung (QS) in dem gewählten Dosisbereich erfüllt. Zusätzliche Studien führen außerdem zu der konservativen Annahme, dass Trefferquoten bis zu (73, 85 ± 0, 95) clusters 25 ns , abgetastet mit einer Frequenz von 1 kHz, eine lineare Abhängigkeit zum Strahlstrom aufweisen. Die Information über die im Detektor deponierte Energie wird in dieser Arbeit zur Reichweitenverifizierung genutzt. Nach der Kalibrierung der mittleren deponierten Energien auf Referenzwerte aus der NIST PSTAR Datenbank können für Protonen, die mit einer Energie im Bereich von (30 − 44) MeV auf den Sensor treffen, die für die tägliche QS erforderlichen Reichweitendifferenzen von 1 mm unterschieden werden. Abschließend wird der Detektor zur Untersuchung der Energiedeposition von Platin-Nanopartikeln auf makroskopischer Ebene eingestezt, um ein Beipsiel für eine mögliche Anwendung zu geben. Zusammenfassend liefert diese Arbeit eine Charakterisierung des ATLAS IBL Pixel Detektors für die Anwendung in der Protonentherapie und zeigt Ansätze für die weitere Detektorentwicklung auf.