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Application of the GEMPix detector in radiation protection and particle therapy = Anwendung des GEMPix Detektors im Strahlenschutz und in der Teilchentherapie
2019
Dissertation, RWTH Aachen University, 2019
Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University
Genehmigende Fakultät
Fak01
Hauptberichter/Gutachter
;
Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2019-07-03
Online
DOI: 10.18154/RWTH-2019-07045
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/764832/files/764832.pdf
Einrichtungen
Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
GEM (frei) ; Timepix (frei) ; gaseous detector (frei) ; hadron therapy (frei) ; medical physics (frei) ; radiation protection (frei) ; radiation therapy (frei)
Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 530
Kurzfassung
Der GEMPix ist ein kleiner Gasdetektor mit hoher Ortsauflösung. Er besteht aus einem Detektionsvolumen (2.8 × 2.8 × 0.3 cm³ oder 2.8 × 2.8 × 1.2 cm³) zur Messung ionisierender Strahlung, drei GEMs (Gaselektronenvervielfacher) zur Signalverstärkung und vier Timepix ASICs (anwendungsspezifische integrierte Schaltung) mit 262,144 jeweils 55 × 55 μm² großen Pixeln. Der Detektor wird kontinuierlich mit Ar:CO₂:CF₄ (45:15:40) Gas durchspült. Vor der Untersuchung verschiedener Anwendungen wird eine detaillierte Detektorcharakterisierung durchgeführt, deren Ergebnisse vorgestellt werden - zum Beispiel Messungen mit verschiedenen Verstärkungsfaktoren. Außerdem wird eine Korrekturfunktion entwickelt, die für ein stabiles Detektorverhalten bei sich verändernden Temperatur-, Druck- und Luftfeuchtigkeitswerten nötig ist. Zwei der zahlreichen bekannten Anwendungen des GEMPix werden in dieser Arbeit detailliert untersucht. Zunächst wird ein Machbarkeitsnachweis für Messungen des ⁵⁵Fe-Gehalts in aktivierten Stahlproben aus radioaktivem Abfall erarbeitet. ⁵⁵Fe ist ein wichtiges Radionuklid im Entsorgungsprozess von Abfall, der an Forschungszentren wie dem CERN (Europäische Organisation für Kernforschung) mit beschleunigerbasierten Experimenten anfällt. Die Umrechnung der GEMPix-Signale in spezifische Aktivität wird durch Messungen mit 45 Proben zur Kalibrierung ermöglicht. Die Nachweisgrenze und die Empfindlichkeit auf den Schweizer Freigabe-Grenzwert werden untersucht. Die Empfindlichkeit ist wahrscheinlich ausreichend, jedoch ist eine detaillierte Untersuchung der Unsicherheiten vor einer Anwendung nötig. Flüssige radioaktive Quellen könnten die Kalibrierung verbessern.3D-Messungen der Energiedeposition eines Hadronenstrahls in einem Wasserphantom sind ein wichtiger Schritt hin zu einer möglichen Anwendung des GEMPix in der Qualitätssicherung in der Hadronentherapie, einer üblichen Krebstherapie. Messungen werden mit einem hierfür entwickelten System durchgeführt, das aus einemkommerziellen Wasserphantom mit motorisiertem Positionierungssystem, einer Ionisationskammer als Referenzdetektor und dem GEMPix besteht. Die gemessenen Bragg-Kurven stimmen mit Monte Carlo-Simulationen, für die der FLUKA-Code verwendet wird, für die meisten Datenpunkte innerhalb von 10% überein. Verglichen werden Messung und Simulation mit Kohlenstoffionen bei drei verschiedenen Energien. Eine größere Detektionsfläche, angepasst an das typische maximale Strahlungsfeld von 20 × 20 cm², ist für diese Anwendung nötig. Daher werden zur Zeit Ausleseoptionen basierend auf dem Timepix ASIC und anderen Methoden - wie zum Beispiel der Messung von optischen Photonen, die in den GEMs produziert werden - untersucht.The GEMPix is a small gaseous detector with a highly pixelated readout. It consists of a sensitive volume (2.8 × 2.8 × 0.3 cm³ or 2.8 × 2.8 × 1.2 cm³) to detect ionising radiation, three Gas Electron Multipliers (GEMs) for signal amplification and four Timepix Application-Specific Integrated Circuits (ASICs) with 262,144 pixels of 55 × 55 μm² area each for readout. It is continuously flushed with Ar:CO₂:CF₄ (45:15:40) gas. Before applications are investigated, a detailed detector characterisation is performed and results such as gain scans are reported. Also, a correction necessary for a stable detector response despite changes of temperature, pressure and humidity is developed. The GEMPix has found several applications two of which are investigated in this thesis. A proof-of-concept for measurements of the ⁵⁵Fe content in activated steel samples of radioactive waste is reported. ⁵⁵Fe is an important radionuclide in the elimination procedures of waste produced at facilities like the European Organization for Nuclear Research (CERN) housing accelerator based experiments. Forty-five samples are used to calibrate the GEMPix counts to specific activity. The detection limit and the sensitivity to the Swiss clearance limit are investigated. The GEMPix is potentially sensitive to the clearance limit but a detailed uncertainty study will be needed before a potential operational phase. Liquid radioactive sources could improve the calibration.3D measurements of the energy deposited by a hadron beam in a water phantom represent an important step towards a possible use of the GEMPix for quality assurance in hadron therapy, one of the main cancer treatment modalities. An integrated system is developed and consists of a commercial water phantom with a motorised positioning system, a reference ionisation chamber and the GEMPix. Bragg curves obtained with this system match Monte Carlo simulations with the Fluctuating Cascade (FLUKA) code within 10% for most data points for carbon ions of three different clinical energies. For this application, a larger sensitive area matching the typical maximum radiation field size of 20 × 20 cm² is necessary. Therefore solutions based on the Timepix ASIC and on other readout principles such as the detection of optical photons produced in the GEMs are currently under investigation.
OpenAccess: 
PDF
(additional files)
Dokumenttyp
Dissertation / PhD Thesis
Format
online
Sprache
English
Externe Identnummern
HBZ: HT020152273
Interne Identnummern
RWTH-2019-07045
Datensatz-ID: 764832
Beteiligte Länder
Germany
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