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Entwicklung von Comptondioden zur Strahlverlustdiagnose am S-DALINAC und Untersuchungen thermischer Laser-Gewebe-Wechselwirkungen am Freie-Elektronen-Laser

Schweizer, Bernd :
Entwicklung von Comptondioden zur Strahlverlustdiagnose am S-DALINAC und Untersuchungen thermischer Laser-Gewebe-Wechselwirkungen am Freie-Elektronen-Laser.
[Online-Edition]
TU Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2002)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Entwicklung von Comptondioden zur Strahlverlustdiagnose am S-DALINAC und Untersuchungen thermischer Laser-Gewebe-Wechselwirkungen am Freie-Elektronen-Laser
Language: German
Abstract:

Die vorliegende Arbeit gliedert sich in zwei unabhaengige Teile. Thema des ersten Teils ist die Entwicklung von Comptondioden zur Strahlverlust-Diagnose am S-DALINAC. Der zweite Teil befasst sich mit Untersuchungen der Laser-Gewebe-Wechselwirkung am Darmstaedter Freie-Elektronen-Laser und deren numerischer Modellierung. Durch das Prinzip der Strahlrezirkulation am S-DALINAC koennen weite Bereiche des Beschleunigers durch hochenergetische Elektronen getroffen werden. Dies fuehrt zu einer Aktivierung von Strahlfuehrungskomponenten oder ueber die erzeugte Bremsstrahlung zu einer Schaedigung elektronischer Bauteile. Lokale Bremsstrahlungskeulen fuehrten in der Vergangenheit u. A. zu Ausfaellen der Elektronenkanone. Da der Aufbau einer ausreichenden Abschirmung nicht in allen Bereichen moeglich war, ergab sich die Notwendigkeit einer Ueberwachung des Strahlungsuntergrundes in der Beschleunigerhalle. Zu diesem Zweck wurden so genannte Comptondioden als Bremsstrahlungsdetektoren entwickelt. Eine Simulation der Signalentstehung in der Comptondiode mit dem numerischen Programm FLUKA konnte bereits in der Designphase zur Optimierung der Detektorgeometrie genutzt werden. Unter Beruecksichtigung der Anforderung an eine Strahlverlustdiagnose wurde ein kompakter Detektoraufbau aus den Materialien Aluminium, PMMA (Plexiglas) und Blei mit den Maßen 162×70×70 mm^3 mit integrierter Signalwandlungselektronik realisiert. Die Eigenschaften der Comptondiode wurden in Testmessungen am S-DALINAC bestimmt. Das Signal ist bei fester Endpunktsenergie direkt proportional zum detektierten Bremsstrahlungsfluss. Die gemessenen Detektorempfindlichkeiten betragen 45.4 nA pro (Gy s^(-1)) bei einer Energie von E0 = 9.4 MeV der die Strahlung erzeugenden Elektronen sowie 3.7 nA pro (Gy s^(-1)) bei E0 = 72.0 MeV. Die Signalgroeße betraegt bei seitlicher Bestrahlung nur 60% derer unter Frontalbestrahlung. Die gemessene Abhaengigkeit der Signalgroeße von der Elektronenenergie zeigt zwischen 6.0 MeV und 9.4 MeV einen Anstieg um einen Faktor 7. In den verschiedenen Bereichen des Beschleunigers koennen unter guenstigen Bedingungen Elektronenstrahlverluste in der Groeßenordnung von 100 pA detektiert werden. Ein Vergleich der gemessenen Signale mit Simulationen ergab eine Uebereinstimmung von besser als 33%. Beim entwickelten Bremsstrahlungs-Diagnosesystem am S-DALINAC werden die Signale von bis zu 8 Comptondioden ueber BNC-Kabel aus der Beschleunigerhalle gefuehrt, ueber eine Multiplexer-ADC-Einheit digitalisiert und auf einem PC im Kontrollraum des Beschleunigers dargestellt. Die universelle Einsetzbarkeit der Comptondioden wurde weiterhin durch Messungen an der TESLA Test-Facility (TTF) am DESY und am Elektronenbeschleuniger hoher Brillanz und geringer Emittanz (ELBE) am Forschungszentrum Rossendorf demonstriert. Der Infrarotstrahl des Darmstaedter FEL wurde fuer die Ablation von Rindercornea, Rinderleber und menschlichem Knorpel bei einer Wellenlaenge von 7.0 µm eingesetzt. Bei Makropulsdauern von 2 bis 8 ms, einer Makropulswiederholrate von 31 Hz und durchschnittlichen Laserleistungen zwischen 7 und 60 mW wurden mit dem auf 140 µm Fokusdurchmesser fokussierten Strahl Ablationskavitaeten mit Tiefen zwischen 39 und 600 µm erzeugt. Die mikroskopische Auswertung erbrachte deutliche Belege fuer einen thermischen Wechselwirkungsmechanismus. Die Ablationstiefen konnten mit einem analytischen Modell verstanden werden. Um den Einfluss eines hoeheren und geringeren Absorptionskoeffizienten als im Falle der FEL-Strahlung zu untersuchen, wurden begleitende Ablationen mit einem Er:YAG-Laser (lambda = 2.94 µm) und einem Ti:Sa-Laser (lambda = 790 nm) durchgefuehrt. Die Er:YAG-Ablationen weisen eine gut definierte Geometrie mit einer um den Faktor 3 geringeren thermischen Schaedigungszone als die der FEL-Ablationen auf. Der Ti:Sa-Laser erzeugt ausgefranste Kavitaeten mit einer tiefreichenden Schaedigungszone. Eine dreidimensionale, numerische Simulation des Licht- und Waermetransports waehrend der Ablation zeigte, dass die Lichtverteilung im Falle starker Absorption sehr gut durch das Lambert-Beer-Gesetz genaehert werden kann. Auch im Fall geringer Absorption und starker Streung wie beim Ti:Sa-Laser wurden in der Verteilung des Waermeeintrags und der diffusen Rueckstreuung gute Uebereinstimmungen mit den experimentellen Befunden erzielt.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
This work is divided into two independent parts. The topic of the first part is the development of Compton diodes for beam-loss diagnosis at the S-DALINAC. The second part deals with investigations and numerical modelling of the laser-tissue interaction at the Darmstadt free-electron laser. Since the S-DALINAC uses the principle of beam recirculation, almost all parts of the accelerator can be hit by high energetic electrons. This leads to an activation of beam transport components or damages electronic components via the generated bremsstrahlung. Local bremsstrahlung cones caused for instance a breakdown of the electron gun during past beamtimes. Since the construction of a sufficient radiation shielding was not possible in all areas, it was necessary to monitor the radiation level in the accelerator vault. For this reason, so called Compton diodes were developed as bremsstrahlung detectors. A simulation of the signal generation in a Compton diode with the numerical code FLUKA could already be used in the design phase for the optimization of the detector geometry. Taking into account the specifications for a beam loss diagnosis, compact detectors made of aluminum, PMMA (plexiglas) and lead with the dimensions 162×70×70 mm^3 and an integrated signal converter circuit were built. The properties of the Compton diode were determined in test measurements at the S-DALINAC. For a given endpoint energy, the signal is directly proportional to the detected bremsstrahlung flux. The measured detector sensitivities are 45.4 nA per (Gy s^(-1)) at an energy of E0 = 9.4 MeV of the electrons converted into bremsstrahlung and 3.7 nA per (Gy s^(-1)) at E0 = 72.0 MeV. The signal strength under side irradiation is only 60% compared to a front irradiation. The measured dependence of the signal strength on the electron energy shows an increase by a factor of 7 between 6.0 MeV and 9.4 MeV. At several locations of the accelerator, electron beam losses in the order of 100 pA can be detected under favourible circumstances. A comparison of the measured signals with the simulations showed an agreement within 33%. In the bremsstrahlung-diagnosis system at the S-DALINAC, the signals of up to 8 Compton diodes are transferred via BNC cables out of the accelerator vault, converted into a digital signal with a multiplexer-ADC unit and displayed on a PC in the control room of the accelerator. The universal usability was also demonstrated in measurements at the TESLA test facility (TTF) at DESY and at the Elektronenbeschleuniger hoher Brillanz und geringer Emittanz (ELBE) at Forschungszentrum Rossendorf. The infrared beam of the Darmstadt FEL at a wavelength of 7.0 µm was used for the ablation of bovine cornea, bovine liver and human cartilage. With macropulse durations between 2 and 8 ms, a macropulse repetition rate of 31 Hz, average laser powers between 7 and 60 mW and a focus diameter of 140 µm, ablation cavities with a depth between 39 and 600 µm were generated. A microscopic analysis clearly revealed signs of a thermal interaction process. The ablation depths could be understood from an analytical model. In order to investigate the influence of a higher and lower absorption coefficient than in the case of the FEL radiation, additional ablations with an Er:YAG laser (lambda = 2.94 µm) and a Ti:Sa laser (lambda = 790 nm) were performed. The Er:YAG ablations show a well defined geometry and a thermal damage zone reduced by a factor of three compared with the FEL ablations. The Ti:Sa laser creates very irregular cavities with a large thermal damage zone. A three-dimensional numerical simulation of light and heat transport during the ablation showed that the light distribution in the case of strong absorption can be well approximated by the Lambert-Beer law. Also in the case of weak absorption and strong scattering like for the Ti:Sa laser, good agreement with the experimental results was found for the distribution of the heat deposition and the diffuse backscattering.English
Divisions: Fachbereich Physik
Date Deposited: 17 Oct 2008 09:21
Last Modified: 07 Dec 2012 11:47
Official URL: http://elib.tu-darmstadt.de/diss/000199
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-1993
License: Simple publication rights for ULB
Referees: Richter, Prof. Dr. Achim and Zilges, Prof. Dr. Andreas
Advisors: Richter, Prof. Dr. Achim
Refereed: 4 February 2002
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/199
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