Anwendungen von Eigenschaften szintillierender Gase in optisch ausgelesenen GEM-basierten Detektoren

Abstract

Starke Signalverstärkung, hohe Ortsauflösung und niedriges Materialbudget zählen neben der Anwendbarkeit in Umgebungen mit hohen Teilchenflüssen zu den wichtigsten Vorteilen von gasbasierten Detektoren und machen diese zu einer attraktiven Technologie für die Messung von Strahlung und für bildgebende Verfahren. Die Auslese von Szintillationslicht, welches während der lawinenhaften Vervielfachung von Elektronen emittiert wird, mittels moderner Bildsensoren liefert akkurate Visualisierungen der einfallenden Strahlung. Die anpassbaren Signalverstärkungsfaktoren von Strukturen wie gasbasierten Elektronenvervielfachern (GEMs) erlauben die Messung von Strahlung über einen weiten Bereich von Energien von minimal ionisierenden Teilchen bis zu niedrigenergetischen Röntgenstrahlen und stark ionisierender Strahlung. Die Szintillationseigenschaften von Gasmischungen für optisch ausgelese GEM-basierte Detektoren wurden untersucht. Die Lichtausbeute und Szintillationsspektren des emittierten Szintillationslichtes wurden in verschiedenen Konfigurationen mit unterschiedlichen Gasmischungen und elektrischen Signalverstärkungsfeldern gemessen um die optimalen Parameter für optisch ausgelesene Detektoren zu bestimmen. Optisch ausgelesene GEM-basierte Detektoren wurden über längere Zeiträume hinweg geschlossen betrieben, wobei sich die Intensität der gemessenen Signale nur minimal verminderte. Die präsentierten Untersuchungen der Szintillationseigenschaften und darauf basierender Detektorkonzepte ebnen den Weg für Anwendungen in bildgebenden Verfahren bis hin zu Kernphysik und Hadronentherapie. Optisch ausgelesene GEM-basierte Detektoren optimiert für Röntgenaufnahmen und Tomografie wurden entwickelt. Der Betrieb in einem proportionalen Bereich der Signalverstärkung und ausreichende Sensitivität zur Aufnahme einzelner Röntgenstrahlen ermöglichten die Aufnahme von Röntgenfluoreszenz und die darauf basierende Unterscheidung verschiedener Materialien mit 2D Auflösung. In Verbindung mit Interaktionszeitinformationen, welche von schnellen Photonendetektoren oder von ergänzenden elektronischen Ausleseverfahren stammen können, wurden Teilchenbahnen in einer optisch ausgelesenen Zeitprojektionskammer (TPC) aufgenommen und zu 3D Repräsentationen rekonstruiert. Eine optisch transparente, segmentierte Anode wurde entwickelt um die simultane Anwendung von optischen und elektronischen Ausleseverfahren zu erlauben und die Rekonstruktion von komplexen Teilchenbahnen in der optisch ausgelesenen TPC zu ermöglichen. Ein planisphärischer GEM-basierter Detektor mit radial fokussierten Feldlinien im aktiven Detektionsvolumen wurde entwickelt um Parallaxe zu minimieren und die deutlich verbesserte Ortsauflösung von Detektoren mit dicken Detektionsvolumen basierend auf diesem Konzept für Anwendungen in der Röntgenfluoreszenzanalyse und Kristallographie wurde demonstriert. Die gute Ortsauflösung, welche mit optischer Auslese erreicht werden kann, und das niedrige Materialbudget gasbasierter Detektoren wurden für einen Detektor für Protonenstrahlen kombiniert. Die Möglichkeiten der Aufnahme von 2D Profilen der deponierten Dosis sowie der Beobachtung der Profile und Intensität von Protonenstrahlen wurden in einer klinischen Einrichtung für Protonentherapie demonstriert.

Strong signal amplification, high achievable spatial resolution and low material budget as well as applicability in high-rate environments as key advantages of micropattern gaseous detectors make them an attractive candidate for radiation detection and imaging. Reading out scintillation light emitted during electron avalanche multiplication with modern imaging sensors provides accurate visualisations of incident radiation. The adjustable gain of amplification structures such as Gaseous Electron Multipliers (GEMs) enables radiation detection over a wide range of energies from minimum ionising particles to single low-energy X-ray photons and highly ionising radiation. Scintillation characteristics of gas mixtures for optically read out GEM-based detectors were investigated. Light yield and scintillation spectra of the emitted scintillation light in a range of operating conditions with variable amplification fields and different gas mixtures were studied to determine optimum operation conditions for optically read out detectors. Long term sealed mode operation of optically read out GEM-based detectors was achieved with a minimal degradation of signal strength. The presented gas scintillation studies and detector concepts based on optically read out GEMs effectively pave the way for applications ranging from radiation imaging to high energy physics and hadron therapy. Optically read out GEM-based detectors optimised and employed for X-ray radiography and tomography were developed. Operating in a proportional high-sensitivity regime, single X-ray photon sensitivity could be used for X-ray fluorescence imaging and material distinction with 2D resolution. Augmenting images of particle tracks with timing information, which can be obtained with fast photon detectors or complementary electronic readout, 3D reconstructed trajectories in an optically read out Time Projection Chamber (TPC) could be obtained. A transparent multi-pad anode was developed to combine simultaneous optical and electronic readout to extend the track reconstruction capabilities of optically read out TPCs. A planispherical GEM-based detector employing radially focused field lines in the conversion volume to minimise parallax-induced broadening was developed and shown to permit significantly improved spatial resolution for X-ray fluorescence applications of gaseous detectors with thick conversion layers. Taking advantage of the high spatial resolution achievable with optical readout and the low material budget of gaseous detectors, a proton beam monitoring detector was developed. 2D dose imaging as well as accurate beam profile and intensity monitoring were demonstrated at a clinical proton therapy facility.