title: Investigation of ultra fast silicon detectors for ion imaging methods
Creators: name: Ruckerbauer, Manuel
Publisher: name: TU Wien
Year: 2021
Subjects: subject: MedAustron
subject: proton-CT
subject: LGAD

description: MedAustron ist eine neue medizinische Einrichtung, in der Krebspatienten mithilfe von Teilchenstrahlung erfolgreich behandelt werden. Für die Bestrahlungsplanung werden bildgebende Verfahren verwendet, um ein 3D-Bild des Tumors und dessen umliegendes Gewebe zu erstellen. Die Erstellung dieser Bilder wird zurzeit mittels Computer Tomo- graphie (CT), also mit Röntgenstrahlung durchgeführt. Aufgrund der unterschiedlichen Wechselwirkung mit Materie durch Photonenstrahlung als Bildgebung und der Teilchenstrahlung zur Behandlung gibt es Unsicherheiten bei der Genauigkeit der Bestrahlung. Wenn man die Bildgebung nun auch mit Teilchenstrahlung durchführen könnte, wäre die Behandlung von Tumoren aufgrund höherer Genauigkeit medizinisch erfolgreicher. Ionen-Computer-Tomographie bzw. Protonen-Computer-Tomographie (pCT) sind sol- che bildgebenden Verfahren an denen zurzeit geforscht wird. Dabei werden Protonen (oder Ionen) mit viel höherer Energie als bei der Strahlentherapie durch den Patien- ten geschickt und verlieren durch die Wechselwirkung mit der Materie an Energie. Die Restenergie und die Ablenkung der Teilchen werden gemessen, um den Energieverlust entlang des Pfades zu rekonstruieren. Dafür werden einerseits ein Kalorimeter zur Energiebestimmung und sogenannte Tracking Detektoren für das Messen der Ablenkung der Teilchen benötigt. In dieser Arbeit wurde die Messung der Restenergie über ein Time- of-flight Kalorimeter durchgeführt, welches auf neuartiger Halbleiterdetektortechnologie basiert. In solch einem Messaufbau kann die benötigte Restenergie indirekt über eine Messung der Zeit erfolgen, die das durchtretende Teilchen für eine bestimmte Strecke benötigt. Diese Zeit wird von LGADs (Low Gain Avalanche Detector) gemessen, die aufgrund ihrer verbesserten Zeitauflösung aktuell gerade für den Einsatz für das CMS Experiment am CERN vorbereitet werden. Das Ziel dieser Diplomarbeit ist die Charak- terisierung und die Optimierung dieser Silizium Detektoren für bildgebende Verfahren in der medizinischen Anwendung.
description: MedAustron is a new medical facility in which cancer patients are successfully treated by the use of irradiation with charged particles. For the treatment planning, medical imaging methods are used to establish a 3D image of the tumor volume and its surroundings. Currently, conventional computer tomography (CT) based on X-rays is used. Due to the different interaction mechanisms of X-rays and charged particles, uncertainties are introduced. An imaging modality based on the same charged particles could reduce these uncertainties and, as a consequence, results in a higher medical success. Such an imaging process is referred to as proton- or ion-CT. Here, protons (or ions) with energies well above the ones used for treatment pass through the patient and lose energy in the process. The residual energy and deflection of the particles are then measured to reconstruct the energy loss along the traversed path. Tracking detectors are used to measure the direction of the traversing particle and the energy is obtained by a calorimeter. In this work, the use of a time-of-flight calorimeter based on a novel semiconductor detector technology is investigated. In such a setup, the residual energy is measured indirectly by the time a particle needs to pass a fixed distance. The duration of the process is then measured by ultra fast silicon detectors, often referred to as Low Gain Avalanche Detectors (LGAD), which are currently being prepared for use at CERN’s CMS experiment. The aim of this master thesis is to characterize and optimize a time-of-flight setup for pCT, based on the above-mentioned silicon detectors.