@phdthesis{,
    author = {Mayerhofer, Michael },
    title = {Eine präklinische Protonen-Minibeam-Bestrahlungsanlage},
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    keywords = {Proton linac, pMBRT, proton minibeam radiotherapy, tandem linac combination, magnetic focusing, drift tube linac, copper cavity, printed cavity, 3 GHz buncher unit, selective laser melting},
    abstract = {Studien in einem Mausohrmodell, an Rattenhirnen und in in-vitro Modellen der menschlichen Haut haben gezeigt, dass die Protonen-Minibeam-Strahlentherapie (pMBRT) das Potential hat, Normalgewebekomplikationen im Vergleich zur herkömmlichen Protonentherapie zu reduzieren. Das Ziel dieser Arbeit war die Konzeption einer präklinischen Protonen-Minibeam-Bestrahlungsanlage, die es ermöglicht, weiterführende Studien in einem Kleintier-Tumormodell durchzuführen. Das Konzept der präklinischen Bestrahlungsanlage basiert auf einem Tandem-Beschleuniger, der als Injektor einen 16 MeV Protonen-Strahl liefert, dessen Energie anschließend durch einen linearen 3 GHz Nachbeschleuniger (engl.: linear accelerator (Linac)) auf 70 MeV erhöht wird. Das entspricht einer Reichweite der Protonen in Wasser von mehr als 40 mm. Der Linac besteht aus zwei Side Coupled Drift Tube Linac (SCDTL) Strukturen und vier Coupled Cavity Linac (CCL) Strukturen, welche vom für die herkömmliche Protonentherapie entwickelten All-Linac-System LIGHT (AVO-ADAM SA, Genf, Schweiz) übernommen werden. Um die Transmission durch den Linac zu erhöhen, wird der Phasenraum des Tandemstrahls mithilfe einer 3 GHz Buncher-Einheit und einem Quadrupol-Quartett auf den akzeptierten Phasenraum des Linacs optimiert. Ein stromabwärts nach dem Linac positioniertes Quadrupol-Triplett fokussiert den Protonenstrahl zu Minibeams. Strahldynamik-Simulationen zeigen, dass die Transmission durch den Linac bei einer Buncher-Amplitude von 42 kV um einen Faktor 3 erhöht wird und insgesamt 54 % aller Tandem-Protonen (Strahlstrom ca. 21 nA) in einen Strahlfleck mit einer transversalen Ausdehnung von 77 µm (FWHM) fokussiert werden. Ein Scanning-System, bestehend aus vier Dipolmagneten, das zwischen Linac und Quadrupol-Triplett positioniert ist, ermöglicht das Verfahren des Strahls über eine Fläche von 30 mm x 30 mm am Fokus. Nach der Strahlextraktion an Luft hat der maximal ausgelenkte Strahl eine transversale Ausdehnung von 204 µm (FWHM). Bei der Applikation mehrerer solcher Protonen-Minibeams mit einem Center-to-Center-Abstand von 1,2 mm wird an der Fokusebene ein Peak-to-Valley-Verhältnis von ca. 780 erreicht. So erfüllt die entwickelte präklinische Protonen-Minibeam-Bestrahlungsanlage alle Voraussetzungen für zukünftige präklinische Experimente. Weitere Simulationen zeigen, dass sich auch das kommerziell erhältliche All-Linac-System LIGHT als präklinische Protonen-Minibeam-Bestrahlungsanlage eignet. Im Falle eines bestehenden Tandem-Injektors ist die entwickelte Tandem-Linac-Kombination jedoch deutlich günstiger zu realisieren. Das einzige zusätzlich nötige Element für die Tandem-Linac-Kombination, das nicht kommerziell erhältlich ist, ist die Buncher-Einheit, weshalb im Rahmen dieser Arbeit zwei Prototypen entwickelt und gefertigt werden. Beide Prototypen beruhen auf dem Prinzip des Drift-Röhren-Linac (engl.: drift tube linac (DTL)). Ein Prototyp ist als kostengünstiges Studienobjekt konzipiert, dessen Hohlraumresonator durch Schrauben zusammengepresst wird, was eine einfache Demontage erlaubt. Der Hohlraumresonator des anderen Prototyps ist hartgelötet, um die elektrische Oberflächenleitfähigkeit zu maximieren und ein Kühlsystem zu integrieren. Die Performance der beiden Prototypen wird mit einem Q3D-Magnetspektrographen evaluiert, wobei beide die geforderte Buncher-Amplitude (42 kV) bei einer Eingangsleistung unter 800 W erreichen. Der aufwendige Hartlötprozess bei der traditionellen Herstellung war Motivation zu evaluieren, ob sich auch 3D-Druck-Verfahren zur Fertigung von Hohlraumresonatoren eignen. Ein 3 GHz DTL-Prototyp wird entwickelt und für den 3D-Druck durch selektives Laserschmelzen optimiert. Der aus hochreinem Kupfer gedruckte DTL-Prototyp erreicht einen Gütefaktor von 8750 und eine Shunt-Impedanz von 53 MOhm/m, was das große Potential von 3D-Druck-Verfahren zur Herstellung von Hohlraumresonatoren zeigt. Im Hinblick auf die stark reduzierten Herstellungskosten und die große Designfreiheit motivieren die Ergebnisse, dieses Potential für die Herstellung noch komplexerer Hohlraumresonator-Geometrien weiter zu evaluieren.},
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    school = {Universität der Bundeswehr München},
    
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