VERFAHREN UND VORRICHTUNG ZUM DETEKTIEREN UND ZäHLEN ELEKTRISCH GELADENER TEILCHEN SOWIE VERWENDUNG HIEFüR

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zum Detektieren und Zählen elektrisch geladener Teilchen und auf eine Verwendung eines derartigen Verfahrens und einer derartigen Vorrichtung.

Im Zusammenhang mit einer Detektion und Zählung elektrisch geladener, insbesondere hochenergetischer Teilchen, wie beispielsweise von Atomkernen, ist bekannt, einen Detektor in einem Teilchenstrahl anzuordnen, worauf üblicherweise eine Detektion bzw. Zählung elektrisch geladener Teilchen dadurch erfolgt, daß erhaltene bzw. ermittelte Impulsformen gegebenenfalls nach einer entsprechenden Vorverstärkung integriert werden und derart ein Integralsignal ergeben. Aufgrund der überaus hohen Zählrate in einem Teilchenstrahl, welcher beispielsweise aus einem Teilchenbeschleuniger stammt, ist es bei Anwendung einer derartigen Inte- gration zur Detektion bzw. Zählung einzelner, elektrisch geladener, insbesondere hochenergetischer Teilchen nicht möglich, eine derartige Detektion und Zählung aufgrund der hohen Teilchenanzahl online bzw. in Echtzeit durchzuführen, da dies aufgrund der Zeitauflösung von zur Verfügung stehenden Verstärkern sowie Auswerteeinrichtungen nicht durchführbar ist.

Die vorliegende Erfindung zielt darauf ab, ein Verfahren sowie eine Vorrichtung der eingangs genannten Art dahin- gehend weiterzubilden, daß trotz hoher Zählraten bei entsprechend geringen Pulsbreiten und geringen Abständen zwischen einzelnen Pulsen, welche durch die elektrisch geladenen Teilchen in einem Detektor erzeugt bzw. ausgelöst wer-

den, ein Auswertung und insbesondere Zählung elektrisch geladener Teilchen im wesentlichen online bzw. in Echtzeit vorgenommen werden kann.

Zur Lösung dieser Aufgaben umfaßt ein Verfahren zum Detek- tieren und Zählen elektrisch geladener Teilchen die folgenden Schritte :

- Bereitstellen eines Detektors zum Erzeugen eines Ladungsimpulses in dem Detektor beim Durchtritt des Teil- chens durch diesen

- Umwandeln des Ladungsimpulses in ein Stromsignal

- Abtasten des Signals mit einem insbesondere einstellbaren Zeitfenster

- Ermitteln der Differenz des Signalwerts am Beginn und am Ende des Zeitfensters

- Erhöhen eines Zählers bei überschreiten eines insbesondere einstellbaren Schwellwerts durch die ermittelte Differenz des Signalwerts am Beginn und am Ende des Zeitfensters .

Durch Vorsehen bzw. Bereitstellen eines Detektors zum Erzeugen eines Ladungsimpulses im Detektor beim Durchtritt des Teilchens sowie nach einem Umwandeln des Ladungsimpulses in ein Stromsignal erfolgt erfindungsgemäß ein Abta- sten des Signals mit einem insbesondere einstellbaren Zeitfenster, so daß es möglich wird, unmittelbar bei Einlangen eines Impulses bzw. eines daraus resultierenden, umgewandelten Stromsignals eine Auswertung vorzunehmen. Die Auswertung bzw. Detektion erfolgt erfindungsgemäß derart, daß ein Zeitfenster, dessen Breite insbesondere in Abhängigkeit bzw. in Kenntnis der zu detektierenden Teilchen einstellbar bzw. veränderbar ist, relativ zu dem ermittelten Signal vorgesehen wird, wobei jeweils am Beginn und am Ende des

Zeitfensters der Signalwert des auszuwertenden Signals bzw. Impulses und die daraus resultierende Differenz ermittelt wird. Bei überschreiten eines gegebenen bzw. einstellbaren Schwellwerts durch die ermittelte Differenz des Signals- werts am Anfang und am Ende des Zeitfensters wird eine Zählung bzw. ein Zählerstand in einem Zähler erhöht, so daß unmittelbar eine Auswertung bzw. Detektion und Zählung einzelner, elektrisch geladener, insbesondere hochenergetischer Teilchen möglich wird.

Um auch bei gegebenenfalls sehr geringen LadungsImpulsen eine ordnungsgemäße Auswertung zu ermöglichen, ist gemäß einer bevorzugten Ausführungsform vorgesehen, daß die Umwandlung des Ladungsimpulses in ein Stromsignal durch eine insbesondere mehrstufige Verstärkung erfolgt. Durch eine insbesondere mehrstufige Verstärkung wird es möglich, in Anpassung an die zu detektierenden und zu zählenden, elektrisch geladenen Teilchen bzw. deren Impulsform am Ausgang eines Detektors und in Anpassung an die Auswerteeinrichtung bzw. Auswerteelektronik eine gewünschte Verstärkung vorzusehen. Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist eine vierstufige Verstärkung vorgesehen, so daß beispielsweise insgesamt eine lineare Verstärkung eines Ladungsimpulses bis zum 10.000-fachen ermöglicht wird.

Gemäß einer weiters bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, daß das Zeitfenster zum Abtasten des Signals relativ zum Signal verschoben wird. Durch eine derartige Verschiebung bzw. Verlagerung des Zeitfensters relativ zum Signal zum Abtasten des Signals und zum Ermitteln der Differenz der Signalwerte jeweils am Beginn und am Ende des Zeitfensters an unterschiedliche Positionen eines Signals wird die angestrebte Zählung von hohen Zählraten ermöglicht.

Um sicherzustellen, daß aus den vom Detektor erhaltenen Ladungsimpulsen nach einer Umwandlung und insbesondere Verstärkung in ein Stromsignal keine Störimpulse gezählt bzw. berücksichtigt werden, wird gemäß einer weiters bevorzugten Ausführungsform vorgeschlagen, daß ein Rauschen des Detektors ohne Durchtritt von zu detektierenden bzw. zu zählenden, elektrisch geladenen Teilchen bestimmt wird und daß der Schwellwert zum Erhöhen eines Zählers auf das wenig- stens 1,5-fache, insbesondere etwa 2-fache, des Spitzenwerts des festgestellten Rauschens eingestellt wird. Eine derartige Festlegung des Schwellwerts auf das wenigstens 1,5-fache, insbesondere etwa 2- fache, des Spitzenwerts des festgestellten Rauschens ermöglicht, daß selbst bei Vorlie- gen von gegebenenfalls ähnlichen Signalformen zwischen den Impulsen bzw. den daraus resultierenden Stromsignalen der zu detektierenden, elektrisch geladenen, insbesondere hochenergetischen Teilchen als auch dem durch die Auswerteeinrichtung bzw. -elektronik induzierten Rauschen lediglich die für die Detektion der Teilchen relevanten Signale bzw. Impulse berücksichtigt und gezählt werden.

Wie oben bereits ausgeführt, gelingt es mit dem erfindungs- gemäßen Verfahren, ein Abtasten bzw. Auswerten eines Sig- nals zum Detektieren und Zählen elektrisch geladener Teilchen online bzw. in Echtzeit durchzuführen.

Für eine besonders zuverlässige Auswertung bzw. Zählung wird gemäß einer weiters bevorzugten Ausführungsform vorge- schlagen, daß das Abtasten des Signals und das Ermitteln der Differenz des Signalwerts am Anfang und Ende des Zeitfensters in einem Trigger durchgeführt wird. Durch Verwendung eines derartigen Triggers läßt sich die für die Zäh-

lung bzw. ein Erhöhen eines Zählerstands eines Zählers ermittelte Differenz des Signalwerts am Beginn und am Ende des Zeitfensters als auch die Länge bzw. Größe des Zeitfen- sters in einfacher Weise berücksichtigen.

Darüber hinaus läßt sich durch Verwendung des Triggers in vorteilhafter Weise erzielen, daß im Trigger das analoge Signal durch Erhöhen eines Zählers digitalisiert wird.

Für eine besonders einfache Einstellbarkeit bzw. Verstellbarkeit der Größe des Zeitfensters wird gemäß einer gemäß einer weiters bevorzugten Ausführungsform vorgesehen, daß das Zeitfenster durch Vorsehen einer Verzögerungsleitung zum Ermitteln des Signalwerts am Beginn und am Ende des Zeitfensters ausgebildet wird.

Zur Lösung der eingangs genannten Aufgaben umfaßt darüber hinaus eine Vorrichtung zum Detektieren und Zählen elektrisch geladener Teilchen: einen Detektor zum Erzeugen eines Ladungsimpulses in dem Detektor beim Durchtritt des Teilchens durch diesen; eine Umwandlungseinrichtung, insbesondere einen Verstärker, zum Umwandeln des Ladungsimpulses in ein Stromsignal; eine Auswerteeinrichtung zum Abtasten des Signals mit einem insbesondere einstellbaren Zeitfenster und zum Ermitteln der Differenz des Signalwerts am Beginn und am Ende des Zeitfensters; einen Zähler zum Zählen von digitalen Impulsen bei überschreiten eines insbesondere einstellbaren Schwellwerts durch die ermittelte Differenz des Signalwerts am Beginn und am Ende des Zeitfensters.

Wie bereits oben erwähnt, gelingt mit einer derartigen Vorrichtung unter Verwendung eines Detektors zur Erzeugung eines Ladungsimpulses und einer nachgeschalteten Umwandlungseinrichtung bzw. eines Verstärkers eine Auswertung und Zählung von digitalen Impulsen bei überschreiten eines insbesondere einstellbaren Schwellwerts durch die ermittelte Differenz des Signalwerts am Beginn und am Ende des Zeit- fensters .

Für ein Be- bzw. Verarbeiten kleiner Signale mit gegebenenfalls geringen Impulsbreiten wird gemäß einer bevorzugten Ausführungsform vorgeschlagen, daß die Umwandlungseinrichtung von einem insbesondere vierstufigen Hochfrequenz-Vorverstärker gebildet ist.

Wie oben bereits angedeutet, gelingt eine zuverlässige Auswertung unter Berücksichtigung des insbesondere einstellbaren Zeitfensters und zur Ermittlung der Differenz des Signalwerts bereits am Beginn und am Ende des Zeitfensters durch Verwendung einer Triggerschaltung, wobei in diesem Zusammenhang vorgeschlagen wird, daß die Auswerteeinrichtung von einer Triggerschaltung gebildet ist, wobei an Kom- paratoreingänge der Triggerschaltung eine Eingabe für die Differenz des Signalwerts am Beginn und am Ende des Zeit- fensters als auch eine Eingabe für den Beginn und das Ende des Zeitfensters angeschlossen sind, wie dies einer weiters bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung entspricht .

Zur einfachen Festlegung des einstellbaren Zeitfensters wird gemäß einer weiters bevorzugten Ausführungsform vorgesehen, daß zur insbesondere einstellbaren Festlegung des Zeitfensters eine Verzögerungsleitung vorgesehen ist.

Zur Detektion und Zählung von elektrisch geladenen, insbesondere hochenergetischen Teilchen wird gemäß einer weiters bevorzugten Ausführungsform vorgeschlagen, daß der Detektor von einem chemischen Dampfabscheidungs- bzw. CVD-Detektor, insbesondere chemischen Dampfabscheidungs-Diamant-Detektor, gebildet ist.

Während mit dem erfindungsgemäßen Verfahren sowie der er- findungsgemäßen Vorrichtung im Prinzip eine große Vielzahl von elektrisch geladenen Teilchen, insbesondere hochenergetischen Teilchen, registrierbar ist, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, das erfindungsgemäße Verfahren sowie die erfindungsgemäße Vorrichtung insbesondere zum Detektieren und Zählen von Protonen in einem Teilchenbeschleuniger oder einer Bestrahlungsanlage zu verwenden. Hiebei wird gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform vorgeschlagen, das erfindungsgemäße Verfahren sowie die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Dosismessung in einer Bestrahlungsanlage einzusetzen.

Aufgrund der erfindungsgemäß vorgesehenen Möglichkeiten einer zuverlässigen Zählung und Detektion von elektrisch geladenen, insbesondere hochenergetischen Teilchen läßt sich sowohl das erfindungsgemäße Verfahren als auch die erfindungsgemäße Vorrichtung auch zur Erfassung von hochenergetischen Protonen eines Teilchenbeschleunigers oder im Zusammenhang mit einer nachgeschalteten Bestrahlungsanlage einsetzen, wobei durch die Möglichkeiten einer Auswertung bzw. Zählung in Echtzeit bzw. online ein Einsatz beispielsweise bei Bestrahlungsbehandlungen zur Feststellung der unmittelbar eingesetzten Dosis, beispielsweise bei einer Bestrahlung von Tumoren oder dgl . , möglich wird.

Durch das erfindungsgemäße Verfahren sowie die erfindungs- gemäße Vorrichtung wird insbesondere die Möglichkeit einer linearen Verstärkung mit einer hohen Bandbreite zur Verfü- gung gestellt, wobei die Verstärkung von einer Ladung unabhängig ist und insbesondere keine änderung bzw. insbesondere Verbreiterung der Signalform während der Auswertung und insbesondere in dem zur Verfügung gestellten, beispielsweise vierstufigen Verstärker erfolgt. Es läßt sich insgesamt eine rauscharme Auswertung und Verstärkung zur Verfügung stellen, wobei durch die Digitalisierung, welche insbesondere in dem Trigger vorgenommen wird, auch eine Reduktion der Datenrate durch Zählung einzelner Impulse und damit eine Verringerung der Zählrate vorgenommen wird. Es läßt sich nachgeschaltet an die Zähleinrichtung mit einfacheren Auswerte- bzw. Aufzeichnungseinrichtungen das Auslangen finden, wobei beispielsweise eine Darstellung der Daten auf einem Personal Computer vorgenommen wird.

Weiters läßt sich zeigen, daß über einen großen Bereich einer Strahlenergie bzw. bei unterschiedlichen Energien der elektrisch geladenen Teilchen, beispielsweise Protonen, jeweils eine Effizienz der gesamten erfindungsgemäßen Vorrichtung von mehr als 90 % und bis zu mehr als 98 % bei niederen, kinetischen Energien beispielsweise von Protonen erzielbar ist.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren sowie der erfindungsgemäßen Vorrichtung gelingt eine unmittelbare Auswertung bzw. Zählung von einzelnen Protonen eines Teilchenbeschleunigers, welche gemäß bekannten Gesetzmäßigkeiten in Abhängigkeit von ihrer im Vergleich zu schwereren Atomen oder schweren Ionen geringen Ladungszahl entsprechend kleinere

Signale bzw. Ladungsimpulse in einem Detektor zur Verfügung stellen.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von in der beiliegen- den Zeichnung schematisch dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. In dieser zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Detektieren und Zählen elektrisch geladener Teilchen;

Fig. 2 eine schematische Darstellung der von einem Trigger gebildeten Auswerteeinrichtung sowie wenigstens eines Zählers der erfindungsgemäßen Vorrichtung; Fig. 3 schematische Darstellungen von drei Ausführungsfor- men eines in der erfindungsgemäßen Vorrichtung verwendeten CVD-Diamant-Detektors ;

Fig. 4 eine schematische Darstellung eines mehrstufigen Hochfrequenz-Verstärkers ; Fig. 5 eine schematische Darstellung eines Signals bzw. Ladungsimpulses zur Detektion und zum Zählen eines elektrisch geladenen Teilchens bei Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens; und

Fig. 6 im Detail eine schematische Darstellung der TriggerSchaltung zur Auswertung beim Zählen elektrisch ge- ladener Teilchen.

In Fig. 1 ist schematisch eine Vorrichtung zum Detektieren und Zählen elektrisch geladener Teilchen, insbesondere hochenergetischer Teilchen, wie beispielsweise Protonen, gezeigt, wobei ein chemischer Dampfabscheidungs- bzw. CVD-

Detektor, insbesondere ein chemischer Dampfabscheidungs- Diamant-Detektor, wie er unter Bezugnahme auf Fig. 3 noch näher erörtert werden wird, mit 1 bezeichnet ist. Nachfol-

gend auf den Detektor 1 ist eine Verstärkerschaltung 2 angedeutet, welche im Detail in Fig. 4 dargestellt ist. Nach der Verstärkerschaltung ist eine Trigger- und Zählerschaltung 3 angedeutet, welche in Fig. 2 und in Fig. 6 näher er- örtert ist. Darüber hinaus ist nach der Trigger- und Zähleinrichtung 3 eine Auswerteelektronik bzw. Ausleseelektronik mit 4 angedeutet.

Aus dem schematischen Diagramm von Fig. 2 ist ersichtlich, daß nachfolgend auf den wiederum mit 1 bezeichneten Detektor, wobei die Verstärkerstufe bzw. Verstärkerschaltung gemäß Fig. 1 nicht dargestellt ist, ein Komparator 5 vorgesehen ist, wobei der Komparator 5 nochmals im Detail in Fig. 6 dargestellt ist. Nachfolgend auf den Komparator 5 ist ein Zähler 6 sowie ein Zähler 7 vorgesehen, wobei der Zähler 6 in PECL-Technologie mit 8 Bit ausgeführt ist, während der Zähler 7 in CMOS-Technologie mit 16 Bit ausgeführt ist. Neben dem Eingang eines Ladungsimpuls- bzw. Stromsignals wird, wie aus Fig. 5 und 6 näher ersichtlich ist, dem Komparator 5 ein entsprechendes Zeitsignal bzw. Signal für ein Zeitfenster über 8 eingeben.

In Fig. 3 sind schematische Ansichten von chemischen Dampfabscheidungs- bzw. CVD-Detektoren, insbesondere che- mischen Dampfabscheidungs-Diamant-Detektoren, dargestellt. Hiebei bezeichnet der Detektor Ia einen Detektor für eine vollflächige Auswertung, der Detektor Ib bezeichnet einen Detektor für eine pixel- bzw. bildpunktförmige Auswertung und der Detektor Ic bezeichnet einen CVD-Detektor für eine streifenförmige Auflösung. Die Detektoren Ia bzw. Ib und Ic sind für die jeweils gewünschte Auswertung entweder mit einer großflächigen Elektrodenstruktur, einer pixel- oder bildpunktartigen oder streifenartigen Elektrodenstruktur

versehen, wobei bei den Detektoren Ib und Ic eine entsprechende Ortsauflösung zusätzlich ermöglicht wird.

Derartige CVD-Detektoren 1 bzw. Ia, Ib und Ic zeichnen sich dadurch aus, daß sie aus einem strahlungsfesten Material bestehen, einen hohen, spezifischen Widerstand aufweisen und entsprechend ionisierbar sind. Darüber hinaus sind sie insbesondere aufgrund ihrer dünnen und flächigen Geometrie spannungsfest, sie ermöglichen einen hohen Ladungstransport und weisen eine hohe Zeitauflösung, insbesondere von weniger als 1 ns, auf, so daß auch einzelne, elektrisch geladene, hochenergetische Teilchen bzw. Atomkerne, insbesondere Protonen, detektiert und in weiterer Folge gezählt werden können.

Bei dem in Fig. 4 angedeuteten Verstärker ist ersichtlich, daß ein insgesamt vierstufiger Hochfrequenz-Verstärker Verwendung findet, welcher insgesamt eine Verstärkung bis zu einem Faktor 10.000 ermöglicht. Weiters zeichnet sich die in Fig. 4 dargestellte Verstärkerstufe dadurch aus, daß sie breitbandig ist, so daß eine Bandbreite von wenigstens 1 GHz und günstigerweise 2 bzw. 4 bzw. 8 GHz erreichbar ist, wobei darüber hinaus eine lineare Verstärkung ermöglicht wird. Der Verstärker ermöglicht darüber hinaus eine rausch- arme Ausbildung, so daß auch kleine Signale ohne weiteres ausgewertet bzw. erfaßt werden können.

Aus Fig. 5 und 6 ist ersichtlich, daß ein mit 9 bezeichneter Ladungsimpuls, welcher aus dem CVD-Detektor 1 stammt, bzw. ein eine gleiche Form aufweisendes Stromsignal nach dem Durchtritt durch die Verstärkerschaltung dahingehend abgetastet wird, daß unter Verwendung eines einstellbaren Zeitfensters δt jeweils am Beginn und am Ende des Zeitfen-

sters der jeweilige Signalwert bzw. unmittelbar die Signal- differenz δu ermittelt wird.

Wie aus Fig. 6 ersichtlich, wird die jeweils ermittelten Signaldifferenz δu bzw. Differenz des Signalwerts am Beginn und am Ende des Zeitfensters als auch das gewählte Zeitfenster δt dem wiederum mit 5 bezeichneten Komparator eingegeben, wobei bei Erreichen bzw. überschreiten eines vorgegebenen, ebenfalls einstellbaren Schwellwerts in dem dem Kom- parator 5 nachgeschalteten Zähler eine Erhöhung eines Zähl- werts bzw. Zählerstandes vorgenommen wird.

In Fig. 5 ist darüber hinaus ein Schwellwert δu _s angedeutet, welcher beispielsweise dem Doppelten des Spitzenwerts des ermittelten Rauschens der Verstärkerschaltung, welche in Fig. 6 der übersichtlichkeit halber nicht angedeutet ist, entspricht, so daß bei überschreiten des Schwellwerts δu _s innerhalb des vorgegebenen Zeitfensters δt eine Zählung eines Teilchens erfolgt.

Die Einstellung bzw. Festlegung des Zeitfensters δt kann hiebei in einfacher Weise über eine entsprechende Delay- Line bzw. Verzögerungsleitung ausgeführt werden.

Charakteristische Daten für ein derartiges auswertbares und detektierbares Signal eines elektrisch geladenen, insbesondere hochenergetischen Teilchens, beispielsweise Protons, betragen beispielsweise eine Signalanstiegszeit von etwa 350 ps und eine Halbwertszeit von etwa 1 ns bzw. eine durchschnittliche Pulsdauer von 1,3 ns und darunter.

Vorteilhaft bei der dargestellten Ausführungsform ist, daß im Gegensatz zu bekannten Ausbildungen, bei welchen jeweils

eine Signalintegration erfolgt, unmittelbar eine Zählung online bzw. in Echtzeit einzelner, hochenergetischer, elektrisch geladener Teilchen, wie beispielsweise Protonen vorgenommen werden kann. Derartige Protonen können hiebei einen weiten Bereich einer Energieverteilung von beispielsweise 50 MeV bis mehr als 200 MeV aufweisen.

Eine derartige Zählvorrichtung bzw. ein derartiges Detek- tions- und Zählverfahren für elektrisch geladene Teilchen läßt sich günstigerweise im Zusammenhang mit Teilchenbeschleunigern oder einer Bestrahlungsanlage, beispielsweise Teilchenbestrahlungsanlagen bzw. medizinischen Beschleuniger- und Bestrahlungsanlagen, bei einer Hadron-Therapie einsetzen. Eine derartige ZählVorrichtung kann beispiels- weise zur Dosismessung eingesetzt werden, so daß unmittelbar die tatsächlich auf ein zu bestrahlendes Gewebe bzw. einen zu bestrahlenden Bereich aufgebrachte Dosis festgestellt werden kann. Hiebei ist davon auszugehen, daß aufgrund der Empfindlichkeit und Genauigkeit des eingesetzten Detektors sowie der nachfolgenden Detektions- und Auswerteschaltungen ein derartiger CVD-Detektor unmittelbar in den zur Behandlung bzw. Bestrahlung eingesetzten Strahl eingebracht werden kann, wobei durch das Anordnen des Detektors 1 im unmittelbaren Behandlungsstrahl maximal Verluste im Bereich von 1 §Ό zu erwarten sind.