W rozprawie zaprezentowano koncepcję budowy i realizację systemu diagnostyki i monitorowania wiązki cząstek produkowanej przez akcelerator w oparciu o krzemowy detektor mozaikowy MIMOTERA o wysokiej rozdzielczości pozycyjnej <150μm oraz czasowej <100μs. Promieniowanie jonizujące produkowane w akceleratorach i formowane do postaci wiązki, ma szerokie zastosowanie m.in. w fizyce cząstek elementarnych, medycynie (radioterapia protonowa i jonowa), biologii (badania odporności komórek), nauce o materiałach czy implantacji jonów. Szeroki zakres zastosowań odpowiada różnym własnościom monitorowanej wiązki pod względem rodzaju promieniowania, energii, natężenia (dawki), pola powierzchni itp. Z drugiej strony, ze względu na bezpieczeństwo pacjenta, precyzję procesu naświetlania czy dokładność procesu implantacji system monitorujący powinien dostarczać informacji w czasie rzeczywistym.
Dla celów monitorowania podstawowych parametrów wiązki promieniowania tj. pozycji i profilu (jednorodności), natężenia i dawki czy struktury czasowej obecnie stosuje się najczęściej odrębne urządzenia, których czas odpowiedzi czy precyzja pomiaru często nie są wystarczające. Koncepcja zintegrowanego systemu, który dostarcza precyzyjne informacje o w/w własnościach wiązki promieniowania w czasie rzeczywistym została przedstawiona w niniejszej pracy.
Pierwsza część rozprawy dotyczy problematyki zastosowań promieniowania jonizującego, urządzeń do jego produkcji (akceleratorów) oraz zagadnienia monitorowania parametrów wiązki. W jej drugiej części przedstawiona została konstrukcja i budowa systemu detekcyjnego DBM (Direct Beam Monitor) opartego o detektor mozaikowy CMOS oraz System Akwizycji Danych - SUCIMA Imager. W części eksperymentalnej przedstawiono rezultaty rzeczywistych pomiarów z promieniowaniem jonizującym różnego typu (protony, antyprotony, jony 12C6+) w szerokim zakresie energii oraz natężeń.
In the dissertation a concept and design of an accelerator beam diagnostic and monitoring system is presented. Its practical realization is based on a unique CMOS MAPS (Monolithic Active Pixel Sensor) MIMOTERA detector with a spatial resolution <150μm and time granularity <100μs (10kHz frame rate). Ionizing radiation formed into a particle beam has a wide range of applications in particle physics, nuclear medicine (proton- and ion-therapy), biology, material sciences, ion implantation techniques etc.
Peculiar ionizing radiation applications often require different beam parameters in terms of radiation quality, energy, intensity (dose), radiation field etc. On the other hand the patient's safety, high dose conformity and uniformity put as well high requirements on the system speed and often require real time operation.
Nowadays to monitor different beam parameters as: profile (uniformity) and position, intensity and dose or a time beam structure, separate devices are frequently used, often not providing required information in real time and/or with enough precision. The concept of a general purpose system with combined functionality, capable of dealing with profile, intensity and timing beam measurements is presented in the dissertation. Applicability issues of ionizing radiation and a survey of an accelerator machines producing therapeutic or research oriented beams of different characteristics are presented in the introductory part. It is followed by a beam monitoring challenges and requirements description of the state-of-the-art technologies. The main part of the dissertation is devoted to a design and construction of a DBM (Direct Beam Monitor) prototype, equipped with dedicated MIMOTERA detector and specially developed Data Acquisition System - SUCIMA Imager. An experimental part presents results of measurements performed with different radiation qualities (protons, antiprotons and heavier ions) over wide energy and intensity ranges.
