In dieser Arbeit wird eine Analyse der TeV gamma-Strahlung in der Region um den galaktischen Sternhaufen Westerlund 2 präsentiert. Der dazu analysierte Datensatz beruht auf Observationen mit den Cherenkov Teleskopen des High Energy Stereoscopic System (H.E.S.S.) Experiments und umfasst ~80h Beobachtungszeit. Für die Datenanalyse wird die open-source Software gammapy benutzt, um morphologische und spektrale Modelle der gamma-Emission zu erstellen. Zur Modellauswahl wird das Akaike-Informationskriterium angewandt. Die Ergebisse der Analysen werden weiter mit Daten aus anderen Wellenlängenbereichen kombiniert, um Schlüsse auf den möglichen Ursprung der TeV-Signale zu ziehen. Neben Hinweisen auf eine diffuse gamma-Emission und mehrerer Hotspots um Westerlund 2 ist die Detektion von drei ausgedehnten gamma-Strahlungsquellen das Hauptergebnis der dargelegten Analysen. Zusätzlich zu den bekannten Quellen HESS J1023-575 und HESS J1026-582 wird die Detektion einer neuen, elliptischen Quelle südöstlich von HESS J1023-575 präsentiert. Diese neue Quelle, als ''TeV jet cloud'' bezeichnet, zeigt räumliche Übereinstimmung mit länglichen Gaswolken, die in CO und HI Radio Daten gefunden wurden. Der Ursprung dieser Gaswolken könnte der Jet eines Mikroquasars oder einer anisotropischen Supernova sein. Eine weitere räumliche Übereinstimmung zeigt HESS J1023-575 mit einer sphärischen Gaswolke, die ihren Ursprung in einer Supernova haben könnte. HESS J1023-575 und die Gaswolken sind dabei symmetrisch zur Hauptachse der neuen elliptischen gamma-Quelle ausgerichtet, was eine Verbindung der Komponenten in einem hadronischen Emissionszenario nahelegt. Aus den Wolkenmassen und der gamma-Emission ergibt sich eine Verstärkung der kosmischen Strahlung in der Region, was auf aktive Teilchenbeschleunigung hindeutet. Sollte ein Mikroquasar in der Region gefunden werden, könnte dieses die erste Detektion eines galaktischen hochenergetischen Jets mit Cherenkov Teleskopen sein. / This work presents a study of the TeV gamma-ray emission in the region of the stellar cluster Westerlund 2. The main dataset analysed in this work was obtained with the imaging atmospheric Cherenkov telescopes of the High Energy Stereoscopic System (H.E.S.S.), comprising a total of ~80h of observation time. The high-level analysis of the dataset is performed with the open-source software gammapy to produce extensive spectral and spatial models for the observed emission. The best-fitting models are determined by using the Akaike information criterion. The results are combined with findings from other wavelengths to probe different emission scenarios. Besides hints of a diffuse emission and the detection of multiple hotspots, the presented studies yield three extended gamma-ray sources around Westerlund 2. Besides the known sources HESS J1026-582 and HESS J1023-575, an elongated elliptical gamma-ray source referred to as ''TeV jet cloud'' is newly found to the south east of HESS J1023-575. It shows a spatial coincidence with elongated cloud structures seen in CO and HI radio data which may originate from a high energy jet of a mircroquasar or an anisotropic supernova. Another spatial agreement is seen between HESS J1023-575 and a spherical shell of hydrogen gas which may be the remains of an old supernova remnant. HESS J1023-575 and the gas cloud structures symmetrically align along the major axis of the TeV jet cloud. This suggests a connection of these components in a hadronic emission scenario. Combining the masses of the clouds with the measured gamma-ray flux yields a high cosmic ray enhancement factor, suggesting active particle acceleration in the region. If a microquasar would be found around the best-fit position of HESS J1023-575, this could be the first detection of a galactic high energy jet at TeV energies with Cherenkov telescopes.

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit zwei Aspekten der Gammastrahlungsastronomie. Einerseits studiert sie die Anforderungen an das zukünftige CTA-Observatorium für Gammastrahlung und präsentiert insbesondere Abschätzungen der Datenmengen, die während des Betriebs des Observatoriums anfallen werden. Für das größere CTA-Teleskopfeld auf der Südhalbkugel werden demnach eine Triggerate von 13 kHz und Datenraten von bis zu 2500 MB/s erwartet. Unter der Annahme, dass 15% der Zeit für Beobachtungen genutzt werden können, ergibt sich in 15 Jahren ein Datenvolumen von bis zu 165 PB. Die Implementation eines entsprechenden Systems zur Datenerfassung und -speicherung stellt eine Herausforderung dar, die jedoch mit existierenden Technik bewältigt werden kann. Andererseits befasst sie sich mit dem Supernovaüberrest RX J0852.0-4622 (auch bekannt als Vela Junior), präsentiert die Ergebnisse einer Analyse von Daten, die mit dem H.E.S.S.-Experiment genommen wurden, und geht der Frage nach, ob RX J0852.0-4622 ein kosmischer Teilchenbeschleuniger ist. Dabei erlauben die präzisen Messungen eine im Vergleich zu früheren Veröffentlichungen verbesserte Bestimmung der Eigenschaften der emittierenden Teilchenpopulation. Es ergibt sich, dass das Energiespektrum von RX J0852.0-4622 ein Potenzgesetz ist, das zu hohen Energien hin mit einer Abschneideenergie von 7.2 TeV exponentiell unterdrückt wird. Abschließend wird anhand von Simulation gezeigt, dass CTA die Abschneideenergie von RX J0852.0-4622 signifikant besser bestimmen können wird. Diese genauere Vermessung des Energiespektrums sollte dazu beitragen, den hadronischen oder leptonischen Charakter der Emission aufzuklären. / This work focuses on two different aspects of gamma-ray astronomy. On the one hand, it studies the instrumental challenge posed by the future CTA Observatory by estimating the amount of data to be collected. Based on an analysis of simulated data, the more demanding southern array is expected to have an array trigger rate of 13 kHz, a data rate of up to 2500 MB/s and a data volume after 15 yr of operation and assuming a duty cycle of 15% of up to 165 PB. The design of the data acquisition and storage systems will be a challenge but should be manageable with existing technologies. On the other hand, it studies supernova remnants, by presenting analysis results of the gamma-ray data of the RX J0852.0-4622 supernova remnant (commonly known as Vela Junior) measured with the operating H.E.S.S. experiment and interpreting them in order to check the plausibility of RX J0852.0-4622 being a cosmic ray accelerator. The more precise measurements permit a better determination of the parent particle population properties with respect to previous publications. More precisely, a clear curvature of the spectrum of RX J0852.0-4622 is measured with an exponential energy cut-off at 7.2 TeV. Finally, the analysis of simulated data shows that CTA should be able to significantly improve the determination of the spectral energy cut-off of RX J0852.0-4622, which should help in identifying the nature of the gamma-ray emission.

In dieser Doktorarbeit wurden im Rahmen des MAGIC Experimentes neue Datenanalysemethoden implementiert, die sich insbesondere fuer die Analyse von Ereignissen niedriger Gammastrahlungsenergie eignen. Die Methoden konnten erfolgreich in Monte Carlo Studien getestet und auf Beobachtungsdaten des Krebsnebels und der extragalaktischen Gammastrahlungsquelle PG1553+113 angewandt werden. Diese Methoden reichen von ''image cleaning'' Techniken und der Nutzung neuer Bildparameter bis zu fortgeschrittenen g/h-Separations- und Energieabschaetzungsverfahren. Zum ersten Mal wurden die Vorteile von Klassifikations- und Regressionsbaeumen in der Gamma-Astrophysik ausgenutzt, um existierende klassische Methoden zu verbessern. Die Analyse - getestet an Monte Carlo Daten - bewies ihre Zuverlaessigkeit bei der Untersuchung der Gammastrahlungsemission des Krebsnebels, wobei ein hochsignifikanter Exzess im Energiebereich unterhalb 100 GeV in nur 1.7 h nachgewiesen werden konnte. Die Analyse von Daten des BL Lac Objekts PG1553+113 ergab signifikante Exzesse fuer Beobachtungen in den Jahren 2005 und 2006. Das kombinierte alpha-Histogramm zeigt ein Signal mit einer Signifikanz, die 8 sigma ueberschreitet. Bei der weiteren Analyse konnte ein differentielles Energiespektrum fuer die kombinierten Daten aus den Jahren 2005 und 2006 erstellt werden. Der integrale Fluss oberhalb von 200 GeV wurde wie folgt bestimmt: F(> 200 GeV) = (1.7+-0.3) 10^(-12)/(cm^2 s), der spektrale Index betraegt Gamma = 3.6+-0.3. Dieses Spektrum konnte daraufhin verwendet werden, um die (unbekannte) Rotverschiebung von PG1553+113 auf z / In this thesis new data analysis methods for the MAGIC experiment were implemented, which are especially suited for the investigation of low energy gamma-ray events. They were successfully tested by means of Monte Carlo studies and applied to observational data of the Crab Nebula and of the extragalactic gamma-ray source PG1553+113. These methods extend from image cleaning techniques and the utilization of new image parameters to sophisticated g/h-separation and energy estimation approaches. For the first time in gamma-ray astrophysics the advantages of classification and regression trees were exploited in order to improve existing `classical'' methods. The analysis procedure - tested on Monte Carlo data - was demonstrated to be reliable in the investigation of the Crab Nebula gamma-ray emission yielding a significant excess in the energy range below 100 GeV in only 1.7 h observation time. The analysis of data taken on the BL Lac PG1553+113 yielded significant excesses for both years 2005 and 2006. The combined alpha histogram shows a signal in excess of 8 sigma. In the further analysis a spectrum could be derived for the combined data sets of 2005 and 2006. The integral flux above 200 GeV could be derived as F(> 200 GeV) = (1.7+-0.3) 10^(-12)/(cm^2 s), the power-law index was measured to be Gamma = 3.6+-0.3. This spectrum was used to constrain the redshift z of PG1553+113 with the result z

Diese Arbeit berichtet über die Suche nach gepulster und ungepulster hochenergetischer (VHE) Gammastrahlung mit dem High Energy Stereoscopic System (H.E.S.S.) im Energiebereich von 100 GeV bis 100 TeV von drei Pulsaren. Gepulste VHE Gammastrahlung wurde bisher nur fuer den jungen Krebspulsar gefunden. Eine besondere Gruppe von Pulsarwindnebeln (PWN) sind die zusammengesetzten Supernovaüberreste (SNR), bei denen sich ein PWN im Zentrum einer expandierenden SNR Schale befindet. Die Resultate der Suche nach gepulster und ungepulster VHE Gammastrahlung von zwei Millisekundenpulsaren, PSR J0437-4715 und PSR J1824-2452, werden im ersten Teil dieser Arbeit vorgestellt. Teile der Beobachtungen wurden in einer speziellen Triggerkonfiguration (dem Topologischen Trigger mit konvergenter Ausrichtung) durchgeführt, um die Energieschwelle des Instruments zu senken. Kein Hinweis auf gepulste oder ungepulste Emission wurde gefunden und obere Grenzen auf den gepulsten und ungepulsten Fluss wurden bestimmt. Die oberen Grenzen auf den gepulsten Fluss werden mit bestehenden Modellvorhersagen verglichen und erlauben für PSR J1824-2452 den Bereich möglicher Geometrien in einigen Modellen einzuschränken. Die Resultate der Suche nach gepulster und ungepulster VHE Gammastrahlung aus der Richtung des zusammengesetzten SNR Kes 75 werden im zweiten Teil dieser Arbeit präsentiert. Der PWN im Zentrum von Kes 75 wird von einem sehr jungen und energiereichen Pulsar, PSR J1846-0258, angetrieben, der ein aussergewöhnlich starkes Magnetfeld besitzt. Während kein Hinweis auf gepulste Strahlung gefunden wurde, konnte ungepulste Emission von VHE Gammastrahlung von einer Punktquelle mit einer statistischen Signifikanz von 10 sigma nachgewiesen werden. Die VHE Gammastrahlung ist räumlich koinzident mit dem PWN und mit der SNR Schale. Beide werden als mögliche Quelle für die beobachtete Emission diskutiert. Der Pulsar von Kes 75 wäre der jüngste bisher bekannte Pulsar, der einen Pulsarwindnebel antreibt. / This work reports on the search for pulsed and steady very-high energy (VHE) gamma-ray emission in the energy range extending from 100 GeV up to 100 TeV from the direction of three pulsars with the High Energy Stereoscopic System (H.E.S.S.). Pulsed gamma-ray radiation from pulsars with energies beyond 100 GeV was found thus far only for the young and energetic Crab pulsar. A special class of pulsar wind nebulae (PWNe) is associated with composite supernova remnants (SNRs) where the PWN is centered in an expanding SNR shell. In the first part of this thesis, the results on the search for pulsed and steady VHE gamma-ray emission from the two millisecond pulsars, PSR J0437-4715 and PSR J1824-2452, are presented. Parts of the observations were conducted in a special trigger setup (the topological trigger with convergent pointing) to reduce the energy threshold of the instrument. No signal of pulsed or steady emission is found and upper limits on the pulsed and steady gamma-ray flux are derived. The upper limits on the pulsed gamma-ray flux are compared to existing model predictions and, in the case of PSR J1824-2452, allow the range of possible viewing geometries in some models to be constrained. In the second part of this work, results on the search for pulsed and steady VHE gamma-ray emission from the direction of the composite SNR Kes 75 are presented. The PWN in the center of Kes 75 is powered by a very young and powerful pulsar, PSR J1846-0258, that has an exceptionally high magnetic field. While no hint for pulsed emission is found, steady VHE gamma-ray emission is detected with a statistical significance of 10 sigma from a point-like source. The VHE gamma-ray emission is spatially coincident with the PWN and the SNR shell. Both are discussed as a possible origin for the observed emission. The pulsar of Kes 75 would be the youngest pulsar known to date to power a VHE PWN.

Schwerpunkt dieser Arbeit ist die Emission von hochenergetischer Gammastrahlung aus Aktiven Galaxienkernen, anhand von Beobachtungen mit den MAGIC Teleskopen. Aktive Galaxien entstehen durch die Freisetzung von Gravitationsenergie der Stellarmaterie, die in das zentrale Schwarze Loch fällt. Zwei diametral entgegengesetzte Jets strömen aus dem Kern. Falls einer von diesen Jets zum Beobachter zeigt, wird der aktive Galaxienkern als Blazar bezeichnet. In dieser Doktorarbeit wird die Analyse der MAGIC Beobachtungen von drei Blazaren präsentiert: der bisher unbekannte hochenergetische Blazar 1ES 1727+502 und die bekannten Objekte 3C 279 und PKS 1510-089. Die Quelle 1ES 1727+502 gehört zu der Unterklasse der BL Lac Objekte, die die zahlenmässig größte Klasse an extragalaktischen hochenergetische Objekten ist. Diese Entdeckung beweist, wie wichtig es ist, mehrere und verschiedene Kriterien für die Auswahl von Objekten zu benutzen. Der Blazar 1ES 1727+502 wurde aus einem X-ray Katalog ausgesucht, die Datennahme war unabhängig von dem Aktivitätsstatus der anderen Energiebänder. Die Blazare 3C 279 und PKS 1510-089 gehören zu der Unterklasse des Flat Spectrum Radio Quasars. Es gibt nur drei bekannte Flat Spectrum Radio Quasare. Die Entdeckung von Flat Spectrum Radio Quasaren ist schwierig, weil im leisen Zustand der hochenergetische Fluss niedrig ist. Während eines Flares steigt der Fluss in sehr kurzer Zeit um mehrere Größenordnungen an, deswegen ist die Beobachtung eines Flares schwer zu realisieren aber physikalisch äußerst interessant. Die MAGIC Beobachtungen sind mit Messungen aus anderen Energiebändern kombiniert. Mögliche Interpretationen des beobachteten Verhaltens werden diskutiert. Die Ergebnisse werden erläutert und mit historischen Beobachtungen verglichen. Die offenen Fragen und Probleme, die Ziel zukünftiger Studien sein sollen, werden am Schluss hervorgehoben. / This PhD thesis addresses the problem of understanding the very high energy emission from active galactic nuclei as detected with the MAGIC telescopes. Active galactic nuclei are galaxies powered by the release of gravitational energy of stellar material falling into a black hole, located in their core. Two opposed jets extend from the central region outwards, if one of the them points towards the observer, the source is called a blazar. In this thesis the analysis of MAGIC observations of three different blazars is presented: the newly discovered very high energy blazar 1ES 1727+502, and the two known objects 3C 279 and PKS 1510-089. The source 1ES 1727+502 belongs to the subclass of BL Lac objects, the most numerous class of extragalactic very high energy emitters. This source was selected for observations from an X-ray catalogue and was observed even if no high activity states were reported at lower energies. For this reason, this discovery proves the importance of using several criteria for the selection of very high energy observation targets. The other two objects, 3C 279 and PKS 1510-089, belong to the subclass of flat spectrum radio quasars. We count only three representatives of this class in the very high energy domain. Their detection is critical because during quiescent states they have low flux levels at very high energies. During flaring states, flat spectrum radio quasars exhibit flux enhancements of orders of magnitudes and short time scales. Observations during such states, difficult to catch, are interesting because extreme processes are taking place. Very high energy observations of these three objects are complemented with measurements at lower energies and interpretations of the observed behaviours are discussed. The results are compared with historical observations, highlighting open questions and problems which should be addressed by future studies.

Kernthema der Dissertation ist die Weiterentwicklung von Kohle-Online-Messtechniken zur kontinuierlichen Bestimmung, das Brennstoffverhalten in Kraftwerkskesseln beeinflussender anorganischer Kohleinhaltsstoffe im Rheinischen Braunkohlerevier, die geologisch bedingt, natürlichen Schwankungen unterliegen. Im Rahmen dieses Vorhabens wurden die Gammastrahlenabsorptionsverfahren zur Aschegehaltsbestimmung und die Prompte-Gamma-Neutronen-Aktivierungs-Analyse (PGNAA) zur Multielement-Analyse als innovative Messmethoden zur Analyse des gesamten Kohlestroms auf Förderbandanlagen identifiziert, deren Eignung im Rahmen von Voruntersuchungen bestätigt, betrieblich eingeführt und unter Praxisbedingungen optimiert. Dabei wurde die Wechselwirkung zwischen Gamma- und Neutronenstrahlung unterschiedlicher Energien mit Braunkohlen und Fördergurten unterschiedlicher Eigenschaften sowie Einflüsse variierender homogener und inhomogener Elementzusammensetzungen bei verschiedenen Messsystemanordnungen und Förderleistungen auf die Messergebnisse systematisch erfasst und für die Versuchsanlagen in der betrieblichen Praxis umgesetzt. Die Gamma-Absorptionsmethode ist im betrieblichen Einsatz, die Erprobung der PGNAA-Prototypanlage steht bevor.

Background The finite range of a proton beam in tissue and the corresponding steep distal dose gradient near the end of the particle track open new vistas for the delivery of a highly target-conformal dose distribution in radiation therapy. Compared to a classical photon treatment, the potential therapeutic benefit of a particle treatment is a significant dose reduction in the tumor-surrounding tissue at a comparable dose level applied to the tumor. Motivation The actually applied particle range, and therefor the dose deposition in the target volume, is quite sensitive to the tissue composition in the path of the protons. Particle treatments are planned via computed tomography images, acquired prior to the treatment. The conversion from photon stopping power to proton stopping power induces an important source of range-uncertainty. Furthermore, anatomical deviations from planning situation affect the accurate dose deposition. Since there is no clinical routine measurement of the actually applied particle range, treatments are currently planned to be robust in favor of optimal regarding the dose delivery. Robust planning incorporates the application of safety margins around the tumor volume as well as the usage of (potentially) unfavorable field directions. These pretreatment safety procedures aim to secure dose conformality in the tumor volume, however at the price of additional dose to the surrounding tissue. As a result, the unverified particle range constraints the principle benefit of proton therapy. An on-line, in-vivo range-verification would therefore bring the potential of particle therapy much closer to the daily clinical routine. Materials and methods This work contributes to the field of in-vivo treatment verification by the methodical investigation of range assessment via the detection of prompt gamma-rays, a side product emitted due to proton-tissue interaction. In the first part, the concept of measuring the spatial prompt gamma-ray emission profile with a Compton camera is investigated with a prototype system consisting of a CdZnTe cross strip detector as scatter plane and three side-by-side arranged, segmented BGO block detectors as absorber planes. In the second part, the novel method of prompt gamma-ray timing (PGT) is introduced. This technique has been developed in the scope of this work and a patent has been applied for. The necessary physical considerations for PGT are outlined and the feasibility of the method is supported with first proof-of-principle experiments. Results Compton camera: Utilizing a 22-Na source, the feasibility of reconstructing the emission scene of a point source at 1.275 MeV was verified. Suitable filters on the scatter-absorber coincident timing and the respective sum energy were defined and applied to the data. The source position and corresponding source displacements could be verified in the reconstructed Compton images. In a next step, a Compton imaging test at 4.44 MeV photon energy was performed. A suitable test setup was identified at the Tandetron accelerator at the Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf, Germany. This measurement setup provided a monoenergetic, point-like source of 4.44 MeV gamma-rays, that was nearly free of background. Here, the absolute gamma-ray yield was determined. The Compton imaging prototype was tested at the Tandetron regarding (i) the energy resolution, timing resolution, and spatial resolution of the individual detectors, (ii) the imaging capabilities of the prototype at 4.44 MeV gamma-ray energy and (iii) the Compton imaging efficiency. In a Compton imaging test, the source position and the corresponding source displacements were verified in the reconstructed Compton images. Furthermore, via the quantitative gamma-ray emission yield, the Compton imaging efficiency at 4.44 MeV photon energy was determined experimentally. PGT: The concept of PGT was developed and introduced to the scientific community in the scope of this thesis. A theoretical model for PGT was developed and outlined. Based on the theoretical considerations, a Monte Carlo (MC) algorithm, capable of simulating PGT distributions was implemented. At the KVI-CART proton beam line in Groningen, The Netherlands, time-resolved prompt gamma-ray spectra were recorded with a small scale, scintillator based detection system. The recorded data were analyzed in the scope of PGT and compared to the measured data, yielding in an excellent agreement and thus verifying the developed theoretical basis. For a hypothetical PGT imaging setup at a therapeutic proton beam it was shown, that the statistical error on the range determination could be reduced to 5 mm at a 90 % confidence level for a single spot of 5x10E8 protons. Conclusion Compton imaging and PGT were investigated as candidates for treatment verification, based on the detection of prompt gamma-rays. The feasibility of Compton imaging at photon energies of several MeV was proven, which supports the approach of imaging high energetic prompt $gamma$-rays. However, the applicability of a Compton camera under therapeutic conditions was found to be questionable, due to (i) the low device detection efficiency and the corresponding limited number of valid events, that can be recorded within a single treatment and utilized for image reconstruction, and (ii) the complexity of the detector setup and attached readout electronics, which make the development of a clinical prototype expensive and time consuming. PGT is based on a simple time-spectroscopic measurement approach. The collimation-less detection principle implies a high detection efficiency compared to the Compton camera. The promising results on the applicability under treatment conditions and the simplicity of the detector setup qualify PGT as method well suited for a fast translation towards a clinical trial.:1. Particle therapy 1.1 Introduction 1.2 The problem of particle range uncertainty 1.3 Currently investigated methods for treatment verification 1.4 Methods for prompt gamma-ray based treatment verification 1.4.1 Prompt gamma-ray imaging (PGI) 1.4.2 Prompt gamma-ray timing (PGT) 2. Physical relations 2.1 Interactions of protons with matter 2.1.1 Stopping of protons 2.1.2 Multiple Coulomb scattering (MCS) 2.1.3 Nonelastic collisions 2.2 Definition of deposited dose and proton range 2.2.1 Definition of dose D 2.2.2 The dose depth Dx , the proton fluence Φ, and the Bragg peak 2.2.3 The particle range 2.3 Production and delivery of proton beams 2.3.1 Acceleration of protons in a isochronous cyclotron 2.3.2 Beam delivery 2.4 Prompt gamma-ray emission 2.4.1 The production of prompt gamma-rays via nonelastic nuclear interactions 2.5 Interactions of photons with matter 2.5.1 Photoelectric absorption 2.5.2 Compton scattering 2.5.3 Pair production 2.5.4 Mass attenuation coefficient μ/ρ 2.6 Detection of photons 2.6.1 Semiconductor detectors 2.6.2 Scintillation detectors 3 Tests of a Compton camera for PGI 3.1 Principle of operation 3.2 Status of preceding work 3.3 Modifications to the existing Compton imaging prototype 3.4 Detectors of the prototype 3.4.1 The CZT scatter plane 3.4.2 The BGO absorber plane 3.4.3 The Compton imaging prototype 3.5 Electronic readout and event generation 3.6 Detector calibration 3.6.1 Calibration of the CZT detector 3.6.2 Calibration of a BGO detector 3.7 Compton imaging at 1.275 MeV photon energy 3.7.1 Imaging setup 3.7.2 Coincident timing 3.7.3 Coincident energy deposition 3.7.4 Image reconstruction 3.8 Compton imaging at 4.44 MeV photon energy 3.8.1 Beam setup at the Tandetron accelerator 3.8.2 Beam tuning at the Tandetron accelerator 3.8.3 The gamma-ray emission yield 3.8.4 Measurement setup 3.8.5 Energy detection 3.8.6 Spatial detection 3.8.7 Coincident timing 3.8.8 Coincident energy deposition 3.8.9 Detection efficiency η 3.8.10 Imaging setup 3.8.11 Image reconstruction 3.9 Implications for a therapeutic Compton imaging scenario 3.10 Summary and discussion 4 Prompt gamma-ray timing (PGT) 4.1 Theoretical description of PGT 4.1.1 Timing of prompt gamma-ray emission 4.1.2 Kinematics of protons 4.1.3 The correlation between spatial and temporal prompt gamma-ray emission in a thick target 4.1.4 Setup for time-resolved measurements of prompt gamma-rays 4.1.5 Uncertainty of the reference time 4.1.6 Standard error of the mean and confidence intervals of statistical momenta 4.1.7 A simplified MC method for the modeling of PGT 4.2 Experimental results 4.2.1 The GAGG detector 4.2.2 Detector energy resolution 4.2.3 Detector time resolution with 60-Co 4.2.4 Energy-resolved detector time resolution - the ELBE experiment 4.2.5 The KVI-CART proton beam line 4.2.6 Time-resolved measurement of prompt gamma-rays 4.2.7 Experimental determination of the system time resolution σ 4.2.8 PGT in dependence of proton transit time 4.3 Towards treatment verification with PGT 4.3.1 MC based PGT in dependence of proton range 4.3.2 MC based PGT at inhomogeneous targets 4.4 Implications for a therapeutic PGT scenario 4.4.1 Range verification for an exemplary PGT setup 4.4.2 Practical restrictions for the therapeutic PGT scenario 4.4.3 Principal limitations of the PGT method 4.5 Summary and outlook 5 Discussion Summary Zusammenfassung Bibliography Acknowledgement / Hintergrund Strahlentherapie ist eine wichtige Modalität der therapeutischen Behandlung von Krebs. Das Ziel dieser Behandlungsform ist die Applikation einer bestimmten Strahlendosis im Tumorvolumen, wobei umliegendes, gesundes Gewebe nach Möglichkeit geschont werden soll. Bei der Bestrahlung mit einem hochenergetischen Protonenstrahl erlaubt die wohldefinierte Reichweite der Teilchen im Gewebe, in Kombination mit dem steilen, distalen Dosisgradienten, eine hohe Tumor-Konformalität der deponierten Dosis. Verglichen mit der klassisch eingesetzten Behandlung mit Photonen ergibt sich für eine optimiert geplante Behandlung mit Protonen ein deutlich reduziertes Dosisnivau im den Tumor umgebenden Gewebe. Motivation Die tatsächlich applizierte Reichweite der Protonen im Körper, und somit auch die lokal deponierte Dosis, ist stark abhängig vom Bremsvermögen der Materie im Strahlengang der Protonen. Bestrahlungspläne werden mit Hilfe eines Computertomographen (CT) erstellt, wobei die CT Bilder vor der eigentlichen Behandlung aufgenommen werden. Ein CT misst allerdings lediglich den linearen Schwächungskoeffizienten für Photonen in der Einheit Hounsfield Units (HU). Die Ungenauigkeit in der Umrechnung von HU in Protonen-Bremsvermögen ist, unter anderem, eine wesentliche Ursache für die Unsicherheit über die tatsächliche Reichweite der Protonen im Körper des Patienten. Derzeit existiert keine routinemäßige Methode, um die applizierte Dosis oder auch die Protonenreichweite in-vivo und in Echtzeit zu bestimmen. Um das geplante Dosisniveau im Tumorvolumen trotz möglicher Reichweiteunterschiede zu gewährleisten, werden die Bestrahlungspläne für Protonen auf Robustheit optimiert, was zum Einen das geplante Dosisniveau im Tumorvolumen trotz auftretender Reichweiteveränderungen sicherstellen soll, zum Anderen aber auf Kosten der möglichen Dosiseinsparung im gesunden Gewebe geht. Zusammengefasst kann der Hauptvorteil einer Therapie mit Protonen wegen der Unsicherheit über die tatsächlich applizierte Reichweite nicht wirklich realisiert. Eine Methode zur Bestimmung der Reichweite in-vivo und in Echtzeit wäre daher von großem Nutzen, um das theoretische Potential der Protonentherapie auch in der praktisch ausschöpfen zu können. Material und Methoden In dieser Arbeit werden zwei Konzepte zur Messung prompter Gamma-Strahlung behandelt, welche potentiell zur Bestimmung der Reichweite der Protonen im Körper eingesetzt werden können. Prompte Gamma-Strahlung entsteht durch Proton-Atomkern-Kollision auf einer Zeitskala unterhalb von Picosekunden entlang des Strahlweges der Protonen im Gewebe. Aufgrund der prompten Emission ist diese Form der Sekundärstrahlung ein aussichtsreicher Kandidat für eine Bestrahlungs-Verifikation in Echtzeit. Zum Einen wird die Anwendbarkeit von Compton-Kameras anhand eines Prototyps untersucht. Dabei zielt die Messung auf die Rekonstruktion des örtlichen Emissionsprofils der prompten Gammas ab. Zum Zweiten wird eine, im Rahmen dieser Arbeit neu entwickelte Messmethode, das Prompt Gamma-Ray Timing (PGT), vorgestellt und international zum Patent angemeldet. Im Gegensatz zu bereits bekannten Ansätzen, verwendet PGT die endliche Flugzeit der Protonen durch das Gewebe und bestimmt zeitliche Emissionsprofile der prompten Gammas. Ergebnisse Compton Kamera: Die örtliche Emissionsverteilung einer punktförmigen 22-Na Quelle wurde wurde bei einer Photonenenergie von 1.275 MeV nachgewiesen. Dabei konnten sowohl die absolute Quellposition als auch laterale Verschiebungen der Quelle rekonstruiert werden. Da prompte Gamma-Strahlung Emissionsenergien von einigen MeV aufweist, wurde als nächster Schritt ein Bildrekonstruktionstest bei 4.44 MeV durchgeführt. Ein geeignetes Testsetup wurde am Tandetron Beschleuniger am Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf, Deutschland, identifiziert, wo eine monoenergetische, punktförmige Emissionverteilung von 4.44 MeV Photonen erzeugt werden konnte. Für die Detektoren des Prototyps wurden zum Einen die örtliche und zeitliche Auflösung sowie die Energieauflösungen untersucht. Zum Anderen wurde die Emissionsverteilung der erzeugten 4.44 MeV Quelle rekonstruiert und die zugehörige Effizienz des Prototyps experimentell bestimmt. PGT: Für das neu vorgeschlagene Messverfahren PGT wurden im Rahmen dieser Arbeit die theoretischen Grundlagen ausgearbeitet und dargestellt. Darauf basierend, wurde ein Monte Carlo (MC) Code entwickelt, welcher die Modellierung von PGT Spektren ermöglicht. Am Protonenstrahl des Kernfysisch Verschneller Institut (KVI), Groningen, Niederlande, wurden zeitaufgelöste Spektren prompter Gammastrahlung aufgenommen und analysiert. Durch einen Vergleich von experimentellen und modellierten Daten konnte die Gültigkeit der vorgelegten theoretischen Überlegungen quantitativ bestätigt werden. Anhand eines hypothetischen Bestrahlungsszenarios wurde gezeigt, dass der statistische Fehler in der Bestimmung der Reichweite mit einer Genauigkeit von 5 mm bei einem Konfidenzniveau von 90 % für einen einzelnen starken Spot 5x10E8 Protonen mit PGT erreichbar ist. Schlussfolgerungen Für den Compton Kamera Prototyp wurde gezeigt, dass eine Bildgebung für Gamma-Energien einiger MeV, wie sie bei prompter Gammastrahlung auftreten, möglich ist. Allerdings erlaubt die prinzipielle Abbildbarkeit noch keine Nutzbarkeit unter therapeutischen Strahlbedingungen nicht. Der wesentliche und in dieser Arbeit nachgewiesene Hinderungsgrund liegt in der niedrigen (gemessenen) Nachweiseffizienz, welche die Anzahl der validen Daten, die für die Bildrekonstruktion genutzt werden können, drastisch einschränkt. PGT basiert, im Gegensatz zur Compton Kamera, auf einem einfachen zeit-spektroskopischen Messaufbau. Die kollimatorfreie Messmethode erlaubt eine gute Nachweiseffizienz und kann somit den statistischen Fehler bei der Reichweitenbestimmung auf ein klinisch relevantes Niveau reduzieren. Die guten Ergebnissen und die ausgeführten Abschätzungen für therapeutische Bedingungen lassen erwarten, dass PGT als Grundlage für eine Bestrahlungsverifiktation in-vivo und in Echtzeit zügig klinisch umgesetzt werden kann.:1. Particle therapy 1.1 Introduction 1.2 The problem of particle range uncertainty 1.3 Currently investigated methods for treatment verification 1.4 Methods for prompt gamma-ray based treatment verification 1.4.1 Prompt gamma-ray imaging (PGI) 1.4.2 Prompt gamma-ray timing (PGT) 2. Physical relations 2.1 Interactions of protons with matter 2.1.1 Stopping of protons 2.1.2 Multiple Coulomb scattering (MCS) 2.1.3 Nonelastic collisions 2.2 Definition of deposited dose and proton range 2.2.1 Definition of dose D 2.2.2 The dose depth Dx , the proton fluence Φ, and the Bragg peak 2.2.3 The particle range 2.3 Production and delivery of proton beams 2.3.1 Acceleration of protons in a isochronous cyclotron 2.3.2 Beam delivery 2.4 Prompt gamma-ray emission 2.4.1 The production of prompt gamma-rays via nonelastic nuclear interactions 2.5 Interactions of photons with matter 2.5.1 Photoelectric absorption 2.5.2 Compton scattering 2.5.3 Pair production 2.5.4 Mass attenuation coefficient μ/ρ 2.6 Detection of photons 2.6.1 Semiconductor detectors 2.6.2 Scintillation detectors 3 Tests of a Compton camera for PGI 3.1 Principle of operation 3.2 Status of preceding work 3.3 Modifications to the existing Compton imaging prototype 3.4 Detectors of the prototype 3.4.1 The CZT scatter plane 3.4.2 The BGO absorber plane 3.4.3 The Compton imaging prototype 3.5 Electronic readout and event generation 3.6 Detector calibration 3.6.1 Calibration of the CZT detector 3.6.2 Calibration of a BGO detector 3.7 Compton imaging at 1.275 MeV photon energy 3.7.1 Imaging setup 3.7.2 Coincident timing 3.7.3 Coincident energy deposition 3.7.4 Image reconstruction 3.8 Compton imaging at 4.44 MeV photon energy 3.8.1 Beam setup at the Tandetron accelerator 3.8.2 Beam tuning at the Tandetron accelerator 3.8.3 The gamma-ray emission yield 3.8.4 Measurement setup 3.8.5 Energy detection 3.8.6 Spatial detection 3.8.7 Coincident timing 3.8.8 Coincident energy deposition 3.8.9 Detection efficiency η 3.8.10 Imaging setup 3.8.11 Image reconstruction 3.9 Implications for a therapeutic Compton imaging scenario 3.10 Summary and discussion 4 Prompt gamma-ray timing (PGT) 4.1 Theoretical description of PGT 4.1.1 Timing of prompt gamma-ray emission 4.1.2 Kinematics of protons 4.1.3 The correlation between spatial and temporal prompt gamma-ray emission in a thick target 4.1.4 Setup for time-resolved measurements of prompt gamma-rays 4.1.5 Uncertainty of the reference time 4.1.6 Standard error of the mean and confidence intervals of statistical momenta 4.1.7 A simplified MC method for the modeling of PGT 4.2 Experimental results 4.2.1 The GAGG detector 4.2.2 Detector energy resolution 4.2.3 Detector time resolution with 60-Co 4.2.4 Energy-resolved detector time resolution - the ELBE experiment 4.2.5 The KVI-CART proton beam line 4.2.6 Time-resolved measurement of prompt gamma-rays 4.2.7 Experimental determination of the system time resolution σ 4.2.8 PGT in dependence of proton transit time 4.3 Towards treatment verification with PGT 4.3.1 MC based PGT in dependence of proton range 4.3.2 MC based PGT at inhomogeneous targets 4.4 Implications for a therapeutic PGT scenario 4.4.1 Range verification for an exemplary PGT setup 4.4.2 Practical restrictions for the therapeutic PGT scenario 4.4.3 Principal limitations of the PGT method 4.5 Summary and outlook 5 Discussion Summary Zusammenfassung Bibliography Acknowledgement

Kernthema der Dissertation ist die Weiterentwicklung von Kohle-Online-Messtechniken zur kontinuierlichen Bestimmung, das Brennstoffverhalten in Kraftwerkskesseln beeinflussender anorganischer Kohleinhaltsstoffe im Rheinischen Braunkohlerevier, die geologisch bedingt, natürlichen Schwankungen unterliegen. Im Rahmen dieses Vorhabens wurden die Gammastrahlenabsorptionsverfahren zur Aschegehaltsbestimmung und die Prompte-Gamma-Neutronen-Aktivierungs-Analyse (PGNAA) zur Multielement-Analyse als innovative Messmethoden zur Analyse des gesamten Kohlestroms auf Förderbandanlagen identifiziert, deren Eignung im Rahmen von Voruntersuchungen bestätigt, betrieblich eingeführt und unter Praxisbedingungen optimiert. Dabei wurde die Wechselwirkung zwischen Gamma- und Neutronenstrahlung unterschiedlicher Energien mit Braunkohlen und Fördergurten unterschiedlicher Eigenschaften sowie Einflüsse variierender homogener und inhomogener Elementzusammensetzungen bei verschiedenen Messsystemanordnungen und Förderleistungen auf die Messergebnisse systematisch erfasst und für die Versuchsanlagen in der betrieblichen Praxis umgesetzt. Die Gamma-Absorptionsmethode ist im betrieblichen Einsatz, die Erprobung der PGNAA-Prototypanlage steht bevor.:1 Hintergrund und Motivation 5 1.1 Belagsbildungen bei der Verbrennung von Braunkohlen in Dampferzeugern 5 1.2 Bildungsbedingungen von Schmelzphasen in Mehrstoffsystemen 6 1.3 Methoden zur Bewertung des Ansatzbildungspotenzials 9 1.4 Geologie des Rheinischen Braunkohlenreviers 9 1.4.1 Tektonische Vorgeschichte der Niederrheinischen Bucht 9 1.4.2 Stratigrafischer und lithologischer Überblick des Rheinischen Braunkohlenreviers 11 1.5 Lagerstätten des Rheinischen Braunkohlenreviers 14 1.5.1 Tagebau Garzweiler 14 1.5.2 Tagebau Hambach 15 1.5.3 Tagebau Inden 16 1.6 Kohlesortenkonzept des Rheinischen Braunkohlenreviers 17 2 Ziel der Arbeit 21 3 Stand von Wissenschaft und Kohle-Online-Messtechnik 22 3.1 Röntgenfluoreszenzanalyse (RFA) 22 3.2 Laser-induzierte-Plasma-Spektroskopie (LIPS) 23 3.3 Gammastrahlenabsorption 24 3.4 Prompte-Gamma-Neutronen-Aktivierungsanalyse 28 3.5 Eingesetzte Messtechniken im Rheinischen Revier 30 4 Anforderungen an Kohle-Online-Messtechniken 31 4.1 Revierweite Anforderungen an Kohle-Online-Messtechniken 31 4.2 Anforderungen an Kohle-Online-Messtechniken zur Aschegehaltsbestimmung 31 4.3 Standortspezifische Anforderungen an Kohle-Online-Messtechniken 32 5 Arbeits- und Versuchsprogramm 33 5.1 Radiometrische Aschegehaltsbestimmung mittels Gammastrahlenabsorption 33 5.2 Prompte Gamma-Neutronen-Aktivierungsanalyse (PGNAA) 36 6 Versuchsergebnisse und Diskussion 41 6.1 Radiometrische Aschegehaltsbestimmung mittels Gammastrahlenabsorption 41 6.1.1 Vorversuche mit einer Americiumquelle (Am-241) am Teilstrom (Firma Berthold) 41 6.1.2 Gammastrahlenabsorption eines stahlarmierten Fördergurts 46 6.1.3 Anlagengeometrie der betrieblichen Versuchsanlagen 57 6.1.4 Vollständige Erfassung der Bandbelegung (Detektorgeometrie) 59 6.1.5 Auswirkungen der Elementverteilungen auf die Gammastrahlenabsorption 60 6.1.6 Fehlerbetrachtungen der Gammastrahlenabsorption und Optimierungsansätze 66 6.1.7 Probennahme-Techniken für Referenzwerte der Kalibrierung 68 6.1.8 Anlagen-Kalibrierung für unterschiedliche Aschegehalte 75 6.1.9 Anlagen-Kalibrierung bei unterschiedlichen Förderleistungen 76 6.1.10 Langzeitversuche zu Lagerstättendaten und weiteren Analysetechniken 77 6.1.11 Zusammenfassung der Ergebnisse 81 6.2 Prompte Gamma-Neutronen-Aktivierungsanalyse (PGNAA) 83 6.2.1 Testmessungen mittels MEDINA-Anlage am Forschungszentrum Jülich (FZJ) 83 6.2.2 Simulationsrechnungen für heterogen verteilte Sandfrachten am FZJ 95 6.2.3 Testmessungen mittels Coalscan-Anlage bei der Firma Scantech (Australien) 99 6.2.4 Zusammenfassung der Ergebnisse 105 7 Schlussfolgerungen und Fazit 106 7.1 Radiometrische Aschegehaltsbestimmung mittels Gammastrahlenabsorption 106 7.2 Prompte Gamma-Neutronen-Aktivierungsanalyse (PGNAA) 107 8 Ausblick 108 8.1 Radiometrische Aschegehaltsbestimmung mittels Gammastrahlenabsorption 108 8.2 Prompte Gamma-Neutronen-Aktivierungsanalyse (PGNAA) 109 9 Abbildungsverzeichnis 111 10 Tabellenverzeichnis 118 11 Abkürzungsverzeichnis 120 12 Literaturverzeichnis 123 13 Anhang 126