Erste Anzeichen für die Existenz von Dunkler Materie wurden 1933 entdeckt. Der Astrophysiker Fritz Zwicky beobachtete die Geschwindigkeitsverteilung im Coma Cluster und fand dabei heraus, dass 400 mal mehr Materie im Galaxie Haufen sein muss, damit dieser gravitativ gebunden sein kann oder der Galaxie Haufen würde sich aufösen. Trotz erheblicher Bemühungen über die letzten 80 Jahre ist nicht viel über Dunkle Materie bekannt. Das einzige was man weiÿ ist, dass Dunkle Materie gravitativ aber nicht elektromagnetisch wechselwirkt und Dunkle Materie stellt den gröÿten Bestandteil der Materie im Universum da. Doch derzeitige Experimente die nach Dunkler Materie suchen, sowohl direkte Suchen als auch indirekte, beginnen sensitiv genug zu werden um interessante Parameterbereiche von Dunkle Materie Kandidaten zu untersuchen wie das leichteste Super-symmetrische Teilchen, was bedeutet, dass die Entdeckung von Dunkler Materie in der nahen Zukunft sein könnte. In dieser Arbeit wird eine Signalsummierung von H.E.S.S. Zwerg Galaxien Daten durchgeführt und obere Ausschlussgrenzen berechnet. Weiterhin wird die Leistung einer Dunklen Materie Suche im galaktischen Zentrum durch CTA präsentiert für verschiedene mögliche Teleskop Anordnungen und verschiedene Annihilation Kanäle. Die Ergebnisse werden zeigen, dass CTA in der Lage sein wird geschwindigkeitsgemittelte Annihilations Wirkungsquerschnitte von 3 * 10^-26 cm^3s^1 und geringer, der geschwindigkeitsgemittelte Annihilations Wirkungsquerschnitt der für schwach wechselwirkende Dunkle Materie erwartet wird, in 100 h zu erreichen. Diese Beobachtungszeit kann innerhalb von ein bis zwei Jahren erreicht werden. / First indications for the existence of Dark Matter appeared in 1933. The astrophysicist Fritz Zwicky observed the velocity dispersion of the Coma Cluster and found out that 400 times the visible mass must be contained in the galaxy cluster or the cluster could not be gravitationally bound and would disperse.Despite extensive efforts over the last 80 years not much is known about Dark Matter. The facts known are that Dark Matter interacts via gravitation, does not interact electromagneticly and is the main constituent of matter. But current experiment searching for Dark Matter directly and indirectly begin to reach sensitivities that can probe interesting parameter spaces for Dark Matter candidates like the lightest supersymmetric particle, meaning the first Dark Matter detections could happen in the near future.In this thesis a dwarf stacking analysis for Dark Matter signal search using H.E.S.S. data is performed and a upper limit is calculated. Furthermore the prospect for a Dark Matter search with CTA in the galactic center region of the Milky Way is presented for different candidate arrays and different annihilation channels. The results will show that CTA will be able to reach velocity annihilation below 3 *10^-26 cm^3s^-1, the velocity annihilation crosssection expected for a weakly interacting Dark Matter particle, within 100 h of observation which can reasonably be acquired within one to two years.

Es wird angenommen, dass schalenartige Supernova-Reste wesentlicheQuellen der galaktischen kosmischen Strahlung sind. Die Beschleunigungvon Teilchen in diesen Objekten kann mit hochenergetischerGammastrahlung (Energien zwischen 30GeV und 30TeV) nachgewiesenwerden.In dieser Arbeit wird die Beobachtung von Gammastrahlung desschalenartigen Supernova-Restes RX J0852.0-4622 beschrieben. DieseBeobachtungen wurden im Februar 2004 mit dem High Energy StereoscopicSystem (H.E.S.S.) durchgeführt. H.E.S.S., ein System von vierabbildenden Cherenkov Teleskopen, kann Gammastrahlung im Bereichzwischen 100GeV und einigen 10TeV nachweisen und ist zur Zeit dasleistungsfähigste Instrument in diesem Energiebereich.Die Emission von Gammastrahlung von RX J0852.0-4622 wurde mit einerSignifikanz von 12 sigma bei einer Belichtungszeit von 3.2hnachgewiesen. Die Morphologie der Emissionsregion ist ausgedehnt undkorreliert mit der Morphologie der Röntgenstrahlung. Eindifferenzielles Energiespektrum des Photonenflusses wurde im Bereichzwischen 0.5 und 10 TeV rekonstruiert. Das Spektrum folgt einemPotenzgesetz mit einem spektralen Index von etwa 2.1. Der integriertePhotonenfluss oberhalb von 1 TeV ist auf dem Niveau des Flusses desKrebsnebels. RX J0852.0-4622 ist daher eine der hellstenGammastrahlungsquellen am Himmel und der zweite Supernova-Rest dessenausgedehnte Gammastrahlungsemission nachgewiesen werden konnte.Gammastrahlung kann durch inverse Compton-Streuung vonrelativistischen Elektronen oder durch starke Wechselwirkungen vonProtonen mit dem interstellaren Material erklärt werden. Der erwarteteEnergiefluss von inverser Compton-Streuung an der kosmischenMikrowellenstrahlung wurde abgeschätzt. Dieser ist um einigeGrößenordnungen geringer als der beobachtete Wert. Daher ist eswahrscheinlich, dass die beobachtete Gammastrahlung ausProton-Wechselwirkungen stammt und RX J0852.0-4622 zur galaktischenkosmischen Strahlung beiträgt. / Shell-type supernova remnants are discussed to be a main source of thegalactic cosmic rays. Very high energy gamma rays (energies between30GeV and 30TeV) from these objects are tracers for the accelerationof particles. Up to now, only a limited number of supernova remnantswere observed in gamma rays. This work reports on the observations of gamma rays from theshell-type supernova remnant RX J0852.0-4622 carried out with the HighEnergy Stereoscopic System (H.E.S.S.) in February 2004. H.E.S.S., asystem of four imaging Cherenkov telescopes, is dedicated to theobservation of gamma rays of energies between 100GeV and several tensof TeV and it is currently the most sensitive instrument in thisenergy range.Emission of gamma rays from RX J0852.0-4622 was detected with asignificance of 12 sigma within a live time of 3.2h. The morphologyof the emission region is clearly extended and correlated with themorphology of the X-ray emission. A differential energy spectrum ofthe photon flux between 0.5 and 10 TeV was reconstructed. It is foundto follow a power law with a spectral index of about 2.1. The integralphoton flux above 1 TeV is at the level of the Crab flux at theseenergies. Thus, RX J0852.0-4622 is one of the brightest gamma-raysources in the sky. RX J0852.0-4622 is the second supernova remnant ofwhich an extended gamma-ray morphology could be proved.The emission of gamma rays from shell-type supernova remnants can beexplained as being produced by accelerated electrons or protons. Theexpected energy flux due to inverse Compton scattering of relativisticelectrons on the cosmic microwave background was estimated and foundto be several orders of magnitude lower than the observed flux. Thus,it is likely that the observed gamma-ray emission is produced inproton interactions and that RX J0852.0-4622 contributes to theacceleration of galactic cosmic rays.

Die Protonentherapie, welche zur Behandlung von Tumoren mittlerweile weltweit eingesetzt wird, könnte von einem System zur Reichweitekontrolle des Protonenstrahls bedeutend profitieren. Einen Rückschluss auf die Position der Protonen in Echtzeit ermöglicht die prompte Gammastrahlung. Diese Sekundärstrahlung entsteht durch nukleare Wechselwirkungen der Protonen mit den Atomkernen im Gewebe. Derzeit existieren verschiedene Methoden die aus einer Messung der zeitlichen oder räumlichen Verteilung dieser hochenergetischen Photonen versuchen eine Reichweiteinformation zu gewinnen. Die Methoden zur Nutzung prompter Gammastrahlung beruhen auf den verlässlichen Voraussagen von Teilchentransportrechnungen. Im Vergleich zu Messungen zeigen diese jedoch Diskrepanzen in den Photonenproduktionsquerschnitten aufgrund mangelnder experimenteller Stützstellen. Um einen Beitrag zu der Datenlage zu leisten, soll das Emissionsspektrum prompter Gammastrahlung am Kohlenstoff bestimmt werden. Dazu werden mithilfe von Entfaltungsalgorithmen aus den aufbereiteten Messdaten und der simulierten Detektorantwort vorhandene Energielinien und deren Intensität extrahiert. Über eine Normierung auf die Anzahl einfallender Protonen erfolgt die Bestimmung von Ausbeuten prompter Gammastrahlung bei der Bestrahlung homogener Kohlenstofftargets mit Protonen.:1 Einleitung und Motivation 2 Grundlagen der Entfaltung von Gammaspektren 2.1 Inverses Problem 2.1.1 Gold-Dekonvolution 2.1.2 Spektrum-Stripping 3 Experimentelle Bestimmung des prompten Gammaspektrums 3.1 Vorbetrachtungen und Aufbau des Experimentes 3.2 Verarbeitung der Messdaten 3.3 Optimierung des Messaufbaus und Maßnahmen der Untergrundreduktion 3.3.1 Abschirmung der Detektoren und Untergrundkorrektur 3.3.2 Flugzeitdiskriminierung 4 Entfaltung der gewonnenen Gammaspektren 4.1 Bestimmung der Detektorantwort mit GEANT 4 4.1.1 Bestimmung der detektorspezifischen Energieauflösung und des Ansprechvermögens über Quellmessungen 4.2 Entfaltung 4.2.1 Ergebnisse der Gold-Dekonvolution 4.2.2 Ergebnisse des Spektrum-Stripping 4.3 Protonenfluenznormierung 5 Zusammenfassung und Ausblick Anhang A Depositionsspektren der Detektoren 2 (125°) und 3 (55°) 69 Literaturverzeichnis Abbildungsverzeichnis Tabellenverzeichnis Abkürzungsverzeichnis Danksagung Selbstständigkeitserklärung / Proton therapy, which has become a clinically established technology for cancer treatment worldwide, would greatly benefit from an appropriate range verification system. A signature, which can be used to trace the range of the primary protons in real time during the treatment, is the so-called prompt gamma radiation. It is produced in nuclear reactions of the protons with the nuclei in tissue. Currently, there are different approaches which try to decode a range information from the spatial or time distribution of these high energetic photons. Methods utilizing prompt gamma-rays rely on the prediction of particle transport simulations. In comparison to measurements these simulations show severe deviations in prompt gamma-ray yield due to insufficient availability of experimental data. To make a contribution to the data situation, the prompt gamma-ray emission spectra for carbon should be investigated. Therefore deconvolution algorithms are applied to measured spectra with knowledge of the detector response function. Unfolded energy lines and their intensities are examined. With help of proton fluence some yields for the irradiation of homogeneous graphite targets are determined.:1 Einleitung und Motivation 2 Grundlagen der Entfaltung von Gammaspektren 2.1 Inverses Problem 2.1.1 Gold-Dekonvolution 2.1.2 Spektrum-Stripping 3 Experimentelle Bestimmung des prompten Gammaspektrums 3.1 Vorbetrachtungen und Aufbau des Experimentes 3.2 Verarbeitung der Messdaten 3.3 Optimierung des Messaufbaus und Maßnahmen der Untergrundreduktion 3.3.1 Abschirmung der Detektoren und Untergrundkorrektur 3.3.2 Flugzeitdiskriminierung 4 Entfaltung der gewonnenen Gammaspektren 4.1 Bestimmung der Detektorantwort mit GEANT 4 4.1.1 Bestimmung der detektorspezifischen Energieauflösung und des Ansprechvermögens über Quellmessungen 4.2 Entfaltung 4.2.1 Ergebnisse der Gold-Dekonvolution 4.2.2 Ergebnisse des Spektrum-Stripping 4.3 Protonenfluenznormierung 5 Zusammenfassung und Ausblick Anhang A Depositionsspektren der Detektoren 2 (125°) und 3 (55°) 69 Literaturverzeichnis Abbildungsverzeichnis Tabellenverzeichnis Abkürzungsverzeichnis Danksagung Selbstständigkeitserklärung

Diese Arbeit beschreibt die Entdeckung von hochenergetischer Gammastrahlung aus Richtung des Binaersystems PSR B1259-63 / SS 2883. Die Beobachtungen dieses Systems von einem Radio-Pulsar, der sich auf einer stark exzentrischen Umlaufbahn um einen schweren und hellen Stern befindet, wurden mit dem High Energy Stereoscopic System (H.E.S.S.), einem System von abbildenden atmosphaerischen Cherenkov-Teleskopen, in der ersten Haelfte des Jahres 2004 durchgefuehrt. Kosmische Gammastrahlen im Energiebereich zwischen 0.1 und 100 TeV erzeugen in der oberen Atmosphaere Luftschauer von relativistischen Sekundaerteilchen, deren Cherenkov-Emission von den Teleskopen des Systems nachgewiesen werden kann. Vor der Entdeckung von TeV-Gammastrahlung aus Richtung von PSR B1259-63 galt dieses System als ein aussichtsreicher Kandidat fuer die Beschleunigung von geladenen Teilchen auf Energien oberhalb von 1 TeV. Es wurde angenommen, dass die Wechselwirkung des relativistischen Pulsarwindes mit dem Sternenwind des Begleitsterns massive Plasmaschocks erzeugt, in denen die Beschleunigung erfolgt. Durch die H.E.S.S. Beobachtungen wurde ein Signal von Photonen im TeV-Bereich mit einer statistischen Signifikanz von ueber 13 sigma gemessen und somit wurde die Beschleunigung von Teilchen auf TeV-Energien innerhalb des Binaersystems erstmalig zweifelsfrei nachgewiesen. Das gemessene Energiespektrum kann im zeitlichen Mittel mit einem Potenzgesetz mit dem Photonenindex 2.7 +- 0.3 beschrieben werden. Diese Form des Spektrums weist auf eine Erzeugung der Gammastrahlung durch inverse Compton-Streuung von schock-beschleunigten Elektronen und Positronen mit den Photonen der thermischen Strahlung von SS 2883 hin. Die gemessene Variation des Flusses der Gammastrahlung auf einer Zeitskala von Tagen ist bisher einmalig fuer eine galaktische Quelle von TeV Photonen und ermoeglicht erstmalig Einblicke in die Dynamik der Wechselwirkung eines Pulsarwindes mit einer sich aendernden Umgebung. / This work reports on the discovery of very high energy (VHE) gamma-ray emission of the binary system PSR B1259-63 / SS 2883, consisting of a radio pulsar orbiting a massive, luminous star in a highly eccentric orbit. The observations of the binary system in the first half of 2004 were performed with the High Energy Stereoscopic System (H.E.S.S.), a system of imaging atmospheric Cherenkov telescopes, recently installed in Namibia and in full operation since December 2003. The instrument collects the Cherenkov light emitted by air showers which are induced by the interaction of cosmic gamma-rays with the upper atmosphere. This technique allows to detect gamma-rays with energies ranging from 10^11 to 10^14 electron Volts, and to reconstruct their direction and energy with an angular resolution of less than 0.1° and energy resolution of better than 20%, respectively. Prior to the detection of VHE gamma-rays from PSR B1259-63, the system served as a candidate for the acceleration of particles to TeV energies. The acceleration is believed to take place in plasma shocks produced by the interaction of the relativistic pulsar wind with the massive stellar winds of the companion star. The VHE gamma-ray signal from the binary system was detected with a total significance above 13 sigma. This detection provides the first unambiguous evidence for particle acceleration to multi-TeV energies in this binary system. The measured time-averaged energy spectrum can be described by a power law with a photon index 2.7 +- 0.3 suggesting that the emission is produced by inverse Compton scattering of shock-accelerated electrons and positrons on the thermal photons emitted by SS 2883. The gamma-ray flux was found to vary significantly on timescales of days which makes PSR B1259-63 the first variable galactic source of VHE gamma-rays observed so far and gives valuable insights into the dynamics of pulsar winds interacting with a changing environment.

Die Arbeit beschäftigt sich mit der Quelle hochenergetischer Gammastrahlung HESS J1745-290, welche in Richtung des galaktischen Zentrums liegt und präsentiert die Analyse eines Datensatzes, der von den H.E.S.S. Teleskopen zwischen 2004 und 2014 aufgezeichnet wurde. Ziel der Untersuchung war es, eine zeitliche Variabilität des beobachteten Flusses festzustellen. Die Frage ob der Fluss von HESS J1745-290 variables Verhalten zeigt stellt sich, da sich die Quelle in der gleichen Richtung wie das supermassive schwarze Loch Sgr A* befindet, aus dessen Umgebung bereits variable Strahlung in verschiedenen Frequenzbereichen detektiert wurde. Die Beobachtung einer Variabilität des hochenergetischen Gammastrahlenflusses von HESS J1745-290 würde die Hypothese eines Zusammenhangs zwischen diesem Objekt und Sgr A* stützen, welche bis dato nicht bestätigt werden konnte. Die Suche nach Variabilität wurde für verschiedene Zeitskalen von Minuten bis hin zu Jahren durchgeführt, wobei Hinweise für Variabilität in verschiedenen statistischen Tests gefunden wurden. Die Suche konzentriert sich auf Variabilität ohne periodischen Charakter sowie auf Periodizität. Es wurden Hinweise auf eine Periode von 110 Tagen bei einem Signifikanzniveau von 4.1σ gefunden und auch der Fit einer H.E.S.S. Lichtkurve, die von 2004–2014 reicht, zeigt Variabilität bei einem Signifikanzniveau von 6.1σ, welches sich nach Anwendung eines systematischen Fehlers von 10% auf 4.5σ reduziert. Auch Anzeichen für Variabilität auf einer Zeitskala von Minuten wurden gefunden. Diese Variabilität auf einer Zeitskala von Minuten zeigt quasi-periodischen Charakter, ähnlich derer, welche während Infrarot und Röntgenbeobachtungen von Sgr A* festgestellt wurde. Die Möglichkeit einer Verbindung zwischen HESS J1745-290 und Sgr A* und insbesondere auch die Fragestellung, ob die hier präsentierten Ergebnisse als erster Hinweis auf solch einen Zusammenhang gewertet werden können, werden Thema der Diskussion am Ende der Arbeit sein. / A detailed study on the very-high-energy (VHE) γ-ray source HESS J1745-290 in direction of the Galactic Center using 10 years of data from the H.E.S.S. array of Cherenkov telescopes from 2004 to 2014 with the objective to search for variability of the γ-ray flux of this object is presented. The question if HESS J1745-290 shows variability is of special interest, since the source is located at the same direction as the super-massive black hole Sgr A*. From the vicinity of this black hole variable radiation has been reported for different wavelength bands. The detection of a variability of the VHE γ-ray flux of HESS J1745-290 would favor the hypothesis of a connection of this object and Sgr A* which could not be confirmed so far. The search for variability was performed for different timescales from minutes to years and indeed revealed evidence for variability in different statistical tests which will be discussed in detail together with systematic cross-checks. The study focuses on both variability with and without periodic character. While there is evidence for a long-term flux modulation with a period of 110 d at the 4.1σ significance level, the fit of a H.E.S.S. run-wise light curve from 2004–2014 shows variability at the 6.1σ level, which reduces to 4.5σ after adding a 10% systematic error to each flux measurement. Also signs of variability at a timescale of minutes were found at the 3.1σ level. This tentative VHE short-term variability also shows quasi-periodic behavior as it was reported during infrared and X-ray observations of Sgr A*. Such a tentative long-term flux modulation with a period of 110 d has previously also been reported for the radio band. Due to the similarity of time structure of the variability, which is reported for HESS J1745-290 in this thesis to observations of Sgr A* at other wavelength bands, the thesis will close with the discussion if these results can be considered to be first evidence for a link between HESS J1745-290 and Sgr A*.

Diese Arbeit beschreibt die Identifikation der bisher unidentifizierten TeV Gammastrahlungsquelle, HESS J1303-631 als Pulsarwind-Nebel, angetrieben von dem Pulsar PSR J1301-6305. Dieses Ergebnis wird durch den Nachweis von energieabhängiger Morphologie in den vom High Energy Stereoscopic System (H.E.S.S.) genommenen Daten und durch die Detektion eines neuen Röntgen-Pulsarwind-Nebels in XMM-Newton Daten erreicht. Zudem wird eine obere Schranke auf den Fluss von Radiostrahlung aus Beobachtungen mit dem Parkes Radioteleskop bei 4.48 GHz abgeleitet. Diese Ergebnisse können in einem leptonischen Modell des Pulsarwind-Nebels verstanden werden, wo Elektronen und Positronen in der Nähe des Termination Shocks des Pulsarwindes auf ultrarelativistische Energien beschleunigt werden. Diese Leptonen bilden einen ausgedehnten Pulsarwind-Nebel, der auf Grund des inversen Compton-Effekts und Synchrotronstrahlung TeV Gammastrahlung beziehungsweise Röntgen- und Radiostrahlung erzeugt. Da nur eine obere Grenze auf den Radiofluss abgeleitet wurde, erfolgte die Modellierung im Rahmen eines einfachen ``one zone models'''', wo angenommen wird, dass die Radio-, Röntgen- und Gammastrahlung alle von derselben Leptonenpopulation erzeugt werden. Das Modell wird aber trotzdem von den Daten schon eingeschränkt und liefert ein schwaches Magnetfeld von ungef 0.9 Microgauss. Diese Magnetfeldstärke ist überraschend niedrig, da in ähnlichen Systemen die Magnetfeldstärken eher bei 10 Microgauss liegen. Andererseits passt das Ergebnis gut zu dem sehr niedrigen Synchrotronstrahlungsfluss. Ein derart schwaches Magnetfeld wird im theoretischen Szenario eines ausgedehnten, beziehungsweise entwickelten Pulsarwind-Nebels erklärt. / This work represents the identification of the very high energy, E > 100 GeV (VHE), Gamma-ray source HESS J1303-631 as a pulsar wind nebula (PWN) powered by the pulsar PSR J1301-6305. This is achieved through the detection of energy dependent morphology in the High Energy Stereoscopic System (H.E.S.S.) data, the detection of a new X-ray PWN in archival XMM-Newton X-ray observations, as well as multi-wavelength modeling of the source and its energetics. An upper limit on the radio synchrotron flux is obtained from observations made by the Parkes telescope at 4.48 GHz. The combined Gamma-ray, X-ray and radio measurements are used to constrain a leptonic emission model, where strong winds of relativistic electrons and positrons from the pulsar power the acceleration of particles to ultrarelativistic energies at the wind termination shock region, and these shock accelerated leptons then form a nebula which emits in the X-ray and radio bands via synchrotron emission in the ambient magnetic field and Gamma-rays through the inverse Compton mechanism. One surprising result of this analysis is the anomalously low magnetic field derived for the PWN. Typical values for PWNe are on the order of 10 microgauss. For this source, however, the low synchrotron levels predict an average magnetic field of approximately 0.9 microgauss. The low magnetic field is explained in the scenario of an expanded/evolved PWN.

Der Bericht informiert über die Ergebnisse der Auswertung von aerogammaspektrometrischen Befliegungen der Gebiete des ehemaligen Uranerzbergbaus im Freistaat Sachsen in den Jahren 1982 bis 2010. Die Ergebnisse der Datenauswertung zeigen eine übersichtsmäßige Darstellung des Sanierungsfortschrittes an den ehemaligen Uranbergbaustandorten Aue, Johanngeorgenstadt und Zwickau bis zum Jahr 2010 anhand von interpolierten Kartendarstellungen für die Parameter Uran, Thorium und Gamma-Ortsdosisleistung (ODL). Die Veröffentlichung richtet sich sowohl an das Fachpublikum als auch an naturwissenschaftlich interessierte Laien.

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. / 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.

Der Bericht informiert über die Ergebnisse der Auswertung von aerogammaspektrometrischen Befliegungen der Gebiete des ehemaligen Uranerzbergbaus im Freistaat Sachsen in den Jahren 1982 bis 2010. Die Ergebnisse der Datenauswertung zeigen eine übersichtsmäßige Darstellung des Sanierungsfortschrittes an den ehemaligen Uranbergbaustandorten Aue, Johanngeorgenstadt und Zwickau bis zum Jahr 2010 anhand von interpolierten Kartendarstellungen für die Parameter Uran, Thorium und Gamma-Ortsdosisleistung (ODL). Die Veröffentlichung richtet sich sowohl an das Fachpublikum als auch an naturwissenschaftlich interessierte Laien.

CdZnTe-Detektoren, zur direkten Messung von Gammastrahlung, die bei der Behandlung mit beschleunigten Teilchen entsteht, besitzen das Potential eine Reichweitenkontrolle zu ermöglichen und die Strahlendosis zu erfassen. Jedoch stellt die Identifizierung einzelner, energetisch nahe beieinander liegenden Photonenenergien, bei einem solchen Volumendetektor eine besondere Herausforderung dar. Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Entwicklung von Methoden zur Korrektur der Signalformen am Volumenhalbleiter CdZnTe und der damit verbundenen Verbesserung der Energie- und Zeitinformation des Detektors. Dies ist wichtig für den Einsatz in der therapeutischen Medizin mit beschleunigten Teilchen, da Ladungsträger durch Gammastrahlung in unterschiedlichen Tiefen des Detektors generiert werden und einen tiefenabhängigen Fehler in der Detektorgenauigkeit erzeugen. / CdZnTe detectors, used for the direct measurement of gamma radiation generated during the treatment with accelerated particles, have the potential to provide a range control and to detect the radiation dose. However, the identification of individual energetically close photon energies in such a volume detector is a particular challenge. The present work deals with the development of methods for correcting the signal forms of the CdZnTe and the associated improvement of the energy and time information of the detector This is important for use in accelerated particle medicine because charge carriers are generated by gamma radiation at different depths of the detector and produce a depth dependent error in detector accuracy.