Laser driven proton acceleration and beam shaping

In the race to obtain protons with higher energies, using more compact systems at the same time, laser-driven plasma accelerators are becoming an interesting possibility. But for now, only beams with extremely broad energy spectra and high divergence have been produced. The driving line of this PhD thesis was the study and design of a compact system to extract a high quality beam out of the initial bunch of protons produced by the interaction of a laser pulse with a thin solid target, using experimentally reliable technologies in order to be able to test such a system as soon as possible. In this thesis, different transport lines are analyzed. The first is based on a high field pulsed solenoid, some collimators and, for perfect filtering and post-acceleration, a high field high frequency compact linear accelerator, originally designed to accelerate a 30 MeV beam extracted from a cyclotron. The second one is based on a quadruplet of permanent magnetic quadrupoles: thanks to its greater simplicity and reliability, it has great interest for experiments, but the effectiveness is lower than the one based on the solenoid; in fact, the final beam intensity drops by an order of magnitude. An additional sensible decrease in intensity is verified in the third case, where the energy selection is achieved using a chicane, because of its very low efficiency for off-axis protons. The proposed schemes have all been analyzed with 3D simulations and all the significant results are presented. Future experimental work based on the outcome of this thesis can be planned and is being discussed now.

Analysis of cone-beam ct dose in image-guided radiation therapy for brain and prostate cancer patients via gpu-based Monte Carlo simulations

La radioterapia guidata da immagini (IGRT), grazie alle ripetute verifiche della posizione del paziente e della localizzazione del volume bersaglio, si è recentemente affermata come nuovo paradigma nella radioterapia, avendo migliorato radicalmente l’accuratezza nella somministrazione di dose a scopo terapeutico. Una promettente tecnica nel campo dell’IGRT è rappresentata dalla tomografia computerizzata a fascio conico (CBCT). La CBCT a kilovoltaggio, consente di fornire un’accurata mappatura tridimensionale dell’anatomia del paziente, in fase di pianificazione del trattamento e a ogni frazione del medisimo. Tuttavia, la dose da imaging attribuibile alle ripetute scansioni è diventata, negli ultimi anni, oggetto di una crescente preoccupazione nel contesto clinico. Lo scopo di questo lavoro è di valutare quantitativamente la dose addizionale somministrata da CBCT a kilovoltaggio, con riferimento a tre tipici protocolli di scansione per Varian OnBoard Imaging Systems (OBI, Palo Alto, California). A questo scopo sono state condotte simulazioni con codici Monte Carlo per il calcolo della dose, utilizzando il pacchetto gCTD, sviluppato sull’architettura della scheda grafica. L’utilizzo della GPU per sistemi server di calcolo ha permesso di raggiungere alte efficienze computazionali, accelerando le simulazioni Monte Carlo fino a raggiungere tempi di calcolo di ~1 min per un caso tipico. Inizialmente sono state condotte misure sperimentali di dose su un fantoccio d’acqua. I parametri necessari per la modellazione della sorgente di raggi X nel codice gCTD sono stati ottenuti attraverso un processo di validazione del codice al fine di accordare i valori di dose simulati in acqua con le misure nel fantoccio. Lo studio si concentra su cinquanta pazienti sottoposti a cicli di radioterapia a intensità modulata (IMRT). Venticinque pazienti con tumore al cervello sono utilizzati per studiare la dose nel protocollo standard-dose head e venticinque pazienti con tumore alla prostata sono selezionati per studiare la dose nei protocolli pelvis e pelvis spotlight. La dose media a ogni organo è calcolata. La dose media al 2% dei voxels con i valori più alti di dose è inoltre computata per ogni organo, al fine di caratterizzare l’omogeneità spaziale della distribuzione.

First doubly polarised photoproduction on 3 He at the photon beam of MAMI

Im Juli 2009 wurde am Mainzer Mikrotron (MAMI) erstmal ein Experiment durchgeführt, bei dem ein polarisiertes 3He Target mit Photonen im Energiebereich von 200 bis 800 MeV untersucht wurde. Das Ziel dieses Experiments war die Überprüfung der Gerasimov-Drell-Hearn Summenregel am Neutron. Die Verwendung der Messdaten welche mit dem polarisierten 3He Target gewonnen wurden, geben - im Vergleich mit den bereits existieren Daten vom Deuteron - aufgrund der Spin-Struktur des 3He einen komplementären und direkteren Zugang zum Neutron. Die Messung des totalen helizitätsabhängigen Photoabsorptions-Wirkungsquerschnitts wurde mittels eines energiemarkierten Strahls von zirkular polarisierten Photonen, welcher auf das longitudinal polarisierte 3He Target trifft, durchgeführt. Als Produktdetektoren kamen der Crystal Ball (4π Raumabdeckung), TAPS (als ”Vorwärtswand”) sowie ein Schwellen-Cherenkov-Detektor (online Veto zur Reduktion von elektromagnetischen Ereignissen) zum Einsatz. Planung und Aufbau der verschiedenen komponenten Teile des 3He Experimentaufbaus war ein entscheidender Teil dieser Dissertation und wird detailliert in der vorliegenden Arbeit beschrieben. Das Detektorsystem als auch die Analyse-Methoden wurden durch die Messung des unpolarisierten, totalen und inklusiven Photoabsoprtions-Wirkungsquerschnitts an flüssigem Wasserstoff getestet. Hierbei zeigten die Ergebnisse eine gute Übereinstimmung mit bereits zuvor publizierten Daten. Vorläufige Ergebnisse des unpolarisierten totalen Photoabsorptions-Wirkungsquerschnitts sowie der helizitätsabhängige Unterschied zwischen Photoabsorptions-Wirkungsquerschnitten an 3He im Vergleich zu verschiedenen theoretischen Modellen werden vorgestellt.

Modelling and analysis of thin-walled beams in the context of the Generalized Beam Theory

In this work, the Generalized Beam Theory (GBT) is used as the main tool to analyze the mechanics of thin-walled beams. After an introduction to the subject and a quick review of some of the most well-known approaches to describe the behaviour of thin-walled beams, a novel formulation of the GBT is presented. This formulation contains the classic shear-deformable GBT available in the literature and contributes an additional description of cross-section warping that is variable along the wall thickness besides along the wall midline. Shear deformation is introduced in such a way that the classical shear strain components of the Timoshenko beam theory are recovered exactly. According to the new kinematics proposed, a reviewed form of the cross-section analysis procedure is devised, based on a unique modal decomposition. Later, a procedure for a posteriori reconstruction of all the three-dimensional stress components in the finite element analysis of thin-walled beams using the GBT is presented. The reconstruction is simple and based on the use of three-dimensional equilibrium equations and of the RCP procedure. Finally, once the stress reconstruction procedure is presented, a study of several existing issues on the constitutive relations in the GBT is carried out. Specifically, a constitutive law based on mirroring the kinematic constraints of the GBT model into a specific stress field assumption is proposed. It is shown that this method is equally valid for isotropic and orthotropic beams and coincides with the conventional GBT approach available in the literature. Later on, an analogous procedure is presented for the case of laminated beams. Lastly, as a way to improve an inherently poor description of shear deformability in the GBT, the introduction of shear correction factors is proposed. Throughout this work, numerous examples are provided to determine the validity of all the proposed contributions to the field.

The new Beam Halo Monitor for the CMS experiment at the LHC

In the context of increasing beam energy and luminosity of the LHC accelerator at CERN, it will be important to accurately measure the Machine Induced Background. A new monitoring system will be installed in the CMS cavern for measuring the beam background at high radius. This detector, called the Beam Halo Monitor, will provide an online, bunch-by-bunch measurement of background induced by beam halo interactions, separately for each beam. The detector is composed of synthetic quartz Cherenkov radiators, coupled to fast UV sensitive photomultiplier tubes. The directional and fast response of the system allows the discrimination of the background particles from the dominant flux in the cavern induced by pp collision debris, produced within the 25 ns bunch spacing. The readout electronics of this detector will make use of many components developed for the upgrade of the CMS Hadron Calorimeter electronics, with a dedicated firmware and readout adapted to the beam monitoring requirements. The PMT signal will be digitized by a charge integrating ASIC, providing both the signal rise time and the charge integrated over one bunch crossing. The backend electronics will record bunch-by-bunch histograms, which will be published to CMS and the LHC using the newly designed CMS beam instrumentation specific DAQ. A calibration and monitoring system has been designed to generate triggered pulses of UV light to monitor the efficiency of the system. The experimental results validating the design of the detector, the calibration system and the electronics will be presented.

The scintillating fiber focal plane detector for the use of Kaos as a double arm spectrometer

The upgrade of the Mainz Mikrotron (MAMI) electron accelerator facility in 2007 which raised the beam energy up to 1.5,GeV, gives the opportunity to study strangeness production channels through electromagnetic process. The Kaon Spectrometer (KAOS) managed by the A1 Collaboration, enables the efficient detection of the kaons associated with strangeness electroproduction. Used as a single arm spectrometer, it can be combined with the existing high-resolution spectrometers for exclusive measurements in the kinematic domain accessible to them.rnrnFor studying hypernuclear production in the ^A Z(e,e'K^+) _Lambda ^A(Z-1) reaction, the detection of electrons at very forward angles is needed. Therefore, the use of KAOS as a double-arm spectrometer for detection of kaons and the electrons at the same time is mandatory. Thus, the electron arm should be provided with a new detector package, with high counting rate capability and high granularity for a good spatial resolution. To this end, a new state-of-the-art scintillating fiber hodoscope has been developed as an electron detector.rnrnThe hodoscope is made of two planes with a total of 18432 scintillating double-clad fibers of 0.83 mm diameter. Each plane is formed by 72 modules. Each module is formed from a 60deg slanted multi-layer bundle, where 4 fibers of a tilted column are connected to a common read out. The read-out is made with 32 channels of linear array multianode photomultipliers. Signal processing makes use of newly developed double-threshold discriminators. The discriminated signal is sent in parallel to dead-time free time-to-digital modules and to logic modules for triggering purposes.rnrnTwo fiber modules were tested with a carbon beam at GSI, showing a time resolution of 220 ps (FWHM) and a position residual of 270 microm m (FWHM) with a detection efficiency epsilon>99%.rnrnThe characterization of the spectrometer arm has been achieved through simulations calculating the transfer matrix of track parameters from the fiber detector focal plane to the primary vertex. This transfer matrix has been calculated to first order using beam transport optics and has been checked by quasielastic scattering off a carbon target, where the full kinematics is determined by measuring the recoil proton momentum. The reconstruction accuracy for the emission parameters at the quasielastic vertex was found to be on the order of 0.3 % in first test realized.rnrnThe design, construction process, commissioning, testing and characterization of the fiber hodoscope are presented in this work which has been developed at the Institut für Kernphysik of the Johannes Gutenberg - Universität Mainz.

Optimized scheduling in real-time environments with column generation

Im Bereich sicherheitsrelevanter eingebetteter Systeme stellt sich der Designprozess von Anwendungen als sehr komplex dar. Entsprechend einer gegebenen Hardwarearchitektur lassen sich Steuergeräte aufrüsten, um alle bestehenden Prozesse und Signale pünktlich auszuführen. Die zeitlichen Anforderungen sind strikt und müssen in jeder periodischen Wiederkehr der Prozesse erfüllt sein, da die Sicherstellung der parallelen Ausführung von größter Bedeutung ist. Existierende Ansätze können schnell Designalternativen berechnen, aber sie gewährleisten nicht, dass die Kosten für die nötigen Hardwareänderungen minimal sind. Wir stellen einen Ansatz vor, der kostenminimale Lösungen für das Problem berechnet, die alle zeitlichen Bedingungen erfüllen. Unser Algorithmus verwendet Lineare Programmierung mit Spaltengenerierung, eingebettet in eine Baumstruktur, um untere und obere Schranken während des Optimierungsprozesses bereitzustellen. Die komplexen Randbedingungen zur Gewährleistung der periodischen Ausführung verlagern sich durch eine Zerlegung des Hauptproblems in unabhängige Unterprobleme, die als ganzzahlige lineare Programme formuliert sind. Sowohl die Analysen zur Prozessausführung als auch die Methoden zur Signalübertragung werden untersucht und linearisierte Darstellungen angegeben. Des Weiteren präsentieren wir eine neue Formulierung für die Ausführung mit fixierten Prioritäten, die zusätzlich Prozessantwortzeiten im schlimmsten anzunehmenden Fall berechnet, welche für Szenarien nötig sind, in denen zeitliche Bedingungen an Teilmengen von Prozessen und Signalen gegeben sind. Wir weisen die Anwendbarkeit unserer Methoden durch die Analyse von Instanzen nach, welche Prozessstrukturen aus realen Anwendungen enthalten. Unsere Ergebnisse zeigen, dass untere Schranken schnell berechnet werden können, um die Optimalität von heuristischen Lösungen zu beweisen. Wenn wir optimale Lösungen mit Antwortzeiten liefern, stellt sich unsere neue Formulierung in der Laufzeitanalyse vorteilhaft gegenüber anderen Ansätzen dar. Die besten Resultate werden mit einem hybriden Ansatz erzielt, der heuristische Startlösungen, eine Vorverarbeitung und eine heuristische mit einer kurzen nachfolgenden exakten Berechnungsphase verbindet.

Parity violating asymmetry in the electron deuteron quasielastic scattering, strange vector and axial vector form factors and beam normal spin asymmetries

In dieser Arbeit wurde die paritätsverletzende Asymmetrie in derrnquasielastischen Elektron-Deuteron-Streuung bei Q^2=0.23 (GeV/c)^2 mitrneinem longitudinal polarisierten Elektronstrahl bei einer Energie von 315rnMeV bestimmt. Die Messung erfolgte unter Rückwärtswinkeln. Der Detektor überdeckte einen polaren Streuwinkelbereichrnzwischen 140 und 150 deg. Das Target bestand aus flüssigemrnDeuterium in einer Targetzelle mit einer Länge von 23.4 cm. Dierngemessene paritätsverletzende Asymmetrie beträgt A_{PV}^d = (-20.11 pm 0.87_{stat} pm 1.03_{syst}), wobei der erste Fehler den statistischenrnFehlereitrag und der zweite den systematischen Fehlerbeitrag beschreibt. Ausrnder Kombination dieser Messung mit Messungen der paritätsverletzendenrnAsymmetrie in der elastischen Elektron-Proton-Streuung bei gleichem Q^2rnsowohl bei Vorwärts- als auch bei Rückwärtsmessungen können diernVektor-Strange-Formfaktoren sowie der effektive isovektorielle und isoskalarernVektorstrom des Protons, der die elektroschwachen radiativen Anapolkorrekturenrnenthält, bestimmt werden. Diese Arbeit umfasst ausserdem die Bestimmungrnder Asymmetrien bei einem transversal polarisierten Elektronstrahl sowohl beirneinem Proton- als auch einem Deuterontarget unter Rückwärtswinkeln beirnImpulsüberträgen von Q^2=0.10 (GeV/c)^2, Q^2=0.23 (GeV/c)^2rnund Q^2=0.35 (GeV/c)^2. Die im Experiment beobachteten Asymmetrien werdenrnmit theoretischen Berechnungen verglichen, welche den Imaginärteil der Zweiphoton-Austauschamplitude beinhalten.

Progettazione e sviluppo di un collimatore multi-slit per un sistema tomografico cone-beam con raggi X di alta energia

L'obiettivo di questo lavoro di tesi consiste nel progettare, realizzare e testare due collimatori multi-slit da applicare ad un sistema tomografico a raggi X con geometria cone-beam, caratterizzato da un voltaggio massimo di 320 kV. I collimatori che verranno realizzati sono un pre-collimatore e un post-collimatore entrambi multi-slit. Il fine ultimo è quello di riuscire ad avere un sistema di collimazione che permetta attraverso due sole tomografie di ottenere la ricostruzione dell'intero campione. L'abbattimento del tempo necessario per eseguire l'analisi costituisce il target su cui si basa questa tesi. Successivamente sulle immagini prodotte mediante questo nuovo sistema di collimazione saranno condotte delle specifiche analisi e i risultati saranno confrontati con quelli ottenuti mediante un sistema di collimazione a singola fenditura, anch'esso progettato in questa tesi e appositamente realizzato.

Il metodo del beam-forming acustico

Nel corso di questa tesi si svilupperà il metodo del Beam-forming acustico, uno dei più semplici algoritmi di elaborazione segnale che permette di isolare spazialmente un suono proveniente da una precisa direzione decisa da noi, creando quindi un microfono super-direzionale orientabile a partire da un array microfonico di caratteristiche note. Inoltre si implementerà in modo pratico l'algoritmo per descrivere il livello sonoro emesso da ogni punto di una sorgente sonora estesa in modo da mappare l'intensità di quest'ultima in un'immagine 2D da sovrapporre all'immagine stessa dell'oggetto. Volendo schematizzare in breve questa tesi, essa è composta da una prima parte teorica contenente gli argomenti che ci servono per descrivere lo spazio acustico e le onde acustiche, una seconda parte riguardante i microfoni e i suoi vari parametri, una terza parte riguardante la teoria sull'elaborazione segnale nel dominio del tempo e delle frequenze e in particolare cenni sulla trasformata di Fourier. Nella parte successiva verranno descritti i due principali metodi di Beam-forming acustico trattando sia gli apparati di misura sia i due algoritmi, facendo sempre riferimento alle parti di teoria necessarie alla spiegazione del metodo. Infine nell'ultima parte della tesi verrà discusso in primo luogo la creazione del microfono virtuale, in particolare parleremo della sua sensibilità in funzione della direzione avvalendoci di uno schema che in letteratura viene denominato Beam-pattern, in secondo luogo parleremo di come creare la mappa 2D dove effettivamente possiamo vedere l'intensità sonora dell'onda proveniente da ogni punto dell'oggetto preso in considerazione.

Sviluppo di un metodo di radioterapia adattativa tramite immagini portali e Cone-Beam CT

Il presente lavoro, svolto presso il servizio di Fisica Sanitaria dell’Azienda Ospedaliera Universitaria di Parma, consiste nello sviluppo di un metodo innovativo di radioterapia adattativa. Il metodo è stato applicato a pazienti affetti da varie patologie, trattati con tecnica VMAT, (Volumetric Modulated Arc Therapy), altamente conformata al target. Il metodo sviluppato si compone di due fasi: nella prima fase vengono effettuate due analisi su immagini portali, di ricostruzione della dose all'isocentro e l'analisi gamma 2D. Se almeno una di queste fallisce, si interviene con la seconda fase, che vede l'acquisizione della CBCT del paziente e la taratura in densità elettronica della stessa. Si calcola dunque il piano su CBCT, previa operazione di contouring da parte del medico e, infine, si esegue l'analisi gamma 3D sulle matrici di dose calcolate sulla CT e sulla CBCT del paziente, quantificando gli indici gamma sulle strutture PTV, CTV e OAR di interesse clinico. In base ai risultati, se necessario, si può intervenire sul piano di trattamento. Le analisi gamma 2D e 3D sono state svolte avvalendosi di un software toolkit chiamato GADD-23 (Gamma Analysis on 2D and 3D Dose Distributions) implementato e sviluppato appositamente in ambiente Matlab per questo lavoro di tesi; in particolare, la realizzazione di GADD-23 è stata resa possibile grazie all'interazione con due software di tipo open-source, Elastix e CERR, specifici per l’elaborazione e la registrazione di immagini mediche. I risultati ottenuti mostrano come il metodo sviluppato sia in grado di mettere in luce cambiamenti anatomici che alcuni pazienti hanno subìto, di tipo sistematico, in cui è possibile prendere in considerazione una ripianificazione del trattamento per correggerli, o di tipo casuale, sui quali può essere utile condurre l'attenzione del medico radioterapista, sebbene non sia necessario un replanning.

Beam Halo Monitor: il nuovo rivelatore di alone del fascio per l'esperimento CMS a LHC

In questa tesi sono le descritte le fasi progettuali e costruttive del Beam Halo Monitor (BHM), un rivelatore installato sull'esperimento CMS, durante il primo lungo periodo di shutdown di LHC, che ha avuto luogo tra il 2013 ed il 2015. BHM è un rivelatore ad emissione di luce Cherenkov ed ha lo scopo di monitorare le particelle di alone prodotte dai fasci di LHC, che arrivano fino alla caverna sperimentale di CMS, ad ogni bunch crossing (25 ns). E' composto da 40 moduli, installati alle due estremità di CMS, attorno alla linea di fascio, ad una distanza di 1.8 m da questa. Ciascun modulo è costituito da un cristallo di quarzo, utilizzato come radiatore ed un fotomoltiplicatore. Sono descritte in maniera particolare le prove eseguite sui moduli che lo compongono: la caratterizzazione dei fotomoltiplicatori ed i test di direzionalità della risposta. Queste costituiscono la parte di lavoro che ho svolto personalmente. Inoltre sono descritte le fasi di installazione del rivelatore nella caverna sperimentale, a cui ho preso parte ed alcuni test preliminari per la verifica del funzionamento.

Optimal sites for orthodontic mini-implant placement assessed by cone beam computed tomography

OBJECTIVES: To determine (1) the optimal sites for mini-implant placement in the maxilla and the mandible based on dimensional mapping of the interradicular spaces and cortical bone thickness and (2) The effect of age and sex on the studied anatomic measurements. MATERIAL AND METHODS: The cone beam computed tomography images of 100 patients (46 males, 54 females) divided into two age groups (13-18 years), and (19-27 years) were used. The following interradicular measurements were performed: (1) Buccolingual bone thickness; (2) Mesiodistal spaces both buccally and palatally/lingually; and (3) Buccal and palatal/lingual cortical thicknesses. RESULTS: In the maxilla, the highest buccolingual thickness existed between first and second molars; the highest mesiodistal buccal/palatal distances were between the second premolar and the first molar. The highest buccal cortical thickness was between the first and second premolars. The highest palatal cortical thickness was between central and lateral incisors. In the mandible, the highest buccolingual and buccal cortical thicknesses were between the first and second molars. The highest mesiodistal buccal distance was between the second premolar and the first molar. The highest mesiodistal lingual distance was between the first and second premolars. The highest lingual cortical thickness was between the canine and the first premolar. The males and the older age group had significantly higher buccolingual, buccal, and palatal cortical thicknesses at specific sites and levels in the maxilla and the mandible. CONCLUSIONS: A clinical guideline for optimal sites for mini-implant placement is suggested. Sex and age affected the anatomic measurements in certain areas in the maxilla and the mandible.

Morphology of the nasopalatine canal and dental implant surgery: a radiographic analysis of 100 consecutive patients using limited cone-beam computed tomography

To analyze the dimensions and anatomic characteristics of the nasopalatine canal and the corresponding buccal bone plate of the alveolar process, using limited cone-beam computed tomography (CBCT) imaging.

Whole brain radiotherapy with a conformational external beam radiation boost for lung cancer patients with 1-3 brain metastasis: a multi institutional study

To determine the outcome of patients with brain metastasis (BM) from lung cancer treated with an external beam radiotherapy boost (RTB) after whole brain radiotherapy (WBRT).