Mögliche Abschlussarbeiten am Flugzeitspektrometer

  Aufbau des Flugzeitspektrometers am HIT 2015 Urheberrecht: Max Emde

Das Ziel unserer Gruppe ist die Messung nuklearer Wirkungsquerschnitte, die in der Strahlentherapie mit Hadronen relevant sind. Das dafür gebaute Flugzeitspektrometer ist mit etwa 300 analogen Signalkanälen ein technisch anspruchvolles Projekt, das von einer kleinen Gruppe von zwei bis fünf Studenten betrieben und weiterentwickelt wird. Daher ergeben sich viele Möglichkeiten für Abschlussarbeiten in den Bereichen der Detektorentwicklung, der Simulation und der Analyse. Als Masterstudent haben Sie innerhalb eines Jahres die Chance, an einer Strahlzeit - etwa am HIT in Heidelberg - teilzunehmen.

 

Themengebiete

NIM-Crate mit Modulen Urheberrecht: Max Emde Elektronik

Am Flugzeitspektrometer werden auf Nachfrage Bachelor- und Masterarbeiten angeboten. Themenbereiche dafür sind unter anderem

  • Detektorentwicklung
  • Simulation und
  • Elektronik.

Viele Arbeiten beinhalten Aufgaben aus mehreren dieser Bereiche. Konkrete Themenvorschläge werden am Tag der Physik präsentiert.

 

Detektorentwicklung

Alle Detektoren des Flugzeitspektrometers sind Eigenentwicklungen. Sie dienen der Messung des Ortes, der Ankunftszeit, der Energie oder des spezifischen Energieverlusts von geladenen Teilchen, die in der Ionentherapie relevant sind. Die Detektoren bestehen in der Regel aus einem Szintillator und einem Photosensor sowie der dafür benötigten Elektronik. Beim Bau von Detektoren müssen Szintillatormaterial, optische Eigenschaften und der Sensor für die zu messenden Größen optimiert werden. Für Zeitmessungen verwenden wir häufig schnelle Plastikszintillatoren, die mittels Siliziumphotomultipliern (SiPM) ausgelesen werden, um Zeitauflösungen in der Größenordnung von 100 ps zu erreichen.

 

Simulation

Der komplette Aufbau des Flugzeitspektrometers liegt als Monte-Carlo-Simulation in Geant4 vor. Ihre Aufgabe ist es, neue Detektoren und Änderungen der Geometrie in die Simulation zu übernehmen. Häufig werden kleinere Simulationen von Einzelkomponenten oder Laboraufbauten benötigt, um Vergleiche mit Messdaten durchzuführen. Ihre Simulationen sind ein wichtiger Bestandteil der Optimierung von Detektoren und ein essenzieller Beitrag zum Verständnis von Messergebnissen.

Geant4 ist ein objektorientiertes Framework in C++, daher sollten Sie über Programmierkenntnisse in dieser Sprache verfügen, wenn Sie eine Arbeit in diesem Bereich beginnen möchten.

 

Elektronik

Die Elektronik des Flugzeitspektrometers umfasst sowohl zugekaufte Elektronik in NIM- oder VME-Modulen, als auch Eigenentwicklungen. Hauptsächlich für Logikschaltungen und für die Digitalisierung der Messdaten verwenden wir fertige, vielseitig einsetzbare Module. Für speziellere Anwendungen wie etwa Vorverstärkerschaltungen für Photodioden werden eigene Platinen entwickelt, um die elektrischen Signale der Photodioden optimal zur Messung von Zeiten oder Lichtmengen aufzubereiten. Für Steuerungs- und Regelungszwecke kommen häufig Mikrocontroller zum Einsatz, deren Firmware programmiert werden muss.

Den Umgang mit modularer Elektronik sollten Sie in den Physik-Praktika gelernt haben. Grundkenntnisse zu analogen Schaltungen und zur Mikrocontrollerprogrammierung vermittelt unter anderem die Vorlesung Elektronik für Physiker im Bachelorstudiengang.

 

Software

Praktisch alle Arbeiten in unser Arbeitsgruppe beinhalten die Entwicklung eigene Programme, die zur Aufnahme und Analyse der Messdaten dienen. Zum Einsatz kommen dabei C++ und vermehrt auch Python. Messdaten werden in ROOT gespeichert, sodass sich dieses auch zur Analyse anbietet. Programmierkenntnisse in einer dieser beiden Sprachen also unerlässlich.

Kontakt

Name

Max Emde

Flugzeitspektrometer