Gemischte Ionenstrahlen
 

Um eine online Reichweitenverifikation in der Ionenstrahlentherapie zu ermöglichen, wurde in den letzten Jahren die Bestrahlung von Patient:innen mit gemischten  Helium- (4He-2+) und Kohlenstoffionenstrahlen (12C-6+) vorgeschlagen

Dabei sollen beide Ionenarten gleichzeitig beschleunigt und zur Patient:in extrahiert werden. Da Heliumionen bei gleicher Extraktionsenergie pro Nukleon in Materie eine etwa dreifach größere Reichweite als Kohlenstoffionen besitzen, kann der Kohlenstoffstrahl für die Behandlung genutzt werden, während der Heliumstrahl für die Reichweitenverifikation und Ionenbildgebung in einem Detektor hinter der Patient:in zur Verfügung steht.

Gemeinsam mit MedAustron entwickeln wir an der TU Wien neue Methoden zur Bereitstellung und Anwendung solcher gemischter Ionenstrahlen. Die Erzeugung gemischter Helium- und Kohlenstoffionenstrahlen in bestehenden klinischen Synchrotronanlagen ohne größere technische Upgrades ist nicht trivial und erforderte unter anderem die Entwicklung einer neuen Injektionsmethode, bei der Helium- und Kohlenstoffionenstrahlen getrennt in das Synchrotron injiziert und dabei gemischt werden. Auch der Beschleunigungsprozess stellt besondere Anforderungen, da bereits der geringe relative Unterschied im Masse-Ladungs-Verhältnis der beiden Ionensorten von 0.065 % zu messbaren Effekten führt. Bei der langsamen Resonanzextraktion müssen Unterschiede in der 6D-Phasenraumverteilung beider Ionensorten berücksichtigt und geeignete Anregungsmethoden entwickelt werden, damit der Anteil von Helium relativ zu Kohlenstoff über die gesamte Extraktionsdauer möglichst konstant bleibt.  Ein weiterer Schwerpunkt des Projekts ist die Entwicklung geeigneter Strahldiagnostik im Beschleuniger und Experimentierraum, um die Eigenschaften des gemischten Strahls präzise charakterisieren zu können.

Der erste wichtige Meilenstein unseres Projektes wurde im Sommer 2024 erreicht, als erstmals ein gemischter Ionenstrahl in den Forschungsraum von MedAustron extrahiert werden konnte. Heute lässt sich der Heliumanteil im Strahl flexibel und reproduzierbar zwischen 0 und 100% einstellen. Seit Ende 2025 setzen wir den gemischte Strahl in ersten Experimenten zur Reichweiteverifikation ein. In diesem Projekt arbeiten wir eng mit dem Ionenbildgebungsteam unserer Gruppe, den Medizinphysikteams von MedAustron und der Medizinischen Universität Wien sowie mit Kolleg:innen am Marietta Blau Institut, am CNAO und der GSI zusammen.

Langsame Resonanzextraktion 
 

Die langsame Resonanzextraktion ist eine Strahlmanipulationstechnik, mit der ein geladener Teilchenstrahl aus einem Synchrotron über Millionen von Umläufen, entsprechend mehreren Sekunden, kontrolliert und mit nahezu konstanter Intensität extrahiert werden kann. Dadurch können zum Beispiel Fixed-Target Experimente in der Hochenergiephysik oder Patient:innen in der Ionenstrahltherapie über mehrere Sekunden hinweg kontinuierlich bestrahlt werden. In der Ionenstrahltherapie ermöglicht dies zudem, den schmalen Pencil Beam transversal über den Tumorquerschnitt zu scannen.

Die Wahl der Extraktionstechnik beeinflusst dabei maßgeblich die resultierende Strahlqualität und -stabilität und ist daher sowohl in der Hochenergiephysik als auch in der Ionenstrahltherapie von zentraler Bedeutung. Neben etablierten Verfahren werden deshalb von einer aktiven internationalen Forschungsgemeinschaft alternative Strahlanregungsmethoden untersucht, um die Strahlqualität und -stabilität weiter zu verbessern und neue Strahleigenschaften- und somit Anwendungen zu ermöglichen.

Ein aktueller Forschungsschwerpunkt unseres Teams in diesem Bereich ist die Multi-Energie Extraktion. Dieses Verfahren ermöglicht es, die Strahlenergie während einer mehrere Sekunden dauernden Extraktion gezielt zu verändern. Dadurch können mehrere Tumortiefen innerhalb einer einzigen Extraktion bestrahlt werden, was die Bestrahlungszeit und den Energiebedarf pro Patient:in deutlich reduziert. Darüber hinaus arbeiten wir unter anderem an der kontinuierlichen und gepulsten Extraktion sogenannter Ultra-High Dose Rate (UHDR) Strahlen, also Strahlen mit besonders hoher Extraktions- und damit Dosisrate. Solche Strahlen schaffen die Grundlage für FLASH Strahlentherapie, einen innovativen neuen Ansatz in der Ionenstrahltherapie.

Machbarkeits- und Designstudien für neue Strahlmodalitäten und Forschungsinfrastruktur

Steigende Anforderungen wissenschaftlicher Nutzer:innen an die Eigenschaften von Ionenstrahlen sind ein wichtiger Impuls für unsere Arbeit in der Beschleunigerphysik. Im Rahmen von Machbarkeits- und Designstudien untersuchen wir, wie sich neue Anforderungen, insbesondere aus anderen Forschungsgruppen am MedAustron, mit bestehenden Anlagen und Infrastrukturen umsetzen lassen, und entwickeln bei Bedarf Konzepte für gezielte Erweiterungen der Forschungsinfrastruktur. Dazu zählen unter anderem Studien zur Bereitstellung neuer Ionenarten wie Sauerstoffionen sowie Designstudien für Strahllinien zu neuen Ionenstrahl-Experimentierstationen im Nieder- und Hochenergiebereich.