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The proposed project will revolve around temporally and spatially structured accelerator-generated beams, required for novel radiotherapy methods such as FLASH and Microbeam RT. The focus will be on the involved accelerator physics, in particular the investigation of collective effects within these complex beams, a connection that has so far received little attention. The involved, densely populated pulses lead to strong interactions between the particles and the particle ensembles with the environment, the so-called collective effects. These can have a strong influence on the beam shape, an important parameter for successful radiation treatment. In order to improve the predictability of the beam properties on target, the consideration of collective effects is additionally extended to beam-matter interactions outside the accelerator. This, combined with systematic investigations of applicable diagnostic methods, forms the basis for research into the possibilities and limitations of accelerator-based pulse shaping and modulation. To this end, methods for generating customized, predefined particle distributions for radiotherapy will be developed and demonstrated within this project. Beyond this, the project has the potential to contribute to the advancement of intense and short pulse applications (in accelerator science) by advancing the understanding, predictability and control of complex beams.
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Im Fokus des vorgeschlagenen Projekts werden zeitlich und räumlich strukturierte, von Beschleunigern erzeugte Teilchenstrahlen stehen, die für neuartige Strahlentherapieverfahren, wie FLASH und Microbeam radiotherapy, benötigt werden. Der Schwerpunkt liegt dabei auf der beteiligten Beschleunigerphysik, insbesondere der Untersuchung kollektiver Effekte innerhalb dieser komplexen Strahlen, ein bisher wenig berücksichtigter Zusammenhang. Die verwendeten, dicht besetzten Pulse führen zu starke Wechselwirkungen der Teilchen untereinander sowie der Teilchenensembles mit der Umgebung, den sogenannten kollektiven Effekten. Diese können einen starken Einfluss auf die Strahlform haben, ein wichtiger Parameter für eine erfolgreiche Strahlenbehandlung. Um die Vorhersagbarkeit der Strahleigenschaften auf dem Target zu präzisieren, wird die Betrachtung der kollektiven Effekte zusätzlich auf die Strahl-Materie-Wechselwirkung außerhalb des Beschleunigers ausgedehnt. In Verbindung mit einer systematischen Untersuchung geeigneter Diagnosemethoden bildet dies die Grundlage für die Erforschung der Möglichkeiten und physikalischen Grenzen von beschleunigerbasierter Pulsformung und -modulation. Dazu sollen, im Rahmen dieses Projekts, Methoden zu Erzeugung maßgeschneiderter, vordefinierter Strahlverteilungen für die Strahlentherapie entwickelt und demonstriert werden. Auch über diese Anwendung hinaus, hat das Projekt das Potenzial zum allgemeinen Fortschritt der Anwendungen von Teilchenpulsen hoher Intensität und kurzer Dauer (in der Beschleunigerphysik) beizutragen, indem es Verständnis, Vorhersagbarkeit und die Möglichkeit zur Kontrolle dieser komplexen Teilchenstrahlen vorantreibt.
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