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Markus Hofstetter

• Ionization chambers have been used since the beginning of the 20th century for measuring ionizing radiation and still represent the "gold standard" in dosimetry. However, since the sensitivity of the devices is proportional to the detection volume, ionization chambers are not common in numerous medical applications, such as imaging. In these fields, spatially resolved dose information is, beside film-systems, usually measured with scintillators and photo-multipliers, which is a relatively complex and expensive technique. For thus much effort has been focused on the development of novel detection systems in the last decades and especially in the last few years. Examples include germanium or silicon photoconductive detectors, MOSFETs, and PIN-diodes. Although for these systems, miniaturization for spatially resolved detection is possible, they suffer from a range of disadvantages. Characteristics such as poor measurement stability, material degradation, and/or a limited measurement rangeIonization chambers have been used since the beginning of the 20th century for measuring ionizing radiation and still represent the "gold standard" in dosimetry. However, since the sensitivity of the devices is proportional to the detection volume, ionization chambers are not common in numerous medical applications, such as imaging. In these fields, spatially resolved dose information is, beside film-systems, usually measured with scintillators and photo-multipliers, which is a relatively complex and expensive technique. For thus much effort has been focused on the development of novel detection systems in the last decades and especially in the last few years. Examples include germanium or silicon photoconductive detectors, MOSFETs, and PIN-diodes. Although for these systems, miniaturization for spatially resolved detection is possible, they suffer from a range of disadvantages. Characteristics such as poor measurement stability, material degradation, and/or a limited measurement range prevent routine application of these techniques in medical diagnostic devices. This work presents the development and evaluation of gallium nitride (GaN) thin films and heterostructures to validate their application in x-ray detection in the medical regime. Furthermore, the impact of particle radiation on device response was investigated. Although previous publications revealed relatively low energy absorption of GaN, it is possible to achieve very high signal amplification factors inside the material due to an appropriate sensor configuration, which, in turn, compensates the low energy absorption. Thus, gallium nitride can be used as a photo-conductor with ohmic contacts. The conductive volume of the sensor changes in the presence of external radiation, which results in an amplified measurement signal after applying a bias voltage to the device. Experiments revealed a sensitivity of the device between air kerma rates of 1 µGy/s and 20 mGy/s. In this range, the measured signals can be calibrated against the corresponding dose rate. The sensors were tested in an x-ray energy regime of 10 – 200 keV. Although the active sensor volume of the GaN devices is about 10^5 times smaller than ionization chambers, it was possible to produce partially comparable measurement results. By utilizing a two-dimensional electron gas, which is produced inside an AlGaN/GaN heterostructure, a further increase of the amplification factors of the devices was achievable. Therefore, measurement of photon intensities in the range of > 10^3 photons/s is possible. Since these structures are also used for the measurement of physiological parameters like the pH value, combined measurements of surface potentials and x-ray dosimetry were investigated. It could be shown that not only a measurement of physiological parameters during an irradiation is possible but also combined simultaneous measurements of radiation and the surface pH, while keeping a sensitivity of 57 mV/pH. Therefore the GaN sensors could be used as biosensing tools in radiation biophysics, in addition to their application as pure dosimeters. Biocompatibility and biofunctionality evaluations of gallium nitride show that no alterations of cellular systems in direct contact with the material are measureable. In summary, this work demonstrates a novel system for radiation detection based on gallium nitride, which possesses characteristics that could overcome difficulties of other technologies, such as these mentioned above. Furthermore, by utilizing a heterostructure, the devices could be used as biosensors, which work during external radiation exposure and allow multi-parameter measurements.…
• Ionisationskammern zur Messung ionisierender Strahlung werden bereits seit Beginn des 20. Jahrhunderts verwendet und stellen immer noch den "Gold-Standard" in der Dosimetrie dar. Da die Empfindlichkeit allerding proportional zum Detektionsvolumen ist, finden Ionisationskammern nahezu keine Anwendung in der medizinischen Bildgebung. Dort werden ortsaufgelöste Dosisinformationen, neben Filmsystemen, in der Regel mit Szintillationskristallen und Photomultipliern erfasst, was aber wiederum ein recht aufwendiges und komplexes Verfahren darstellt. Aus diesem Grund wurde in den letzten Jahren viel Aufwand in die Erforschung neuartiger Detektionssysteme gesteckt. Beispiele hierfür wären Germanium- oder Silizium-Halbleiterdetektoren, MOSFET-Detektoren oder PIN-Dioden. Obwohl diese Techniken eine Miniaturisierung und somit eine ortsaufgelöste Detektion ermöglichen, verhindern Nachteile wie beispielsweise eine begrenzte Messstabilität, Materialdegradation oder ein eingeschränkter MessbereichIonisationskammern zur Messung ionisierender Strahlung werden bereits seit Beginn des 20. Jahrhunderts verwendet und stellen immer noch den "Gold-Standard" in der Dosimetrie dar. Da die Empfindlichkeit allerding proportional zum Detektionsvolumen ist, finden Ionisationskammern nahezu keine Anwendung in der medizinischen Bildgebung. Dort werden ortsaufgelöste Dosisinformationen, neben Filmsystemen, in der Regel mit Szintillationskristallen und Photomultipliern erfasst, was aber wiederum ein recht aufwendiges und komplexes Verfahren darstellt. Aus diesem Grund wurde in den letzten Jahren viel Aufwand in die Erforschung neuartiger Detektionssysteme gesteckt. Beispiele hierfür wären Germanium- oder Silizium-Halbleiterdetektoren, MOSFET-Detektoren oder PIN-Dioden. Obwohl diese Techniken eine Miniaturisierung und somit eine ortsaufgelöste Detektion ermöglichen, verhindern Nachteile wie beispielsweise eine begrenzte Messstabilität, Materialdegradation oder ein eingeschränkter Messbereich einen routinemäßig verbreiteten Einsatz. In dieser Arbeit werden dünne Galliumnitrid (GaN) Schichten sowie Heterostrukturen basierend auf Galliumnitrid bezüglich der Detektion von Röntgenstrahlung im medizinisch relevanten Bereich untersucht. Weiterhin werden der Einfluss von Partikelstrahlung und die daraus resultierenden Effekte erforscht. Obwohl frühere Publikationen bereits zeigten, dass die Energieabsorption von Röntgenstrahlung in Galliumnitrid relativ gering ist, ist es möglich, durch eine geeignete Sensorkonfiguration sehr hohe Verstärkungsfaktoren im Material zu verwirklichen und somit die geringe Absorption zu kompensieren. Dabei wird das Galliumnitrid als Photoleiter mit ohmschen Kontakten eingesetzt. Unter Röntgenstrahlung ändert sich das leitfähige Volumen des Detektorelements, was durch Anlegen einer Vorspannung zu einem verstärkten Messsignal führt. Experimente haben gezeigt, dass sich in einem Dosisratenbereich zwischen 1 µGy/s und 20 mGy/s eine deutliche Änderung des Messsignals ergibt, das wiederum mit der Dosisrate abgeglichen werden kann. Dabei wurden die Sensoren in einem Energiebereich von 10 – 200 keV getestet. Obwohl das Messvolumen der GaN-Sensoren etwa um den Faktor 10^5 kleiner ist als das von Ionisationskammern, konnten teilweise vergleichbare Messergebnisse erzielt werden. Durch das Ausnutzen eines zweidimensionalen Elektronengases einer AlGaN/GaN Heterostruktur, konnten noch höhere Verstärkungsfaktoren der Sensoren erzielt werden, was eine Messung von Photonenflüssen im Bereich von > 10^3 Teilchen/s ermöglicht. Da diese Heterostrukturen auch für Messungen physiologischer Parameter wie beispielsweise den pH-Wert eingesetzt werden, wurde weiterhin die Kombination von Oberflächenpotentialmessungen mit der Röntgendosimetrie untersucht. Es konnte gezeigt werden, dass nicht nur die Messung von physiologischen Größen während Bestrahlungsexperimenten möglich ist, sondern sogar kombinierte Messungen von pH und Strahlung realisierbar sind, wobei die Oberflächensensitivität von 57 mV/pH erhalten bleibt. Untersuchungen bezüglich der Biokompatibilität und Biofunktionalität von Galliumnitrid haben gezeigt, dass keine messbaren Veränderungen in zellulären Systemen auftreten, die durch das Material verursacht werden. Zusammenfassend wird in dieser Arbeit gezeigt, dass Detektoren basierend auf Galliumnitrid ein neuartiges System zur Strahlendetektion darstellt, das Eigenschaften besitzt, womit eventuell Probleme bisheriger Technologien überwunden werden können. Weiterhin lassen sich mit einer GaN-Heterostruktur Biosensoren verwirklichen, die unter Röntgenstrahlung arbeiten und Messungen mehrerer Parameter ermöglichen.…