In der vorliegenden Arbeit werden grundsätzliche festkörperspektroskopische und dosimetrische Erkenntnisse zur Infrarot-Lumineszenz in Kalifeldspatmineralen vorgestellt. Diese Lumineszenz kann optisch und thermisch angeregt werden, wird aber primär während der Wechselwirkung der Minerale mit ionisierender Strahlung erzeugt Infrarot-Radiofluoreszenz (IR-RF)). Dabei sind zwei Emissionen bei 865 nm bzw. 910 nm messbar. Aus Erkenntnissen über die IR-Lumineszenz an Blei-dotierten Kaliumchloridkristallen (KCl:Pb) ist bekannt, dass monovalente Pb + -Ionen beide Emissionen hervorrufen. Pb + entsteht während der Bestrahlung der Proben von KCl:Pb und Kalifeldspatproben mit ionisierender Bestrahlung durch Elektroneneinfang aus Pb 2+ . Durch die UV-Anregung der IR-Lumineszenz der Pb + -Ionen (Infrarot-Photolumineszenz (IR-PL)) kann die Gegenläufigkeit der Zu- bzw. Abnahme der Konzentrationen an Pb + -Ionen bzw. über die Messung der IR-RF der Pb 2+ -Ionen nachgewiesen werden. Dieser Prozess ist durch Bestrahlung mit Licht der Wellenlängen <570 nm umkehrbar, was die optische "Bleichbarkeit" der IR-RF erklärt. All diese Eigenschaften begünstigen eine Nutzung dieses Lumineszenzphänomens für die Fixierung des letzten Belichtungszeitpunktes quartärer klastischer Sedimente. Die Präzision einer solchen Datierungsmethode wird stark von der Präzision der Kalibrierung der Laborquellen zur Regenerierung der natürlich absorbierten Energiedosen bestimmt. Daher wurde als wesentlicher Bestandteil dieser Arbeit die Eignung des synthetischen Thermolumineszenz-Dosimeters Al2O3:C als Sondendosimeter gemäß der Bragg-Gray-Hohlraumtheorie bewiesen und ein entsprechendes Kalibrierungsverfahren mit sehr geringen Fehlern entwickelt. Die Resultate dieser Arbeit führten zur Entwicklung eines robusten und physikalisch begründeten geo-chronometrischen Lumineszenzdosimetrieverfahrens zur Datierung quartärer Sedimente im Altersbereich zwischen 15000 Jahren und ca. 250000 Jahren.

Proefschrift Rijksuniversiteit Limburg, Maastricht. / Met lit. opg. - Met samenvatting in het Nederlands.

In der Nuklearmedizin werden radioaktive Substanzen eingesetzt, um zu therapeutischen Zwecken gezielt bösartiges Gewebe zu zerstören oder in diagnostischen Anwendungen Stoffwechselvorgänge bildlich darzustellen. Die ionisierende Strahlung der eingesetzten Radionuklide kann jedoch auch DNA-Schäden in gesunden Zellen verursachen. DNA-Doppelstrangbrüche gehören dabei zu den kritischsten Läsionen, da sie schwer zu reparieren sind und eine fehlerhafte Reparatur zu Mutationen oder zum Zelltod führen kann. Während Radionuklidtherapien ist daher in Risikoorganen darauf zu achten, dass die deponierte Energie pro Masse, die Energiedosis, bestimmte Werte nicht überschreitet. Zu diesen Risikoorganen gehört auch das blutbildende System. Da eine Abschätzung der Energiedosis im Knochenmark häufig über die Bestimmung der Energiedosis im Blut als Surrogat erfolgt, ist deren Kenntnis von besonderem Interesse. In dieser Arbeit wurden daher Berechnungen der Energiedosis im Blut nach interner Bestrahlung durchgeführt und die Ergebnisse mit der Anzahl an strahlungsinduzierten DNA-Doppelstrangbrüchen in PBMCs korreliert. Zur Quantifizierung der DNA-Schäden wurden die Biomarker \(\gamma\)-H2AX und 53BP1 verwendet, die nach Entstehung eines Doppelstrangbruchs um diesen akkumulieren und sich durch Immunfluoreszenzfärbung als mikroskopische Foci sichtbar machen und quantifizieren lassen. Dadurch ermöglicht der \(\gamma\)-H2AX+53BP1-Assay einen quantitativen Nachweis strahlungsinduzierter Doppelstrangbrüche. Somit konnten im Rahmen dieser Arbeit neue Kenntnisse über die Dosisabhängigkeit von DNA-Schäden in PBMCs während interner Bestrahlung mit unterschiedlichen Radionukliden sowohl ex vivo als auch in vivo gewonnen werden. Ex-vivo-Untersuchungen haben den Vorteil, dass sie unter gleichbleibenden, gut definierten Bedingungen durchgeführt werden können und somit eine Analyse der Induktion von Doppelstrangbrüchen bei festgelegten Energiedosen und einer konstanten Bestrahlungsdauer erlauben. In dieser Arbeit wurden Blutproben von gesunden Versuchspersonen durch Zugabe von Radionukliden in bestimmten Aktivitätskonzentrationen eine Stunde lang intern bestrahlt. Für die Bestrahlung wurden die \(\alpha\)-Emitter \(^{223}\)Ra und \(^{224}\)Ra, die \(\beta\)\(^{-}\)-Emitter \(^{177}\)Lu und \(^{90}\)Y, der \(\beta\)\(^{+}\)-Emitter \(^{68}\)Ga und der \(\gamma\)-Emitter \(^{99m}\)Tc verwendet. Der untersuchte Energiedosisbereich lag zwischen 5 mGy und 136 mGy. Nach der Bestrahlung von Blutproben mit \(\beta\)- beziehungsweise \(\gamma\)-Emittern wurde beobachtet, dass die Anzahl der strahlungsinduzierten \(\gamma\)-H2AX+53BP1-Foci (RIF) in den PBMCs linear mit der Energiedosis im Blut ansteigt. Zudem zeigte sich, dass die Induktion der RIF unabhängig vom verwendeten Radionuklid und unabhängig von der Versuchsperson ist. Nach der Bestrahlung von Blutproben mit \(\alpha\)-Emittern waren zusätzlich zu den nach Expositionen mit \(\beta\)- beziehungsweise \(\gamma\)-Emittern beobachteten kleinen, runden Foci auch \(\gamma\)-H2AX+53BP1 enthaltende Spuren \(\alpha\)-Spuren) in den Zellkernen erkennbar, welche die Trajektorien der emittierten \(\alpha\)-Teilchen darstellten. Es konnte gezeigt werden, dass die Anzahl dieser \(\alpha\)-Spuren linear mit der Energiedosis im Blut zunimmt und damit ein geeigneter Parameter für die Biodosimetrie nach Expositionen mit \(\alpha\)-emittierenden Radionukliden ist. Auch in vivo wurde die Dosisabhängigkeit der DNA-Doppelstrangbrüche während der internen Bestrahlung durch Radionuklide mit unterschiedlichen Emissionseigenschaften untersucht. Aufgrund der neuen, vielversprechenden Entwicklungen von Radiopharmaka zur Therapie und Diagnostik des Prostatakarzinoms in den letzten Jahren wurden dafür Blutproben von Prostatakarzinom-Patienten während Therapie mit [\(^{177}\)Lu]Lu-PSMA I&T, während PET/CT-Diagnostik mit [\(^{68}\)Ga]Ga-PSMA I&T und während Therapie mit [\(^{223}\)Ra]RaCl\(_2\) untersucht. Während Therapie mit [\(^{177}\)Lu]Lu-PSMA I&T zeigte sich, dass die Anzahl der RIF in den ersten Stunden nach Therapiebeginn durch eine lineare Anpassungskurve angenähert werden kann, die mit der Energiedosis im Blut ansteigt, gefolgt von einem Rückgang der RIF zu späteren Zeitpunkten, der durch die DNA-Reparatur erklärt werden kann. Die gesamte Energiedosis im Blut lag im Mittel bei (109 \(\pm\) 28) mGy. Der linear dosisabhängige Anstieg der RIF zu Therapiebeginn gleicht der dosisabhängigen Induktion der RIF ex vivo nach Bestrahlung mit \(\beta\)- und \(\gamma\)-emittierenden Radionukliden und kann gut mit der entsprechenden Ex-vivo-Kalibrierkurve beschrieben werden. Zu späteren Zeitpunkten (48 h und 96 h nach Verabreichung) konnte in dieser Arbeit eine lineare Korrelation zwischen der Anzahl der noch verbleibenden RIF und der Dosisleistung nachgewiesen werden. Eine signifikante Korrelation der Anzahl der RIF 96 h nach Verabreichung mit dem PSA-Wert deutet zudem darauf hin, dass ein Zusammenhang mit klinischen Parametern besteht. Ein signifikanter Anstieg der \(\gamma\)-H2AX+53BP1-Foci konnte auch nach Verabreichung von [\(^{68}\)Ga]Ga-PSMA I&T für diagnostische PET/CT-Untersuchungen beobachtet werden, obwohl die Energiedosen im Blut bis zum PET/CT-Scan nur < 3 mGy betrugen. Im Vergleich zur Ex-vivo-Kalibrierkurve war die Steigung der linearen Anpassungskurve in vivo im Bereich < 3 mGy in dieser Studie etwa um ein Zehnfaches höher, was auf eine mögliche Hypersensitivität im Niedrigdosisbereich hindeuten könnte. Der Beitrag der CT zur Energiedosis im Blut konnte durch Ex-vivo-Experimente auf etwa 12 mGy abgeschätzt werden. Auch während Therapie mit [\(^{223}\)Ra]RaCl\(_2\) lagen die berechneten Energiedosen im Blut im Niedrigdosisbereich < 17 mGy. Trotzdem konnten in dieser Studie erstmalig \(\alpha\)-Spuren in vivo nach der Verabreichung eines \(\alpha\)-emittierenden Radionuklids quantifiziert werden, deren Anzahl 3 h und 4 h nach Verabreichung des Radiopharmakons signifikant erhöht war. Auch zu späten Zeitpunkten, bis vier Wochen nach Therapiebeginn, waren noch \(\alpha\)-Spuren nachweisbar, was auf eine unvollständige Reparatur der komplexen, durch die \(\alpha\)-Teilchen induzierten DNA-Schäden hinweisen könnte. Leider erlaubte die geringe Anzahl an Patienten und Datenpunkten keine zuverlässigen Korrelationen mit der Energiedosis oder mit klinischen Parametern. Nachdem in dieser Arbeit gezeigt werden konnte, dass DNA-Schäden nach interner Bestrahlung mit \(\alpha\)-, \(\beta\)- und \(\gamma\)-emittierenden Radionukliden mit Hilfe des \(\gamma\)-H2AX+53BP1-Assays zuverlässig nachgewiesen und anhand der Schadensgeometrie unterschieden werden können, wäre es in Zukunft interessant, DNA-Schäden auch nach Bestrahlung mit Radionuklidgemischen zu untersuchen. Dies könnte sowohl im Hinblick auf den Nachweis von Inkorporationen bei Strahlenunfällen hilfreich sein als auch zu einem besseren Verständnis der Effekte bei Behandlungen mit Radionuklidgemischen beitragen, welche vielversprechende Möglichkeiten für nuklearmedizinische Therapien bieten. Zudem zeigen die Ergebnisse dieser Arbeit, dass insbesondere im für die Diagnostik relevanten Bereich sehr niedriger Energiedosen < 10 mGy weiterer Forschungsbedarf besteht. Durch die Untersuchung der dosisabhängigen Reparatur der durch interne Bestrahlung induzierten DNA-Schäden könnte beispielsweise analysiert werden, ob die Reparaturfähigkeit im Niedrigdosisbereich eingeschränkt ist. Außerdem wäre es gerade im Bereich niedriger Dosen von Interesse, zu untersuchen, inwiefern Beobachtungen ex vivo das Verhalten in vivo geeignet repräsentieren. Um die erhöhten statistischen Unsicherheiten im Niedrigdosisbereich zu reduzieren, könnten zukünftig Verbesserungen auf dem Gebiet der automatisierten Auswertung der \(\gamma\)-H2AX+53BP1 enthaltenden Foci und Spuren hilfreich sein. Weitere Ziele zukünftiger Forschungsvorhaben könnten gezielte Untersuchungen zu Korrelationen zwischen der dosisabhängigen Induktion und Reparatur von DNA-Schäden und klinischen Parametern sowie die Analyse von DNA-Schäden während mehrerer Therapiezyklen darstellen. In Zusammenhang mit der Analyse klinischer Parameter wäre es denkbar, dass biodosimetrische Auswertungen zukünftig auch zur personalisierten Therapieplanung oder auch zur Vorhersage des Therapieerfolgs dienen und somit langfristig zu einer Optimierung nuklearmedizinischer Therapien beitragen könnten. / In nuclear medicine, radioactive substances are applied for therapeutic purposes to destroy malignant tissue, or in diagnostic applications to visualize metabolic processes. However, the ionizing radiation of the applied radionuclides can also cause DNA damage in healthy cells. Among these, DNA double-strand breaks belong to the most critical lesions because they are difficult to repair and misrepair can lead to mutations or cell death. Therefore, during radionuclide therapies, it is of great importance to ensure that the deposited energy per mass, the absorbed dose, does not exceed certain values in organs at risk. One of these organs at risk is the hematopoietic system. As the absorbed dose to the bone marrow is often estimated by determining the absorbed dose to the blood as a surrogate, knowledge of the latter is of particular interest. Therefore, in this thesis, calculations of the absorbed dose to the blood after internal irradiation were performed and the results were correlated with the number of radiation-induced DNA double-strand breaks in PBMCs. To quantify DNA damage, the biomarkers \(\gamma\)-H2AX and 53BP1 were used, which accumulate around a double-strand break after its formation and which can be visualized and quantified as microscopic foci by immunofluorescence staining. Consequently, the \(\gamma\)-H2AX+53BP1 assay allows a quantitative detection of radiation-induced double-strand breaks. Thus, by combining absorbed dose calculations with a quantitative analysis of DNA damage in PBMCs during internal irradiation with various radionuclides both ex vivo and in vivo, new knowledge was gained in the context of this work. Ex-vivo examinations have the advantage that they can be carried out under constant, well-defined conditions and thus allow an analysis of the induction of double-strand breaks at preset absorbed doses and a constant irradiation duration. In this work, blood samples from healthy test persons were internally irradiated for one hour by adding radionuclides at defined activity concentrations. For the irradiation, the \(\alpha\)-emitters \(^{223}\)Ra and \(^{224}\)Ra, the \(\beta\)\(^{-}\)-emitters \(^{177}\)Lu and \(^{90}\)Y, the \(\beta\)\(^{+}\)-emitter \(^{68}\)Ga and the \(\gamma\)-emitter \(^{99m}\)Tc were used. The absorbed dose ranged from 5 mGy to 136 mGy. After irradiating blood samples with \(\beta\)- and \(\gamma\)-emitters, it was observed that the number of radiation-induced \(\gamma\)-H2AX+53BP1 foci (RIF) in the PBMCs increases linearly with the absorbed dose to the blood. Furthermore, it was shown that the induction of RIF is independent of the radionuclide applied and the test person. After irradiating blood samples with \(\alpha\)-emitters, in addition to the small round foci observed after exposure to \(\beta\)- and \(\gamma\)-emitters, \(\gamma\)-H2AX+53BP1 containing tracks (\(\alpha\)-tracks) were visible in the nuclei, which represented the trajectories of the emitted \(\alpha\)-particles. It was shown that the number of these \(\alpha\)-tracks increases linearly with the absorbed dose to the blood and is, therefore, a suitable parameter for biodosimetry after exposure to \(\alpha\)-emitting radionuclides. The absorbed dose dependence of DNA double-strand breaks during internal irradiation with radionuclides with different emission properties was also investigated in vivo. Due to the promising new developments of radiopharmaceuticals for therapy and diagnostics of prostate cancer in recent years, blood samples from prostate cancer patients were examined during therapy with [\(^{177}\)Lu]Lu-PSMA I&T, during PET/CT diagnostics with [\(^{68}\)Ga]Ga-PSMA I&T and during therapy with [\(^{223}\)Ra]RaCl\(_2\). During therapy with [\(^{177}\)Lu]Lu-PSMA I&T, it was shown that the number of RIF in the first hours after therapy start can be approximated by a linear fitting curve, which increases with the absorbed dose to the blood, followed by a decrease in RIF at later time points, which can be explained by DNA repair. The total absorbed dose to the blood was (109 \(\pm\) 28) mGy on average. The linear absorbed dose-dependent increase in RIF at the beginning of therapy is similar to the absorbed dose-dependent induction of RIF ex vivo after irradiation with \(\beta\)- and \(\gamma\)-emitting radionuclides and can be well described with the corresponding ex-vivo calibration curve. At later time points (48 h and 96 h after administration), a linear correlation between the number of remaining RIF and the dose rate was demonstrated in this work. A significant correlation of the number of RIF 96 h after administration with PSA levels also suggests a link to clinical parameters. A significant increase in \(\gamma\)-H2AX+53BP1 foci was also observed after administration of [\(^{68}\)Ga]Ga-PSMA I&T for diagnostic PET/CT examinations, despite the fact that absorbed doses to the blood were only < 3 mGy by the time of the PET/CT scan. Compared to the ex-vivo calibration curve, the slope of the linear in-vivo fitting curve in the range < 3 mGy in this study was approximately ten times higher, which may indicate a possible hypersensitivity in the low dose range. The contribution of the CT to the absorbed dose to the blood was estimated at approximately 12 mGy by ex-vivo experiments. During therapy with [\(^{223}\)Ra]RaCl\(_2\), the calculated absorbed doses to the blood were also in the low dose range < 17 mGy. Nevertheless, this study was the first to quantify \(\alpha\)-tracks in vivo after the administration of an \(\alpha\)-emitting radionuclide, with a significantly increased number of \(\alpha\)-tracks 3 h and 4 h after administration of the radiopharmaceutical. Even at late time points, up to four weeks after therapy start, \(\alpha\)-tracks were still detectable, which could indicate incomplete repair of the complex DNA damage induced by \(\alpha\)-particles. Unfortunately, the small number of patients and data points did not allow reliable correlations with the absorbed dose or clinical parameters. In this thesis, it was shown that DNA damage after internal irradiation with \(\alpha\)-, \(\beta\)- and \(\gamma\)-emitting radionuclides can be reliably detected by applying the \(\gamma\)-H2AX+53BP1 assay and distinguished by damage geometry. For future work, it would be of interest to additionally investigate DNA damage after irradiation with mixtures of radionuclides. This could be helpful for the detection of incorporations after radiation accidents, and could also contribute to a better understanding of the effects of therapeutic applications of radionuclide mixtures, which offer promising opportunities for nuclear medicine therapies. Furthermore, the results of this work show that there is need for further research, especially in the very low dose range < 10 mGy, which is relevant for diagnostics. By investigating the absorbed dose-dependent repair of DNA damage induced by internal irradiation, for example, it could be analyzed whether the repair capability is limited in the low dose range. Particularly in the range of low doses, it would also be of interest to investigate to what extent observations ex vivo adequately represent the behavior in vivo. In order to reduce the increased statistical uncertainties in the low dose range, future improvements in the field of automated evaluation of \(\gamma\)-H2AX+53BP1 containing foci and tracks could be helpful. Further objectives of future research projects could be investigations focussing on correlations between the absorbed dose-dependent induction and repair of DNA damage and clinical parameters as well as an analysis of DNA damage over several therapy cycles. In the context of the analysis of clinical parameters, it is conceivable that biodosimetric assessments could enhance personalized treatment planning or the prediction of therapy success, thus contributing, in the long-term, to an optimization of nuclear medicine therapies.

Low-energy X-rays in the range 10 - 50 keV have a wide application. One important application in radiological diagnostics is mammography, whereas, in radiotherapy, they are used for irradiation of superficial tumours, in brachytherapy and photon activation therapy. The importance of soft X-rays for fundamental radiobiological research is based on the fact, that all species of ionizing radiation produce a wide spectrum of secondary electrons, mainly responsible for the primary damage to be transformed into an observable radiobiological effect. By variation of the primary soft X-ray energy, a variation in the secondary electron spectra and therefore in the local energy deposition is provided. However, up to now no definitive conclusions about the relative biological effectiveness (RBE) of soft X-rays can be made due to its dependence on the photon energy, biological endpoint and dose range and the consequent large spread of the published data. The superconducting electron linear accelerator of high brilliance and low emittance (ELBE) at the Forschungszentrum Rossendorf with an electron energy up to about 40 MeV is used, among all, to generate X-rays in a wide energy range. One method for production of intensive, quasi-monochromatic X-rays in the energy range 10 - 100 keV tunable in energy, is by channeling of electrons in a perfect crystal. This X-ray source has many advantages over the most widespread X-ray source, which is the X-ray tube. Although the physical basis of the channeling effect has been previously investigated, the feasibility of an X-ray source based on channeling radiation (CR) for radiobiological studies has been for the first time theoretically and experimentally studied and a dedicated CR source built and optimised in the frame of this thesis. CR has been theoretically characterised in order to estimate its applicability for radiobiological studies. A good agreement between the theoretical predictions and the measured data has been found. The intrinsic properties of the CR source have led to the conclusion that monochromatisation is necessary. A monochromator based on HOPG mosaic crystals, was designed and manufactured. The dosimetrical methods have been investigated at the CR source as well as at an X-ray tube. Absolute dose measurements using an ionisation chamber and spectral dose distribution determination using semiconductor detectors have been performed. In addition, an unconventional system based on thermally stimulated exoelectron emission (TSEE) detectors, allowing to measure dose in a small volume and in the real cell environment has been tested and has proven itself appropriate in a variable dose range and in a liquid environment, in cases where reproducible laboratory conditions are provided. The biological endpoints clonogenic cell survival and micronucleus induction have been optimised for two established cell lines. The human mammary epithelial cells MCF-12A have been chosen due to the importance of RBE of soft X-rays for determination of risk from mammography. On the other hand, the use of the widespread mouse fibroblast cell line NIH/3T3 allows to compare the results with previously published data. The influence of the specific irradiation procedure at ELBE on the control level of cell survival and micronucleus induction has been tested and an irradiation system was developed and constructed. In addition, the RBE for soft X-rays was determined by X-ray tube irradiation at the Medical Department of Technische Universität Dresden. The RBE of 10 kV and 25 kV X-rays relative to 200 kV X-rays was determined. The RBE was found to be in the range from 1.0 to 1.4, depending on the used radiation quality, cell line and the biological endpoint, in agreement with previously published data for the same radiation qualities. These results confirm that systematical studies of RBE dependence on photon energy at the ELBE CR source are necessary and feasible.

Low-energy X-rays in the range 10 - 50 keV have a wide application. One important application in radiological diagnostics is mammography, whereas, in radiotherapy, they are used for irradiation of superficial tumours, in brachytherapy and photon activation therapy. The importance of soft X-rays for fundamental radiobiological research is based on the fact, that all species of ionizing radiation produce a wide spectrum of secondary electrons, mainly responsible for the primary damage to be transformed into an observable radiobiological effect. By variation of the primary soft X-ray energy, a variation in the secondary electron spectra and therefore in the local energy deposition is provided. However, up to now no definitive conclusions about the relative biological effectiveness (RBE) of soft X-rays can be made due to its dependence on the photon energy, biological endpoint and dose range and the consequent large spread of the published data. The superconducting electron linear accelerator of high brilliance and low emittance (ELBE) at the Forschungszentrum Rossendorf with an electron energy up to about 40 MeV is used, among all, to generate X-rays in a wide energy range. One method for production of intensive, quasi-monochromatic X-rays in the energy range 10 - 100 keV tunable in energy, is by channeling of electrons in a perfect crystal. This X-ray source has many advantages over the most widespread X-ray source, which is the X-ray tube. Although the physical basis of the channeling effect has been previously investigated, the feasibility of an X-ray source based on channeling radiation (CR) for radiobiological studies has been for the first time theoretically and experimentally studied and a dedicated CR source built and optimised in the frame of this thesis. CR has been theoretically characterised in order to estimate its applicability for radiobiological studies. A good agreement between the theoretical predictions and the measured data has been found. The intrinsic properties of the CR source have led to the conclusion that monochromatisation is necessary. A monochromator based on HOPG mosaic crystals, was designed and manufactured. The dosimetrical methods have been investigated at the CR source as well as at an X-ray tube. Absolute dose measurements using an ionisation chamber and spectral dose distribution determination using semiconductor detectors have been performed. In addition, an unconventional system based on thermally stimulated exoelectron emission (TSEE) detectors, allowing to measure dose in a small volume and in the real cell environment has been tested and has proven itself appropriate in a variable dose range and in a liquid environment, in cases where reproducible laboratory conditions are provided. The biological endpoints clonogenic cell survival and micronucleus induction have been optimised for two established cell lines. The human mammary epithelial cells MCF-12A have been chosen due to the importance of RBE of soft X-rays for determination of risk from mammography. On the other hand, the use of the widespread mouse fibroblast cell line NIH/3T3 allows to compare the results with previously published data. The influence of the specific irradiation procedure at ELBE on the control level of cell survival and micronucleus induction has been tested and an irradiation system was developed and constructed. In addition, the RBE for soft X-rays was determined by X-ray tube irradiation at the Medical Department of Technische Universität Dresden. The RBE of 10 kV and 25 kV X-rays relative to 200 kV X-rays was determined. The RBE was found to be in the range from 1.0 to 1.4, depending on the used radiation quality, cell line and the biological endpoint, in agreement with previously published data for the same radiation qualities. These results confirm that systematical studies of RBE dependence on photon energy at the ELBE CR source are necessary and feasible.

In dieser Arbeit wird die Bildgebung durch eine Compton-Kamera zur Überwachung der Partikelstrahlentherapie erstmals an der Technischen Universität Dresden untersucht. Die inhärenten Beschränkungen der Methode wurden durch Berechnungen und Monte Carlo Simulationen studiert. Im Zuge dieser Untersuchungen erschien der Raumtemperatur-Halbleiter Cadmium Zink Tellurid als ein vielversprechendes Detektor-Material. Zur weiteren Untersuchung wurde eine einfache Compton-Kamera konstruiert bestehend aus einem Cadmium Zink Tellurid Detektor und einem ortsempfndlichen Szintillationsdetektor. Das System hat gezeigt, dass eine akkurate Bildgebung mit radioaktiven Punktquellen unter Laborbedingungen möglich ist. Weitere praktische Beschränkungen der Compton-Bildgebung unter Strahlbedingungen konnten durch Experimente an einem Protonen-Strahl hergeleitet werden. Durch die experimentellen Erfahrungen mit der in dieser Arbeit entwickelten Compton-Kamera konnten wertvolle Informationen gesammelt werden, die erlauben, die Bildrekonstruktion zu evaluieren und dazu beitragen, die weitere Forschung hin zu einer klinisch anwendbaren Compton-Kamera zu leiten. / This work presents the first efforts at the Dresden University of Technology to study the feasibility of Compton imaging as a modality to monitor ion beam radiation therapy. The inherent limitations of the method have been studied by means of calculation and Monte Carlo simulation. As a result, the room-temperature semiconductor cadmium zinc telluride appeared as a promising detector material for a clinical device. For more detailed investigation, a simple Compton camera has been constructed comprising a cadmium zinc telluride detector and a position sensitive scintillation detector. This system has proven that accurate imaging of radioactive point sources in the laboratory is feasible. More practical restrictions of Compton imaging in beam conditions have been derived through experiments at a proton facility. Through the experimental work with the Compton camera developed in this work, valuable information was gathered which allowed to test the image reconstruction and to direct the further research towards a clinical Compton camera system.

Im Zuge dieser Arbeit wurden die für die Dosimetrie mit BeO-OSL-Detektoren wichtigen Größen Energieansprechvermögen und Nachweiseffizienz experimentell ermittelt. Anschließend konnten die Ergebnisse genutzt werden, um ein Modell der lokalen Sättigung zur Berechnung der Effizienz für unterschiedlichste Bestrahlungsbedingungen zu generieren. Mit Hilfe des Modells lassen sich Vorhersagen zur Nachweiseffizienz für Photonen und Elektronen in dem in der Personen- und Ortsdosimetrie gängigen Energiebereich von 10 keV bis zu mehreren MeV treffen. Dabei nimmt die Effizienz für Elektronen mit sinkenden Energien kontinuierlich ab. Photonen zeigen einen ähnlichen Effekt, jedoch kommt es bei Energien im Bereich von 40-80 keV zu einem kurzen Anstieg der Effizienz mit fallender Energie, welcher sich durch die Wechselwirkungseigenschaften der Photonen erklären lässt. Die experimentellen und modellierten Nachweiseffizienzen können genutzt werden, um die Anzeige eines BeO-OSL-Detektor aus mit Strahlungstransportprogrammen ermittelten Dosiswerten zu berechnen. Auf experimentell gestützte Optimierungen von Bestrahlungsgeometrien kann so größtenteils verzichtet werden. Als Beispiel für die Anwendung der Nachweiseffizienz werden das Energieansprechvermögen für Beta-Strahler, des iBeOx-Personendosimeters sowie die Konzeption eines OSL-Ortsdosimeters aufgeführt. / In the course of this work, the experimental detection efficiency for BeO-OSL-detectors was determined for different radiation qualities. Subsequently the results were used to generate a model of local saturation for calculating the efficiency for different irradiation conditions. With the help of the model predictions for the detection efficiency for photons and electrons in the common energy range for personal and environmental dosimetry, reaching from 10 keV up to some MeV, are possible. The efficiency for electrons decreases with falling energy continuously. Photons show a similar effect, but for energies ranging from 40-80 keV the efficiency increases with decreasing energy. This can be explained by the interaction effects of the photons with the detector material. The experimental and modelled detection efficiencies can be used to calculate the display of a BeO-OSL detector from dose values determined with radiation transport programs. Three examples, the energy dependence for beta emitters, for the iBeOx personal dosimeters and the development of an environmental OSL-dosimeter are listed.

Darmstadt, Techn. Univ., Diss., 2002.

Synchrocyclotrons and laser based particle accelerators, developed with the goal to enable more compact particle therapy facilities, may bring highly pulsed radiation field to external beam radiation therapy. In addition, such highly pulsed fields may be desirable due to their potential clinical benefits regarding better healthy tissue sparing or improved gating for moving tumors. However, they pose new challenges for dosimetry, the corner stone of any application of ionizing radiation. These challenges affect both clinical and radiation protection dosimetry. Air-filled ionization chambers, which dominate clinical dosimetry, face the problem of increased signal loss due to volume recombination when a highly pulsed field liberates a large amount of charge in a short time in the chamber. While well established descriptions exist for this volume recombination for the moderately pulsed fields in current use (Boag's formulas), the assumptions on which those descriptions are based will most likely not hold in the prospective, highly pulsed fields of future accelerators. Furthermore, ambient dose rate meters used in radiation protection dosimetry as survey meters or fixed installations are generally only tested for continuous fields, casting doubt on their suitability to measure pulsed fields. This thesis investigated both these aspects of dosimetry - clinical as well as radiation protection - to enable the medical application of highly pulsed radiation fields. For a comprehensive understanding, experimental investigations were coupled with theoretical considerations and developments. Pulsed fields, varying in both dose-per-pulse and pulse duration over a wide range, were generated with the ELBE research accelerator, providing a 20 MeV pulsed electron beam. Ionization chambers for clinical dosimetry were investigated using this electron beam directly, with an aluminium Faraday cup providing the reference measurement. Whereas the dose rate meters were irradiated in the photon field generated from stopping the electron beam in the Faraday cup. In those measurements, the reference was calculated from the ionization chamber, then serving a an electron beam monitor, cross-calibrated to the photon field with thermoluminescent dosimeters. Three dose rate meters based on different operating principles were investigated, covering a large portion of the operating principles used in radiation protection: the ionization chamber based RamION, the proportional counter LB 1236-H10 and the scintillation detector AD-b. Regarding clinical dosimetry, measurements of two prominent ionization chamber geometries, plane-parallel (Advanced Markus chamber) and thimble type (PinPoint chamber), were performed. In addition to common air-filled chambers, chambers filled with pure nitrogen and two non-polar liquids, tetramethylsilane and isooctane, were investigated. In conjunction with the experiments, a numerical solution of the charge liberation, transport, and recombination processes in the ionization chamber was developed to calculate the volume recombination independent of the assumptions necessary to derive Boag's formulas. Most importantly, the influence of the liberated charges in the ionization chamber on the electric field, which is neglected in Boag's formulas, is included in the developed calculation. Out of the three investigated dose rate meters only the RamION could be identified as an instrument truly capable of measuring a pulsed field. The AD-b performed below expectations (principally, a scintillator is not limited in detecting pulsed radiation), which was attributed to the signal processing, emphasizing the problem of a typical black-box signal processing in commercial instruments. The LB 1236-H10, on the other hand, performed as expected of a counting detector. While this supports the recent effort to formalize these expectations and standardize testing for counting dosimeters in DIN IEC/TS 62743, it also highlights the insufficiency of counting detectors for highly pulsed fields in general and shows the need for additional normative work to establish requirements for dose rate meters not based on a counting signal (such as the RamION), for which no framework currently exists. With these results recognized by the German radiation protection commission (SSK) the first steps towards such a framework are taken. The investigation of the ionization chambers used in radiation therapy showed severe discrepancies between Boag's formulas and the experimentally observed volume recombination. Boag's formulas describe volume recombination truly correctly only in the two liquid-filled chambers. All the gas-filled chambers required the use of effective parameters, resulting in values for those parameters with little to no relation to their original meaning. Even this approach, however, failed in the case of the Advanced Markus chamber for collection voltages ≥ 300 V and beyond a dose-per-pulse of about 100 mGy. The developed numerical model enabled a much better calculation of volume recombination and allowed the identification of the root of the differences to Boag's formulas as the influence of the liberated charges on the electric field. Increased positive space charge due to increased dose-per-pulse slows the collection and reduces the fraction of fast, free electrons, which are unaffected by volume recombination. The resultant increase in the fraction of charge undergoing volume recombination, in addition to the increase in the total amount of charge, results in an increase in volume recombination with dose-per-pulse that is impossible to describe with Boag's formulas. It is particularly relevant in the case of high electric fields and small electrode distances, where the free electron fraction is large. In addition, the numerical calculation allows for arbitrary pulse durations, while Boag's formulas apply only to very short pulses. In general, the numerical calculation worked well for plane-parallel chambers, including those filled with the very diverse media of liquids, nitrogen and air. Despite its increased complexity, the thimble geometry could be implemented as well, although, in the case of the PinPoint chamber, some discrepancies to the experimental data remained, probably due to the required geometrical approximations. A possible future development of the numerical calculation would be an improved description of the voltage dependence of the volume recombination. At the moment it requires characterizing a chamber at each desired collection voltage, which could be eliminated by an improved modeling of the volume recombination's dependence on collection voltage. Nevertheless, the developed numerical calculation presents a marked improvement over Boag's formulas to describe the dose-per-pulse dependence and pulse duration dependence of volume recombination in ionization chambers, in principle enabling the application of ionization chambers in the absolute dosimetry of highly pulsed fields.

Die Anwendung von Hochintensitätslasern zur Beschleunigung von Teilchen bietet eine Alternative zu klassischen Teilchenbeschleunigern und den von diesen erzeugten Strahlenqualitäten. Nach großen Fortschritten auf dem Gebiet der Laser-Teilchenbeschleunigung wurde die Anwendung der neuen Technologie in der klinischen Ionentherapie vorgeschlagen und diskutiert. Bevor es dazu kommen kann, muss aber neben der Verbesserung der Strahleigenschaften, wie z. B. der Erhöhung der Energie, und der Stabilität der Teilchenbeschleunigung auch eine geeignete physikalische und dosimetrische Charakterisierung entwickelt und die biologische Wirksamkeit dieser neuartigen, ultrakurz gepulsten Strahlenqualität mit extrem hoher Pulsdosisleistung untersucht werden. Dies erfordert eine ganze Reihe von umfangreichen Experimenten der notwendigen Translationskette, angefangen von in vitro Zellbestrahlungen über in vivo Studien bis hin zu präklinischen Untersuchungen und ersten klinischen Studien. Hierzu wurden das Verbundprojekt onCOOPtics gegründet und in einem ersten Schritt in vitro Zellbestrahlungen zur Untersuchung der biologischen Wirksamkeit laserbeschleunigter Teilchen durchgeführt. Dazu wurden Dosis-Effekt-Kurven für humane Tumor- und Normalgewebs-Zelllinien jeweils für mehrere biologische Endpunkte bestimmt. Begonnen wurde dabei mit der umfangreichen Untersuchung laserbeschleunigter Elektronen am JeTi-Lasersystem in Jena, auf welche zum Zeitpunkt der Verfügbarkeit des DRACO-Lasersystems in Dresden die dosimetrische und strahlenbiologische Charakterisierung laserbeschleunigter Protonen an diesem Lasersystem folgte. Dabei stellte die Entwicklung einer präzisen Dosimetrie zur Bestimmung der applizierten Dosis aufgrund der Strahleigenschaften laserbeschleunigter Teilchen eine große Herausforderung dar. Sie ist aber sowohl im Hinblick auf eine spätere klinische Anwendung als auch für die Durchführung quantitativer strahlenbiologischer Experimente obligatorisch. Diese Arbeit, die im Rahmen des Verbundprojektes entstanden ist, leistet dazu in vielfacher Hinsicht einen wesentlichen Beitrag: Erstens wurden geeignete Detektoren zur präzisen dosimetrischen Charakterisierung laserbeschleunigter Elektronen und Protonen entwickelt, optimiert und charakterisiert sowie präzise kalibriert. So wurden umfangreiche Studien zu verschiedenen Eigenschaften der auch in der klinischen Dosimetrie angewandten radiochromischen Filme durchgeführt und die Filme entsprechend kalibriert. Dabei wurden neue Erkenntnisse u. a. über deren Energieabhängigkeit gewonnen, die für zahlreiche Anwendungen der Filme von Bedeutung sind. Weiterhin wurden verschiedene Ionisationskammern zur Echtzeit-Strahlmonitorierung von laserbeschleunigten Elektronen und Protonen ausgewählt und dosimetrisch charakterisiert. Zudem wurde der Einsatz von CR-39 Festkörperspurdetektoren zur spektroskopischen Untersuchung laserbeschleunigter Protonen etabliert, indem die Nachverarbeitung und Auslesung der Detektoren charakterisiert und optimiert wurden und außerdem eine retrospektive Filterprozedur der detektierten Krater entwickelt und angewendet wurde. Ferner wurde ein Faraday Cup, der auf die speziellen Eigenschaften derzeitiger laserbeschleunigter Protonen-Strahlenqualitäten abgestimmt ist, entwickelt, charakterisiert und mit drei voneinander unabhängigen Methoden kalibriert. Die radiochromischen Filme und der Faraday Cup konnten daraufhin als Referenzdosimeter sowohl an den konventionellen als auch an den neuartigen Laser-Teilchenbeschleunigern erfolgreich eingesetzt werden. Zweitens bildete die durchgeführte Echtzeit- und Referenzdosimetrie laserbeschleunigter Elektronen die Grundlage für die weltweit ersten systematischen Zellbestrahlungsexperimente dieser Strahlenqualität. Dabei konnten trotz großer Pulsdosisschwankungen alle Anforderungen bezüglich Dosishomogenität, Strahlstabilität, präziser Deposition einer vorgegebenen Dosis und Unsicherheit der bestimmten applizierten Dosis, die für eine quantitative Auswertung der radiobiologischen Daten notwendig sind, erfüllt werden. Exemplarisch sei die bestimmte Gesamt-Dosisunsicherheit von unter 10% genannt. Drittens wurden auch laserbeschleunigte Protonen so präzise dosimetrisch monitoriert und charakterisiert, dass auch mit dieser Strahlenqualität quantitative strahlenbiologische Untersuchungen durchgeführt werden konnten. Herausgefordert durch die kurze Reichweite der Protonen im Submillimeterbereich und das breite Energiespektrum dieser Strahlenqualität, gelang dies neben der Charakterisierung und Kalibrierung der einzelnen Detektoren durch die Konzeption und Realisierung eines integrierten Dosimetrie- und Zellbestrahlungssystems (IDOCIS).Weltweit erstmalig wurde eine Echtzeit-Strahlmonitorierung während der Zellbestrahlungen mit laserbeschleunigten Protonen durchgeführt, die sowohl zur kontrollierten Applikation einer vorgegebenen Dosis und zur Strahlüberwachung als auch zusammen mit der durchgeführten Referenzdosimetrie zur hochpräzisen Bestimmung der absolut in den Zellen deponierten Dosis diente. Außerdem trug die parallele und redundante Verwendung zweier voneinander unabhängiger Referenzdosimetrie-Systeme erheblich zur Erreichung einer hohen Zuverlässigkeit und Sicherheit bei. Die Unsicherheit in der bestimmten deponierten Dosis betrug entsprechend für den Endpunkt der residualen DNS-Doppelstrangbrüche 24h nach Bestrahlung, für den eine vollständige Dosis-Effekt-Kurve ermittelt wurde, nur ca. 10%. Die Unsicherheit liegt damit schon fast in dem Bereich, der an klinisch angewandten Beschleunigern zulässig ist (3-5%). Dagegen konnte zu Beginn dieser Arbeit die Dosis laserbeschleunigter Protonen nur mit einer Ungenauigkeit von mehr als 50% abgeschätzt werden. Viertens wurden die zur Bestimmung der relativen biologischen Wirksamkeit notwendigen Vergleichsbestrahlungen mit konventionellen Elektronen- und Protonenstrahlenquellen und die zur Vergleichbarkeit der konventionellen und laserbeschleunigten Strahlenqualitäten erforderlichen Referenzbestrahlungen mit 200kVp Röntgenröhren im Rahmen dieser Arbeit ebenfalls dosimetrisch optimiert und genau charakterisiert. Die dosimetrischen Ergebnisse der vorliegenden Arbeit waren eine notwendige Voraussetzung für die im Rahmen anderer Arbeiten vollzogene strahlenbiologische Auswertung der durchgeführten Zellbestrahlungen. Dabei wurde insgesamt kein signifikanter Unterschied in der strahlenbiologischen Wirksamkeit zwischen laserbeschleunigten, ultrakurz gepulsten und konventionellen, kontinuierlichen Strahlenqualitäten weder für Elektronen noch für Protonen festgestellt. Durch die Konsistenz dieser Ergebnisse für beide Teilchenarten und unterschiedliche biologische Endpunkte ist damit die nächste Stufe auf dem translationalen Weg hin zur klinischen Anwendung laserbeschleunigter Teilchen begehbar: Die Durchführung von in vivo Untersuchungen. Dabei muss zwar von einer zweidimensionalen (Zell-Monolayer) auf eine dreidimensionale Zielvolumenbestrahlung (Tumor) übergegangen werden, wobei aber die im Rahmen der vorliegenden Arbeit entwickelten Dosimetrieverfahren und Detektoren auch bei den Tierbestrahlungen angewendet und eingesetzt werden können. / The application of high-intensity lasers for particle acceleration provides an alternative to conventional particle accelerators and also alternative beam qualities. Soon after the recent progress in the field of laser particle acceleration, its application in clinical ion therapy was proposed and discussed widely. Besides the improvement of the beam properties (increasing of beam energy and stability of particle acceleration process, e. g.) a capable physical and dosimetric characterization has to be developed before the technology can be applied in cancer therapy. The same is true for investigation of the biological effectiveness of this new, ultra-short pulsed beam quality with extremely high pulse dose rate. Hence, the whole translational chain, beginning from in vitro cell irradiation over in vivo studies to the point of preclinical investigations and first clinical trials, is necessary. For this reason, in a first step the joint research project onCOOPtics was founded and in vitro cell irradiation experiments were performed to study the biological effectiveness of laser accelerated particles. Therefore, dose-effect-curves for tumor and normal tissue cell lines were determined for different biological endpoints. Starting with extensive experiments with laser accelerated electrons at the JeTi laser system in Jena, the investigations were continued with dosimetric and radiobiological characterization of laser accelerated protons at the DRACO laser system in Dresden shortly after the DRACO laser started its operation. In this process, the development of a precise dosimetry for determination of the applied dose posed a great challenge due to the beam properties of laser accelerated particles. However, this is a crucial and compulsive requirement for both, the future clinical application and also for the realization of quantitative radiobiological experiments. Compiled in the onCOOPtics framework, this paper contributed to this task in multiple key aspects: Firstly, capable detectors for precise dosimetric characterization of laser accelerated electrons and protons were developed, optimized and characterized as well as precisely calibrated. Thus, comprehensive investigations were performed studying different properties of radiochromic films which are also applied in clinical dosimetry. In addition, these films were precisely calibrated for different beam qualities. Thereby, new findings of the energy dependence of radiochromic films were obtained which are of importance for numerous applications of these films. Moreover, different ionization chambers for real-time beam monitoring of laser accelerated electrons and protons were selected and characterized. Furthermore, the application of CR-39 solid state track detectors was established for spectroscopic investigations of laser accelerated protons by characterizing and optimizing the postirradiation processing and the readout of the detectors. Also a retrospective filter procedure of the detected tracks was developed and applied. Moreover, a Faraday Cup adjusted to the special properties of current laser accelerated proton beam qualities was developed, characterized and precisely calibrated by means of three independent calibration methods. Finally, the radiochromic films and the Faraday Cup could be used as reference dosimeters both for conventional accelerators and also for novel laser particle accelerators. Secondly, the performed real-time and reference dosimetry of laser accelerated electrons was the prerequisite of the first systematic cell irradiation experiments with this beam quality worldwide. Despite high pulse dose fluctuations, all requirements were satisfied concerning dose homogeneity, beam stability, precise deposition of a prescribed dose and uncertainty of the applied dose, that are all necessary for a quantitative evaluation of the radiobiological data. Exemplary, a total dose uncertainty below 10% was reached. Thirdly, laser accelerated protons were precisely monitored and characterized allowing quantitative, well-founded radiobiological investigations with this beam quality. This task was very much challenged by the short range of the protons in the sub-millimeter range and the broad energy spectrum of the beam quality. It was succeeded not only due to the comprehensive characterization and precise calibration of the different detectors but also due to the conception and realization of an integrated dosimetry and cell irradiation system (IDOCIS). For the first time, a real-time beam monitoring during cell irradiation with laser accelerated protons was performed. This real-time monitoring was not only used for controlled application of the prescribed dose and beam monitoring and also – together with the performed reference dosimetry – for precise determination of the deposited dose at cell location. In addition, high reliability and safety was considerably ensured by using two independent reference dosimetry systems in parallel. Hence, the determined uncertainty of the deposited dose was only about 10% for the biological endpoint of the residual DNA double strand breaks 24h after irradiation. For this endpoint a complete dose-effect-curve was obtained. Therefore, the achieved uncertainty is almost as small as necessary at clinically applied accelerators (3