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.:1 Einleitung 2 Theoretische Grundlagen 2.1 Grundlagen zur Dosimetrie ionisierender Strahlung 2.2 Optisch Stimulierte Lumineszenz 2.3 Dosimetrie mit Hilfe der Optisch Stimulierten Lumineszenz 3 Material und Methoden 3.1 Berylliumoxiddetektoren und Dosimeter 3.2 Auswerteverfahren 3.3 Bestrahlungsmöglichkeiten 3.4 Strahlungstransportberechnungen 4 Experimentelle Ergebnisse 4.1 Rechnerisches Ansprechvermögen für BeO-OSL-Detektoren 4.2 Experimentelles Ansprechvermögen für BeO-OSL-Detektoren 4.3 Vergleich von rechnerischem und experimentellem ASV für BeO- Detektoren 4.4 Effizienz für BeO-OSL-Detektoren 5 Modellierung der Effizienz von BeO-OSL-Detektoren 5.1 Target-Modell 5.2 Berechnung der Effizienz auf Grundlage des Modells der lokalen Sättigung 5.3 Ergebnisse der Modellierung 6 Anwendungen 6.1 Ansprechvermögen für Beta-Strahler 6.2 Energieansprechvermögen des iBeOx-Personendosimeters 6.3 Konzeption eines Ortsdosimeters auf Basis des iBeOx-Dosimetriesystems 7 Zusammenfassung 8 Literaturverzeichnis A Anhang A.1 Theorie A.2 Messdaten und Ergebnisse A.3 Effizienzen für unterschiedliche Bestrahlungsgeometrien / 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.:1 Einleitung 2 Theoretische Grundlagen 2.1 Grundlagen zur Dosimetrie ionisierender Strahlung 2.2 Optisch Stimulierte Lumineszenz 2.3 Dosimetrie mit Hilfe der Optisch Stimulierten Lumineszenz 3 Material und Methoden 3.1 Berylliumoxiddetektoren und Dosimeter 3.2 Auswerteverfahren 3.3 Bestrahlungsmöglichkeiten 3.4 Strahlungstransportberechnungen 4 Experimentelle Ergebnisse 4.1 Rechnerisches Ansprechvermögen für BeO-OSL-Detektoren 4.2 Experimentelles Ansprechvermögen für BeO-OSL-Detektoren 4.3 Vergleich von rechnerischem und experimentellem ASV für BeO- Detektoren 4.4 Effizienz für BeO-OSL-Detektoren 5 Modellierung der Effizienz von BeO-OSL-Detektoren 5.1 Target-Modell 5.2 Berechnung der Effizienz auf Grundlage des Modells der lokalen Sättigung 5.3 Ergebnisse der Modellierung 6 Anwendungen 6.1 Ansprechvermögen für Beta-Strahler 6.2 Energieansprechvermögen des iBeOx-Personendosimeters 6.3 Konzeption eines Ortsdosimeters auf Basis des iBeOx-Dosimetriesystems 7 Zusammenfassung 8 Literaturverzeichnis A Anhang A.1 Theorie A.2 Messdaten und Ergebnisse A.3 Effizienzen für unterschiedliche Bestrahlungsgeometrien

In dem Bericht werden Methoden und Ergebnisse experimenteller Untersuchungen an verfügbaren Ortsdosisleistungsmessgeräten in Feldern gepulster, ionisierender Strahlung beschrieben. Es zeigte sich, dass die meisten Messgeräte nur erheblich eingeschränkt für die Messung dieser Art Strahlung geeignet sind. Ionisationskammern, soweit einsetzbar, stellen das geeignetste der untersuchten Messprinzipien dar. Felder gepulster Strahlung treten bei einer Vielzahl industrieller, medizinischer und wissenschaftlicher Anwendungen auf. Die Veröffentlichung richtet sich an die in diesen Bereichen tätigen Strahlenschützer.

In Medizin und Technik besteht ein Bedarf an flexiblen, miniaturisierten Dosisleistungs-messgeräten mit hoher Ortsauflösung für den Einsatz in Strahlungsfeldern hoher Dosisleistung und Dosisleistungsgradienten. Lichtwellenleiterbasierte Dosisleistungsmess-systeme können diese Anforderungen erfüllen. Sie bestehen aus einem strahlungssensitiven Leuchtstoff, welcher über einen flexiblen Lichtleiter an einen Lichtdetektor gekoppelt ist. Die Eliminierung des dominierenden Störeinflusses, des bei Bestrahlung des Lichtleiters generierten Stem-Effekts, ist eine inhärente Herausforderung aller lichtwellenleiter¬basierten Dosisleistungsmesssysteme. In der vorliegenden Arbeit wird ein solches System unter Verwendung der Lumineszenz der gewebeäquivalenten Detektormaterialien Berylliumoxid und Lithiumtetraborat realisiert. Der Schwerpunkt liegt dabei auf der Untersuchung von Methoden der Stem-Eliminierung unter Nutzung der zeitlichen Charakteristik der Lumineszenzmaterialien sowie der zeitlichen Struktur des Strahlungsfeldes oder einer modulierten optischen Stimulation. Eine performante Ausleseelektronik auf FPGA-Basis ermöglicht Echtzeit-Messungen mit einer Abtastung von 10 ns. Verschiedene Auswertemethoden generieren aus den Rohdaten in Zeitstempelform eine stem-unabhängige, dosisleistungsproportionale Detektorantwort. / In medicine and technology there is a demand for flexible, miniaturized dose rate measurement systems with high spatial resolution for the application in radiation fields of high dose rates and dose rate gradients. Fiber optic coupled dosimeters can meet these requirements. They consist of a radiation sensitive luminescent material which is connected to a light detector with a flexible light guide. The elimination of the dominant perturbation, which is the stem effect generated by irradiation of the light guide, is one inherent challenge of all fiber optic dosimeters. In the present work such a system is realized, using the luminescence of the two tissue equivalent detector materials beryllium oxide and lithium tetraborate. The main focus is on the investigation of methods of stem elimination, exploiting the temporal characteristics of the luminescent materials, as well as the time structure of the irradiation or a modulated optical stimulation. For this purpose, capable FPGA-based read out electronics are employed, which enable real time measurements with 10 ns sampling. Different methods of analysis process the time stamp raw data and generate a stem-free, dose rate proportional detector response.

Durch die Einführung von Synchrozyklotronen und Laser-Teilchenbeschleunigern, entwickelt mit dem Ziel günstigere und kompaktere Protonentherapieanlagen bereitzustellen, werden stark gepulste Strahlenfelder möglicherweise Anwendung in der Teletherapie finden. Darüber hinaus bergen stark gepulste Strahlenfelder das Potential klinischer Vorteile durch eine bessere Schonung gesunden Gewebes oder die verbesserte Behandlung bewegter Tumore. Allerdings ergeben sich neue Herausforderungen im Bereich der Dosimetrie, der Grundlage für eine präzise therapeutische Anwendung ionisierender Strahlung. Diese Herausforderungen betreffen sowohl den Bereich der klinischen Dosimetrie für die unmittelbare Strahlenanwendung als auch die Strahlenschutzdosimetrie zum Schutz von Umwelt und Personal. Luftgefüllte Ionisationskammern, die primären Messinstrumente der klinischen Dosimetrie, sind von einem zunehmenden Signalverlust aufgrund von Volumenrekombination betroffen, da stark gepulste Strahlenfelder eine hohe Ionisationsdichte innerhalb eines sehr kurzen Zeitraums erzeugen. Beschreibungen für diese Effekte sind zwar gut etabliert für die moderat gepulsten Felder im gegenwärtigen klinischen Einsatz (Boags Theorie), allerdings sind die dafür nötigen Näherung höchst wahrscheinlich unzureichend für die stark gepulsten Strahlenfelder zukünftiger Beschleuniger. Ferner sind Dosisleistungsmessgeräte, welche im Strahlenschutz als fest installierte oder mobile Überwachungsdosimeter eingesetzt werden, nur für kontinuierliche Strahlenfelder geprüft und bauartzugelassen, was Zweifel an ihrer Eignung für die Messung gepulster Felder eröffnet. In dieser Arbeit wurden beide Bereiche der Dosimetrie, sowohl Strahlenschutz als auch klinische Dosimetrie, untersucht, um die medizinische Anwendung stark gepulster Strahlung zu ermöglichen. Für ein möglichst umfassendes Verständnis wurden dabei experimentelle Untersuchungen mit theoretischen Überlegungen und Entwicklungen verzahnt. Mit dem ELBE-Forschungsbeschleuniger wurde ein gepulster 20 MeV Elektronenstrahl und somit ein gepulstes Strahlungsfeld erzeugt, welches eine systematische Untersuchung in einem großen Bereich in Bezug auf Pulsdosis und Pulsdauer erlaubte. Ionisationskammern für den klinischen Einsatz wurden mit diesem Elektronenstrahl direkt bestrahlt und ein Faraday-Becher diente als unabhängige Referenzmessung. Dosisleistungsmessgeräte hingegen wurden im, durch den Elektronenstrahl im Faraday-Becher erzeugten, Bremsstrahlungsfeld bestrahlt. Dabei fungierte die Ionisationskammer vor dem Faraday-Becher als Strahlmonitor und diente zur Bestimmung der Referenzdosis des Bremsstrahlungsfeldes über eine Querkalibrierung mit Thermolumineszenzdosimetern. Es wurden drei Dosisleistungsmessgeräte basierend auf unterschiedlichen Messprinzipien untersucht, die damit einen großen Teil der im Strahlenschutz eingesetzten Messprinzipien abdecken: Die Ionisationskammer RamION, das Proportionalzählrohr LB1236-H10 und der Szintillationsdetektor AD-b. Für die klinische Dosimetrie wurden zwei verbreitete Ionisationskammergeometrien untersucht: die Advanced Markus Kammer als Flachkammer und die PinPoint Kammer als Kompaktkammer. Zusätzlich zu der üblichen Luftfüllung wurde außerdem eine Füllung mit reinem Stickstoff und zwei Flüssigionisationskammern mit Isooctan und Tetramethylsilan untersucht. Ferner wurde eine numerische Berechnung der Volumenrekombination in Ionisationskammern durch die Beschreibung der Prozesse von Ladungsfreisetzung, Ladungstransport und Reaktion entwickelt, um eine Beschreibung zu erhalten, die ohne die für Boags Theorie notwendigen Näherungen auskommt. Insbesondere berücksichtigt diese Berechnung den Einfluss der freigesetzten Ladungen auf das elektrische Feld, der in Boags Theorie vernachlässigt wird. Von den drei untersuchten Dosisleistungsmessgeräten zeigte nur das RamION Messungen innerhalb der gegebenen Toleranzen in den untersuchten Strahlungsfeldern. Die unerwartet schlechte Präzision des AD-b Szintillationsdetektors, der keinen prinzipiellen Beschränkungen in gepulsten Feldern unterliegen sollte, wurde auf die Signalverarbeitung im Messgerät zurückgeführt, welche das prinzipielle Problem einer unbekannten Signalverarbeitung in kommerziellen Geräten hervorhebt. Das LB 1236-H10 Proportionalzählrohr andererseits maß den Erwartungen entsprechend. Dies unterstützt zwar die in DIN IEC/TS 62743 dargelegten Erwartungen für zählende Dosimeter, zeigt allerdings zugleich die allgemeine Unzulänglichkeit solcher Instrumente für die Messung stark gepulster Felder und demonstriert die Notwendigkeit für weitere normative Bestrebungen, um einheitliche Bedingungen für die Untersuchung nicht-zählender Dosimeter (wie das RamION) zu schaffen. Durch die Aufnahme dieser Ergebnisse in die Literatur der Strahlenschutzkommission wurde hier der Grundstein für eine solche Entwicklung gelegt. Die Untersuchung der Ionisationskammern für klinische Dosimetrie zeigte z.T. starke Abweichungen zwischen Boags Theorie und experimentellen Beobachtungen. Boags Theorie beschreibt Volumenrekombination hinreichend genau lediglich für die zwei Flüssigionisationskammern. Im Falle sämtlicher gasgefüllter Kammern waren effektive Parameter notwendig, deren Wert kaum einen Zusammenhang mit der ursprünglichen Definition besaß. Doch auch dieser Ansatz versagt jedoch für die Advanced Markus-Kammer bei Sammelspannungen ≥ 300 V und Pulsdosen ab ca. 100 mGy. Das entwickelte numerische Berechnungsverfahren lieferte eine deutlich passendere Berechnung der Volumenrekombination und ermöglichte es, die Ursache für die Unterschiede zu Boags Theorie in dem Einfluss der freigesetzten Ladungen auf das elektrische Feld zu identifizieren. Eine aufgrund der erhöhten Pulsdosis erhöhte positive Raumladung verlangsamt die Sammlung der normalerweise schnellen freien Elektronen, welche von Volumenrekombination zunächst unbeeinträchtigt sind. Aufgrund der längeren Verweildauer im Kammervolumen, lagert sich jedoch ein höherer Anteil der Elektronen an und bildet negative Ionen. Der daraus resultierende höhere Anteil an Ladungen die Volumenrekombination ausgesetzt sind, zusätzlich zu der erhöhten Ladungsmenge, bedingt eine Erhöhung der Volumenrekombination mit der Pulsdosis, die sich nicht durch Boags Theorie beschreiben lässt. Insbesondere von Bedeutung ist dieser Effekt bei hohen elektrischen Feldstärken und kleinen Elektrodenabständen, die in einem hohen Anteil freier Elektronen resultieren. Des Weiteren erlaubt das numerische Verfahren die Berechnung für beliebige Pulsdauern, wohingegen Boags Theorie auf verschwindend geringe Pulsdauern beschränkt ist. Im Allgemeinen ergab das numerische Berechnungsverfahren Ergebnisse in guter Übereinstimmung mit den experimentellen Beobachtungen für die sehr verschiedenartigen Füllungen von Luft, Stickstoff und Flüssigkeiten. Auch die geometrisch komplexere Kompaktkammer konnte prinzipiell damit beschrieben werden, wobei sich jedoch für die untersuchte PinPoint-Kammer einige Diskrepanzen zu den experimentellen Beobachtungen ergaben. Eine vielversprechende Weiterentwicklung der Berechnung wäre die verbesserte Beschreibung der Sammelspannungsabhängigkeit der Volumenrekombination. In ihrer derzeitigen Form erfordert die Berechnung eine Charakterisierung jeder Kammer und Spannung, was durch eine Weiterentwicklung der Berechnung möglicherweise eliminiert werden könnte. Nichtsdestotrotz stellt die entwickelte numerische Berechnung eine deutliche Verbesserung gegenüber Boag's Theorie durch die korrekte Beschreibung der Pulsdosis- und Pulsdauerabhängigkeit der Volumenrekombination in stark gepulsten Felder dar, was prinzipiell eine absolute Dosimetrie dieser Felder ermöglichen sollte.:1 Introduction 2 Scientific Background 2.1 General Aspects of Dosimetry 2.1.1 The Radiation Dose 2.1.2 Limitations of Absorbed Dose 2.1.3 Radiation Therapy vs. Radiation Protection 2.2 Pulsed Radiation 2.2.1 Terminology 2.2.2 Sources 2.3 Ionization Chambers for Radiation Therapy Dosimetry 2.3.1 Principle of Operation 2.3.2 Calibration and Correction Factors 2.3.3 Saturation Correction and Volume Recombination 2.4 Numerical Solution of Advection-Diffusion-Reaction Equations 2.5 Dose Rate Meters for Radiation Protection Dosimetry 2.5.1 Counting Tubes 2.5.2 Scintillation Detectors 2.5.3 Current Regulatory Developments 3 Material and Methods 3.1 Common Experimental Setup 3.1.1 Radiation Source ELBE 3.1.2 Beam Monitoring Equipment 3.2 Dose Rate Meter Measurements 3.2.1 Measurement Series and Procedure 3.2.2 Reference Measurements 3.3 Ionization Chamber Measurements 3.3.1 Measurement Series and Procedure 3.3.2 Experimental Determination of Volume Recombination 3.4 Numerical Calculation of Volume Recombination 3.4.1 Plane-parallel Chamber Geometry 3.4.2 Adaption to Thimble Chamber Geometry 3.4.3 Input Parameters 4 Dose Rate Meter Investigation 4.1 Results 4.2 Discussion and Conclusion 5 Ionization Chamber Investigation 5.1 Field Homogeneity and Stability 5.2 Uncertainty Considerations 5.3 Advanced Markus Chamber in Air 5.3.1 Experimental and Calculation Results 5.3.2 Comparison to Literature 5.3.3 Validity of the Numerical Model 5.3.4 Discussion of the Recombination Rate 5.3.5 Relevance of the Free Electron Fraction 5.4 Advanced Markus Chamber in N 2 5.4.1 Experimental and Calculation Results 5.4.2 Discussion of the Electron-Ion Recombination 5.5 PinPoint Chamber 5.5.1 Results and Discussion 5.6 Liquid Ionization Chamber 5.6.1 Experimental and Calculation Results 5.6.2 Discussion 5.7 Conclusion and Outlook 6 Summary 7 Zusammenfassung Bibliography Appendix A Evaluation of the Faraday Cup Data B Description of the Implemented Numerical Solver Danksagung / 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.:1 Introduction 2 Scientific Background 2.1 General Aspects of Dosimetry 2.1.1 The Radiation Dose 2.1.2 Limitations of Absorbed Dose 2.1.3 Radiation Therapy vs. Radiation Protection 2.2 Pulsed Radiation 2.2.1 Terminology 2.2.2 Sources 2.3 Ionization Chambers for Radiation Therapy Dosimetry 2.3.1 Principle of Operation 2.3.2 Calibration and Correction Factors 2.3.3 Saturation Correction and Volume Recombination 2.4 Numerical Solution of Advection-Diffusion-Reaction Equations 2.5 Dose Rate Meters for Radiation Protection Dosimetry 2.5.1 Counting Tubes 2.5.2 Scintillation Detectors 2.5.3 Current Regulatory Developments 3 Material and Methods 3.1 Common Experimental Setup 3.1.1 Radiation Source ELBE 3.1.2 Beam Monitoring Equipment 3.2 Dose Rate Meter Measurements 3.2.1 Measurement Series and Procedure 3.2.2 Reference Measurements 3.3 Ionization Chamber Measurements 3.3.1 Measurement Series and Procedure 3.3.2 Experimental Determination of Volume Recombination 3.4 Numerical Calculation of Volume Recombination 3.4.1 Plane-parallel Chamber Geometry 3.4.2 Adaption to Thimble Chamber Geometry 3.4.3 Input Parameters 4 Dose Rate Meter Investigation 4.1 Results 4.2 Discussion and Conclusion 5 Ionization Chamber Investigation 5.1 Field Homogeneity and Stability 5.2 Uncertainty Considerations 5.3 Advanced Markus Chamber in Air 5.3.1 Experimental and Calculation Results 5.3.2 Comparison to Literature 5.3.3 Validity of the Numerical Model 5.3.4 Discussion of the Recombination Rate 5.3.5 Relevance of the Free Electron Fraction 5.4 Advanced Markus Chamber in N 2 5.4.1 Experimental and Calculation Results 5.4.2 Discussion of the Electron-Ion Recombination 5.5 PinPoint Chamber 5.5.1 Results and Discussion 5.6 Liquid Ionization Chamber 5.6.1 Experimental and Calculation Results 5.6.2 Discussion 5.7 Conclusion and Outlook 6 Summary 7 Zusammenfassung Bibliography Appendix A Evaluation of the Faraday Cup Data B Description of the Implemented Numerical Solver Danksagung

Viele Festkörperdosimetriesonden haben eine hohe räumliche und zeitliche Auflösung. Jedoch zeigt ihr Messsignal Quench-Effekte beim Einsatz in Protonenstrahlungsfeldern mit hohem linearen Energietransfer (LET). Ohne eine Korrektur dieses verminderten Messeffekts würde dies zu einer Unterschätzung der Dosis führen. In dieser Arbeit wurde ein Messsystem entwickelt, das auf einem an eine Lichtleitfaser gekoppelten sensitiven Volumen aus Berylliumoxid basiert, dessen Lumineszenzlicht während der Messung spektral geteilt wird. Dadurch entsteht eine zusätzliche Information, die eine Aussage über die Restreichweite und somit über den LET von Protonen am Messort ermöglicht. Es konnte gezeigt werden, dass das Signalverhältnis der beiden spektralen Anteile stark mit der Restreichweite von initial monoenergetischen Protonen korreliert. Auf dieser Basis wurde eine Korrekturfunktion implementiert, welche die Dosisunterschätzung für Protonen mit Anfangsenergien kleiner als 145 MeV gut ausgleicht. Eine beobachtete Abhängigkeit der Signalverhältnisbasierten Dosiskorrektur von der initialen Protonenenergie führt jedoch dazu, dass die Korrektur für initial höherenergetische Protonen bei hohem LET weiterhin eine unterschätzte Dosis liefert.:1 Einleitung 2 Physikalische Grundlagen zur Dosimetrie in Photonen- und Protonenfeldern 2.1 Strahlungsfeldgrößen 2.2 Wechselwirkungen von Photonen mit Materie 2.3 Wechselwirkungen geladener Teilchen mit Materie 2.4 Wichtige Größen der Dosimetrie und dosimetrische Konzepte 2.5 BeO-basierte Faser-Dosimetriesonden 3 Material und Methoden 3.1 Verwendetes Messsystem 3.2 Dosis-Kalibrierung des Messsystems im Photonen-Referenzfeld 3.3 Messungen im Protonenfeld an der UPTD 3.4 LET-abhängige Korrektur des Messeffekts 3.5 Verifikation 4 Ergebnisse 4.1 Dosis-Kalibrierung im Photonen-Referenzfeld 4.2 Messungen im Protonenfeld 4.3 LET-abhängige Korrektur des Messeffekts 4.4 Verifikation 5 Diskussion 6 Zusammenfassung / Many solid dosemeters offer high spatial and temporal resolution. However, a common problem is their quenching in regions of high linear energy transfer (LET) during measurements in proton beams. This leads to reduced measurement signal, and thus, to dose underestimation. Hence, a dose correction is necessary. In this work a dosimetric system was developed which is based on a fiber coupled sensitive volume of beryllium oxide. Its radioluminescence signal is split into two spectral parts during measurement. Thereby one can obtain additional information that enables access to the values of residual range and LET of proton beams at the point of measurement. It could be shown that there exists a strong correlation between the signal ratio of both spectral parts of luminescence and the residual range of monoenergetic proton beams. Based on this, a correction function was implemented which allows for the adjustment of dose underestimation for measurements in proton beams of initial energies less than 145 MeV. Nevertheless, the signal ratio based correction function was observed to be dependent on the initial proton beam energy. Hence, the underestimation of the dose remains in the case of higher initial proton energies in regions of high LET.:1 Einleitung 2 Physikalische Grundlagen zur Dosimetrie in Photonen- und Protonenfeldern 2.1 Strahlungsfeldgrößen 2.2 Wechselwirkungen von Photonen mit Materie 2.3 Wechselwirkungen geladener Teilchen mit Materie 2.4 Wichtige Größen der Dosimetrie und dosimetrische Konzepte 2.5 BeO-basierte Faser-Dosimetriesonden 3 Material und Methoden 3.1 Verwendetes Messsystem 3.2 Dosis-Kalibrierung des Messsystems im Photonen-Referenzfeld 3.3 Messungen im Protonenfeld an der UPTD 3.4 LET-abhängige Korrektur des Messeffekts 3.5 Verifikation 4 Ergebnisse 4.1 Dosis-Kalibrierung im Photonen-Referenzfeld 4.2 Messungen im Protonenfeld 4.3 LET-abhängige Korrektur des Messeffekts 4.4 Verifikation 5 Diskussion 6 Zusammenfassung

Computer vision in the area of medical imaging has rapidly improved during recent years as a consequence of developments in deep learning and explainability algorithms. In addition, imaging in nuclear medicine is becoming increasingly sophisticated, with the emergence of targeted radiotherapies that enable treatment and imaging on a molecular level (“theranostics”) where radiolabeled targeted molecules are directly injected into the bloodstream. Based on our recent work, we present two use-cases in nuclear medicine as follows: first, the impact of automated organ segmentation required for personalized dosimetry in patients with neuroendocrine tumors and second, purely data-driven identification and verification of brain regions for diagnosis of Parkinson’s disease. Convolutional neural network was used for automated organ segmentation on computed tomography images. The segmented organs were used for calculation of the energy deposited into the organ-at-risk for patients treated with a radiopharmaceutical. Our method resulted in faster and cheaper dosimetry and only differed by 7% from dosimetry performed by two medical physicists. The identification of brain regions, however was analyzed on dopamine-transporter single positron emission tomography images using convolutional neural network and explainability, i.e., layer-wise relevance propagation algorithm. Our findings confirm that the extra-striatal brain regions, i.e., insula, amygdala, ventromedial prefrontal cortex, thalamus, anterior temporal cortex, superior frontal lobe, and pons contribute to the interpretation of images beyond the striatal regions. In current common diagnostic practice, however, only the striatum is the reference region, while extra-striatal regions are neglected. We further demonstrate that deep learning-based diagnosis combined with explainability algorithm can be recommended to support interpretation of this image modality in clinical routine for parkinsonian syndromes, with a total computation time of three seconds which is compatible with busy clinical workflow. Overall, this thesis shows for the first time that deep learning with explainability can achieve results competitive with human performance and generate novel hypotheses, thus paving the way towards improved diagnosis and treatment in nuclear medicine.

Vor jeder Radioiodtherapie (RIT) sowohl bei Patienten mit einer funktionell relevanten Schilddrüsenautonomie als auch bei Patienten mit einem Morbus Basedow schreibt der Gesetzgeber in Deutschland eine individuelle Dosimetrie zu Vermeidung einer unnötigen Strahlenbelastung vor. Das Ziel des Radioiodtests ist es, eine möglichst genaue Vorhersage der individuellen Radioiodkinetik zu treffen. Ziel dieser Arbeit war es neben der theoretischen Begründung und Beschreibung der 1-Punkt-Messung, den Nachweis der Machbarkeit und Effektivität dieses neuen dosimetrischen Ansatzes im klinischen Kontext zu führen. In einem weiteren Schritt wurden die klinischen Ergebnisse der hier ausgewerteten Patienten mit publizierten Daten verglichen. Desweiteren wurden Einflussfaktoren auf den Erfolg bzw. Misserfolg der RIT evaluiert. Dieser neue dosimetrische Ansatz nach Prof. Luig verwendet eine späte Uptake-Messung nach 7 Tage und geht von einem krankheitsspezifischen Erreichen der Aktivitätsmaxima in der Schilddrüse aus. In dieser retrospektiven Auswertung wurde die Daten von 169 Patienten ausgewertet, die im Zeitraum von April 2006 bis Dezember 2008 in der Nuklearmedizin der UMG aufgrund einer funktionellen Autonomie oder einer Immunogenen Hyperthyreose einer präradioiodtherapeutischen Dosimetrie mittels einer einzigen Uptake-Messung unterzogen wurden. Die Erfolgsrate nach einmaliger RIT lag bei Patienten mit einer Autonomie bei 92,2% und bei Patienten mit einem Morbus Basedow bei 85,7%. Als statistisch signifikanter Einflussfaktor für den Misserfolg einer RIT zeigte sich bei beiden Krankheitsbildern ein erhöhter Technetiumsuppressionsuptake (TcTUs). Zusammenfassend liegt der Vorteil 1-Punkt-Messung beim Radioiodtest in der guten Durchführbarkeit und vor allem in seiner klinischen Effizienz.

Accelerated protons are excellent candidates for treating several types of tumours. Such charged particles stop at a defined depth, where their ionisation density is maximum. As the dose deposit beyond this distal edge is very low, proton therapy minimises the damage to normal tissue compared to photon therapy. Nonetheless, inherent range uncertainties cast doubts on the irradiation of tumours close to organs at risk and lead to the application of conservative safety margins. This constrains significantly the potential benefits of proton over photon therapy and limits its ultimate aspirations. Prompt gamma rays, a by-product of the irradiation that is correlated to the dose deposition, are reliable signatures for the detection of range deviations and even for three-dimensional in vivo dosimetry. In this work, two methods for Prompt Gamma-ray Imaging (PGI) are investigated: the Compton camera (Cc) and the Prompt Gamma-ray Timing (PGT). Their applicability in a clinical scenario is discussed and compared. The first method aspires to reconstruct the prompt gamma ray emission density map based on an iterative imaging algorithm and multiple position sensitive gamma ray detectors. These are arranged in scatterer and absorber plane. The second method has been recently proposed as an alternative to collimated PGI systems and relies on timing spectroscopy with a single monolithic detector. The detection times of prompt gamma rays encode essential information about the depth-dose profile as a consequence of the measurable transit time of ions through matter. At Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) and OncoRay, detector components are characterised in realistic radiation environments as a step towards a clinical Cc. Conventional block detectors deployed in commercial Positron Emission Tomography (PET) scanners, made of Cerium-doped lutetium oxyorthosilicate - Lu2SiO5:Ce (LSO) or Bismuth Germanium Oxide - Bi4Ge3O12 (BGO) scintillators, are suitable candidates for the absorber of a Cc due to their high density and absorption efficiency with respect to the prompt gamma ray energy range (several MeV). LSO and BGO block detectors are compared experimentally in clinically relevant radiation fields in terms of energy, spatial and time resolution. On a different note, two BGO block detectors (from PET scanners), arranged as the BGO block Compton camera (BbCc), are deployed for simple imaging tests with high energy prompt gamma rays produced in homogeneous Plexiglas targets by a proton pencil beam. The rationale is to maximise the detection efficiency in the scatterer plane despite a moderate energy resolution. Target shifts, increase of the target thickness and beam energy variation experiments are conducted. Concerning the PGT concept, in a collaboration among OncoRay, HZDR and IBA, the first test at a clinical proton accelerator (Westdeutsches Protonentherapiezentrum Essen) with several detectors and heterogeneous phantoms is performed. The sensitivity of the method to range shifts is investigated, the robustness against background and stability of the beam bunch time profile is explored, and the bunch time spread is characterised for different proton energies. With respect to the material choice for the absorber of the Cc, the BGO scintillator closes the gap with respect to the brighter LSO. The reason behind is the high energies of prompt gamma rays compared to the PET scenario, which increase significantly the energy, spatial and time resolution of BGO. Regarding the BbCc, shifts of a point-like radioactive source are correctly detected, line sources are reconstructed, and one centimetre proton range deviations are identified based on the evident changes of the back projection images. Concerning the PGT experiments, for clinically relevant doses, range differences of five millimetres in defined heterogeneous targets are identified by numerical comparison of the spectrum shape. For higher statistics, range shifts down to two millimetres are detectable. Experimental data are well reproduced by analytical modelling. The Cc and the PGT are ambitious approaches for range verification in proton therapy based on PGI. Intensive detector characterisation and tests in clinical facilities are mandatory for developing robust prototypes, since the energy range of prompt gamma rays spans over the MeV region, not used traditionally in medical applications. Regarding the material choice for the Cc: notwithstanding the overall superiority of LSO, BGO catches up in the field of PGI. It can be considered as a competitive alternative to LSO for the absorber plane due to its lower price, higher photoabsorption efficiency, and the lack of intrinsic radioactivity. The results concerning the BbCc, obtained with relatively simple means, highlight the potential application of Compton cameras for high energy prompt gamma ray imaging. Nevertheless, technical constraints like the low statistics collected per pencil beam spot (if clinical currents are used) question their applicability as a real-time and in vivo range verification method in proton therapy. The PGT is an alternative approach, which may have faster translation into clinical practice due to its lower price and higher efficiency. A proton bunch monitor, higher detector throughput and quantitative range retrieval are the upcoming steps towards a clinically applicable prototype, that may detect significant range deviations for the strongest beam spots. The experimental results emphasise the prospects of this straightforward verification method at a clinical pencil beam and settle this novel approach as a promising alternative in the field of in vivo dosimetry. / Beschleunigte Protonen sind ausgezeichnete Kandidaten für die Behandlung von diversen Tumorarten. Diese geladenen Teilchen stoppen in einer bestimmten Tiefe, bei der die Ionisierungsdichte maximal ist. Da die deponierte Dosis hinter der distalen Kante sehr klein ist, minimiert die Protonentherapie den Schaden an normalem Gewebe verglichen mit der Photonentherapie. Inhärente Reichweitenunsicherheiten stellen jedoch die Bestrahlung von Tumoren in der Nähe von Risikoorganen in Frage und führen zur Anwendung von konservativen Sicherheitssäumen. Dadurch werden die potentiellen Vorteile der Protonen- gegenüber der Photonentherapie sowie ihre letzten Ziele eingeschränkt. Prompte Gammastrahlung, ein Nebenprodukt der Bestrahlung, welche mit der Dosisdeposition korreliert, ist eine zuverlässige Signatur um Reichweitenunterschiede zu detektieren und könnte sogar für eine dreidimensionale in vivo Dosimetrie genutzt werden. In dieser Arbeit werden zwei Methoden für Prompt Gamma-ray Imaging (PGI) erforscht: die Compton-Kamera (CK) und das Prompt Gamma-ray Timing (PGT)-Konzept. Des Weiteren soll deren Anwendbarkeit im klinischen Szenario diskutiert und verglichen werden. Die erste Methode strebt nach der Rekonstruktion der Emissionsdichtenverteilung der prompten Gammastrahlung und basiert auf einem iterativen Bildgebungsalgorithmus sowie auf mehreren positionsempfindlichen Detektoren. Diese werden in eine Streuer- und Absorberebene eingeteilt. Die zweite Methode ist vor Kurzem als eine Alternative zu kollimierten PGI Systemen vorgeschlagen worden, und beruht auf dem Prinzip der Zeitspektroskopie mit einem einzelnen monolithischen Detektor. Die Detektionszeiten der prompten Gammastrahlen beinhalten entscheidende Informationen über das Tiefendosisprofil aufgrund der messbaren Durchgangszeit von Ionen durch Materie. Am Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) und OncoRay werden Detektorkomponenten in realistischen Strahlungsumgebungen als ein Schritt zur klinischen CK charakterisiert. Konventionelle Blockdetektoren, welche in kommerziellen Positronen-Emissions-Tomographie (PET)-Scannern zum Einsatz kommen und auf Cer dotiertem Lutetiumoxyorthosilikat - Lu2SiO5:Ce (LSO) oder Bismutgermanat - Bi4Ge3O12 (BGO) Szintillatoren basieren, sind geeignete Kandidaten für den Absorber einer CK wegen der hohen Dichte und Absorptionseffizienz im Energiebereich von prompten Gammastrahlen (mehrere MeV). LSO- und BGO-Blockdetektoren werden in klinisch relevanten Strahlungsfeldern in Bezug auf Energie-, Orts- und Zeitauflösung verglichen. Weiterhin werden zwei BGO-Blockdetektoren (von PET-Scannern), angeordnet als BGO Block Compton-Kamera (BBCK), benutzt, um die Bildgebung von hochenergetischen prompten Gammastrahlen zu untersuchen, die in homogenen Plexiglas-Targets durch einen Protonen-Bleistiftstrahl emittiert werden. Die Motivation hierfür ist, die Detektionseffizienz der Streuerebene zu maximieren, wobei jedoch die Energieauflösung vernachlässigt wird. Targetverschiebungen, sowie Änderungen der Targetdicke und der Teilchenenergie werden untersucht. In einer Kollaboration zwischen OncoRay, HZDR and IBA, wird der erste Test des PGT-Konzepts an einem klinischen Protonenbeschleuniger (Westdeutsches Protonentherapiezentrum Essen) mit mehreren Detektoren und heterogenen Phantomen durchgeführt. Die Sensitivität der Methode hinsichtlich Reichweitenveränderungen wird erforscht. Des Weiteren wird der Einfluss von Untergrund und Stabilität des Zeitprofils des Strahlenbündels untersucht, sowie die Zeitverschmierung des Bündels für verschiedene Protonenenergien charakterisiert. Für die Materialauswahl für den Absorber der CK ergibt sich, dass sich BGO dem lichtstärkeren LSO Szintillator angleicht. Der Grund dafür sind die höheren Energien der prompten Gammastrahlung im Vergleich zum PET Szenario, welche die Energie-, Orts- und Zeitauflösung von BGO stark verbessern. Anhand von offensichtlichen Änderungen der Rückprojektionsbilder zeigt sich, dass mit der BBCK Verschiebungen einer punktförmigen radioaktiven Quelle erfolgreich detektiert, Linienquellen rekonstruiert und Verschiebungen der Protonenreichweite um einen Zentimeter identifiziert werden. Für die PGT-Experimente können mit einem einzigen Detektor Reichweitenunterschiede von fünf Millimetern für definierte heterogene Targets bei klinisch relevanten Dosen detektiert werden. Dies wird durch den numerischen Vergleich der Spektrumform ermöglicht. Bei größerer Ereigniszahl können Reichweitenunterschiede von bis zu zwei Millimetern detektiert werden. Die experimentellen Daten werden durch analytische Modellierung wiedergegeben. Die CK und das PGT-Konzept sind ambitionierte Ansätze zur Verifizierung der Reichweite in der Protonentherapie basierend auf PGI. Intensive Detektorcharakterisierung und Tests an klinischen Einrichtungen sind Pflicht für die Entwicklung geeigneter Prototypen, da der Energiebereich prompter Gammastrahlung sich über mehrere MeV erstreckt, was nicht dem Normbereich der traditionellen medizinischen Anwendungen entspricht. Im Bezug auf die Materialauswahl der CK wird ersichtlich, dass BGO trotz der allgemeinen Überlegenheit von LSO für die Anwendung im Bereich PGI aufholt. Wegen des niedrigeren Preises, der höheren Photoabsorptionseffizienz und der nicht vorhandenen Eigenaktivität erscheint BGO als eine konkurrenzfähige Alternative für die Absorberebene der CK im Vergleich zu LSO. Die Ergebnisse der BBCK, welche mit relativ einfachen Mitteln gewonnen werden, heben die potentielle Anwendung von Compton-Kameras für die Bildgebung prompter hochenergetischer Gammastrahlen hervor. Trotzdem stellen technische Beschränkungen wie die mangelnde Anzahl von Messereignissen pro Bestrahlungspunkt (falls klinische Ströme genutzt werden) die Anwendbarkeit der CK als Echtzeit- und in vivo Reichweitenverifikationsmethode in der Protonentherapie in Frage. Die PGT-Methode ist ein alternativer Ansatz, welcher aufgrund der geringeren Kosten und der höheren Effizienz eine schnellere Umsetzung in die klinische Praxis haben könnte. Ein Protonenbunchmonitor, höherer Detektordurchsatz und eine quantitative Reichweitenrekonstruktion sind die weiteren Schritte in Richtung eines klinisch anwendbaren Prototyps, der signifikante Reichweitenunterschiede für die stärksten Bestrahlungspunkte detektieren könnte. Die experimentellen Ergebnisse unterstreichen das Potential dieser Reichweitenverifikationsmethode an einem klinischen Bleistiftstrahl und lassen diesen neuartigen Ansatz als eine vielversprechende Alternative auf dem Gebiet der in vivo Dosimetrie erscheinen.

Background The finite range of a proton beam in tissue and the corresponding steep distal dose gradient near the end of the particle track open new vistas for the delivery of a highly target-conformal dose distribution in radiation therapy. Compared to a classical photon treatment, the potential therapeutic benefit of a particle treatment is a significant dose reduction in the tumor-surrounding tissue at a comparable dose level applied to the tumor. Motivation The actually applied particle range, and therefor the dose deposition in the target volume, is quite sensitive to the tissue composition in the path of the protons. Particle treatments are planned via computed tomography images, acquired prior to the treatment. The conversion from photon stopping power to proton stopping power induces an important source of range-uncertainty. Furthermore, anatomical deviations from planning situation affect the accurate dose deposition. Since there is no clinical routine measurement of the actually applied particle range, treatments are currently planned to be robust in favor of optimal regarding the dose delivery. Robust planning incorporates the application of safety margins around the tumor volume as well as the usage of (potentially) unfavorable field directions. These pretreatment safety procedures aim to secure dose conformality in the tumor volume, however at the price of additional dose to the surrounding tissue. As a result, the unverified particle range constraints the principle benefit of proton therapy. An on-line, in-vivo range-verification would therefore bring the potential of particle therapy much closer to the daily clinical routine. Materials and methods This work contributes to the field of in-vivo treatment verification by the methodical investigation of range assessment via the detection of prompt gamma-rays, a side product emitted due to proton-tissue interaction. In the first part, the concept of measuring the spatial prompt gamma-ray emission profile with a Compton camera is investigated with a prototype system consisting of a CdZnTe cross strip detector as scatter plane and three side-by-side arranged, segmented BGO block detectors as absorber planes. In the second part, the novel method of prompt gamma-ray timing (PGT) is introduced. This technique has been developed in the scope of this work and a patent has been applied for. The necessary physical considerations for PGT are outlined and the feasibility of the method is supported with first proof-of-principle experiments. Results Compton camera: Utilizing a 22-Na source, the feasibility of reconstructing the emission scene of a point source at 1.275 MeV was verified. Suitable filters on the scatter-absorber coincident timing and the respective sum energy were defined and applied to the data. The source position and corresponding source displacements could be verified in the reconstructed Compton images. In a next step, a Compton imaging test at 4.44 MeV photon energy was performed. A suitable test setup was identified at the Tandetron accelerator at the Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf, Germany. This measurement setup provided a monoenergetic, point-like source of 4.44 MeV gamma-rays, that was nearly free of background. Here, the absolute gamma-ray yield was determined. The Compton imaging prototype was tested at the Tandetron regarding (i) the energy resolution, timing resolution, and spatial resolution of the individual detectors, (ii) the imaging capabilities of the prototype at 4.44 MeV gamma-ray energy and (iii) the Compton imaging efficiency. In a Compton imaging test, the source position and the corresponding source displacements were verified in the reconstructed Compton images. Furthermore, via the quantitative gamma-ray emission yield, the Compton imaging efficiency at 4.44 MeV photon energy was determined experimentally. PGT: The concept of PGT was developed and introduced to the scientific community in the scope of this thesis. A theoretical model for PGT was developed and outlined. Based on the theoretical considerations, a Monte Carlo (MC) algorithm, capable of simulating PGT distributions was implemented. At the KVI-CART proton beam line in Groningen, The Netherlands, time-resolved prompt gamma-ray spectra were recorded with a small scale, scintillator based detection system. The recorded data were analyzed in the scope of PGT and compared to the measured data, yielding in an excellent agreement and thus verifying the developed theoretical basis. For a hypothetical PGT imaging setup at a therapeutic proton beam it was shown, that the statistical error on the range determination could be reduced to 5 mm at a 90 % confidence level for a single spot of 5x10E8 protons. Conclusion Compton imaging and PGT were investigated as candidates for treatment verification, based on the detection of prompt gamma-rays. The feasibility of Compton imaging at photon energies of several MeV was proven, which supports the approach of imaging high energetic prompt $gamma$-rays. However, the applicability of a Compton camera under therapeutic conditions was found to be questionable, due to (i) the low device detection efficiency and the corresponding limited number of valid events, that can be recorded within a single treatment and utilized for image reconstruction, and (ii) the complexity of the detector setup and attached readout electronics, which make the development of a clinical prototype expensive and time consuming. PGT is based on a simple time-spectroscopic measurement approach. The collimation-less detection principle implies a high detection efficiency compared to the Compton camera. The promising results on the applicability under treatment conditions and the simplicity of the detector setup qualify PGT as method well suited for a fast translation towards a clinical trial. / Hintergrund Strahlentherapie ist eine wichtige Modalität der therapeutischen Behandlung von Krebs. Das Ziel dieser Behandlungsform ist die Applikation einer bestimmten Strahlendosis im Tumorvolumen, wobei umliegendes, gesundes Gewebe nach Möglichkeit geschont werden soll. Bei der Bestrahlung mit einem hochenergetischen Protonenstrahl erlaubt die wohldefinierte Reichweite der Teilchen im Gewebe, in Kombination mit dem steilen, distalen Dosisgradienten, eine hohe Tumor-Konformalität der deponierten Dosis. Verglichen mit der klassisch eingesetzten Behandlung mit Photonen ergibt sich für eine optimiert geplante Behandlung mit Protonen ein deutlich reduziertes Dosisnivau im den Tumor umgebenden Gewebe. Motivation Die tatsächlich applizierte Reichweite der Protonen im Körper, und somit auch die lokal deponierte Dosis, ist stark abhängig vom Bremsvermögen der Materie im Strahlengang der Protonen. Bestrahlungspläne werden mit Hilfe eines Computertomographen (CT) erstellt, wobei die CT Bilder vor der eigentlichen Behandlung aufgenommen werden. Ein CT misst allerdings lediglich den linearen Schwächungskoeffizienten für Photonen in der Einheit Hounsfield Units (HU). Die Ungenauigkeit in der Umrechnung von HU in Protonen-Bremsvermögen ist, unter anderem, eine wesentliche Ursache für die Unsicherheit über die tatsächliche Reichweite der Protonen im Körper des Patienten. Derzeit existiert keine routinemäßige Methode, um die applizierte Dosis oder auch die Protonenreichweite in-vivo und in Echtzeit zu bestimmen. Um das geplante Dosisniveau im Tumorvolumen trotz möglicher Reichweiteunterschiede zu gewährleisten, werden die Bestrahlungspläne für Protonen auf Robustheit optimiert, was zum Einen das geplante Dosisniveau im Tumorvolumen trotz auftretender Reichweiteveränderungen sicherstellen soll, zum Anderen aber auf Kosten der möglichen Dosiseinsparung im gesunden Gewebe geht. Zusammengefasst kann der Hauptvorteil einer Therapie mit Protonen wegen der Unsicherheit über die tatsächlich applizierte Reichweite nicht wirklich realisiert. Eine Methode zur Bestimmung der Reichweite in-vivo und in Echtzeit wäre daher von großem Nutzen, um das theoretische Potential der Protonentherapie auch in der praktisch ausschöpfen zu können. Material und Methoden In dieser Arbeit werden zwei Konzepte zur Messung prompter Gamma-Strahlung behandelt, welche potentiell zur Bestimmung der Reichweite der Protonen im Körper eingesetzt werden können. Prompte Gamma-Strahlung entsteht durch Proton-Atomkern-Kollision auf einer Zeitskala unterhalb von Picosekunden entlang des Strahlweges der Protonen im Gewebe. Aufgrund der prompten Emission ist diese Form der Sekundärstrahlung ein aussichtsreicher Kandidat für eine Bestrahlungs-Verifikation in Echtzeit. Zum Einen wird die Anwendbarkeit von Compton-Kameras anhand eines Prototyps untersucht. Dabei zielt die Messung auf die Rekonstruktion des örtlichen Emissionsprofils der prompten Gammas ab. Zum Zweiten wird eine, im Rahmen dieser Arbeit neu entwickelte Messmethode, das Prompt Gamma-Ray Timing (PGT), vorgestellt und international zum Patent angemeldet. Im Gegensatz zu bereits bekannten Ansätzen, verwendet PGT die endliche Flugzeit der Protonen durch das Gewebe und bestimmt zeitliche Emissionsprofile der prompten Gammas. Ergebnisse Compton Kamera: Die örtliche Emissionsverteilung einer punktförmigen 22-Na Quelle wurde wurde bei einer Photonenenergie von 1.275 MeV nachgewiesen. Dabei konnten sowohl die absolute Quellposition als auch laterale Verschiebungen der Quelle rekonstruiert werden. Da prompte Gamma-Strahlung Emissionsenergien von einigen MeV aufweist, wurde als nächster Schritt ein Bildrekonstruktionstest bei 4.44 MeV durchgeführt. Ein geeignetes Testsetup wurde am Tandetron Beschleuniger am Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf, Deutschland, identifiziert, wo eine monoenergetische, punktförmige Emissionverteilung von 4.44 MeV Photonen erzeugt werden konnte. Für die Detektoren des Prototyps wurden zum Einen die örtliche und zeitliche Auflösung sowie die Energieauflösungen untersucht. Zum Anderen wurde die Emissionsverteilung der erzeugten 4.44 MeV Quelle rekonstruiert und die zugehörige Effizienz des Prototyps experimentell bestimmt. PGT: Für das neu vorgeschlagene Messverfahren PGT wurden im Rahmen dieser Arbeit die theoretischen Grundlagen ausgearbeitet und dargestellt. Darauf basierend, wurde ein Monte Carlo (MC) Code entwickelt, welcher die Modellierung von PGT Spektren ermöglicht. Am Protonenstrahl des Kernfysisch Verschneller Institut (KVI), Groningen, Niederlande, wurden zeitaufgelöste Spektren prompter Gammastrahlung aufgenommen und analysiert. Durch einen Vergleich von experimentellen und modellierten Daten konnte die Gültigkeit der vorgelegten theoretischen Überlegungen quantitativ bestätigt werden. Anhand eines hypothetischen Bestrahlungsszenarios wurde gezeigt, dass der statistische Fehler in der Bestimmung der Reichweite mit einer Genauigkeit von 5 mm bei einem Konfidenzniveau von 90 % für einen einzelnen starken Spot 5x10E8 Protonen mit PGT erreichbar ist. Schlussfolgerungen Für den Compton Kamera Prototyp wurde gezeigt, dass eine Bildgebung für Gamma-Energien einiger MeV, wie sie bei prompter Gammastrahlung auftreten, möglich ist. Allerdings erlaubt die prinzipielle Abbildbarkeit noch keine Nutzbarkeit unter therapeutischen Strahlbedingungen nicht. Der wesentliche und in dieser Arbeit nachgewiesene Hinderungsgrund liegt in der niedrigen (gemessenen) Nachweiseffizienz, welche die Anzahl der validen Daten, die für die Bildrekonstruktion genutzt werden können, drastisch einschränkt. PGT basiert, im Gegensatz zur Compton Kamera, auf einem einfachen zeit-spektroskopischen Messaufbau. Die kollimatorfreie Messmethode erlaubt eine gute Nachweiseffizienz und kann somit den statistischen Fehler bei der Reichweitenbestimmung auf ein klinisch relevantes Niveau reduzieren. Die guten Ergebnissen und die ausgeführten Abschätzungen für therapeutische Bedingungen lassen erwarten, dass PGT als Grundlage für eine Bestrahlungsverifiktation in-vivo und in Echtzeit zügig klinisch umgesetzt werden kann.

In dem Bericht werden Methoden und Ergebnisse experimenteller Untersuchungen an verfügbaren Ortsdosisleistungsmessgeräten in Feldern gepulster, ionisierender Strahlung beschrieben. Es zeigte sich, dass die meisten Messgeräte nur erheblich eingeschränkt für die Messung dieser Art Strahlung geeignet sind. Ionisationskammern, soweit einsetzbar, stellen das geeignetste der untersuchten Messprinzipien dar. Felder gepulster Strahlung treten bei einer Vielzahl industrieller, medizinischer und wissenschaftlicher Anwendungen auf. Die Veröffentlichung richtet sich an die in diesen Bereichen tätigen Strahlenschützer.