Das Thema dieser Bachelorarbeit ist die Weiterentwicklung und Prüfung zweier vom Institut für Kern‐ und Teilchenphysik der Technischen Universität Dresden entwickelter Prototypen eines Ortsdosisleistungsmessgeräts. In dieser Arbeit wurden Daten einer vorangeganen Kalibriermessung ausgewertet, das Verhalten von Messunsicherheiten im Umgang mit kontinuierlichen radioakiven Quellen untersucht und die Geräte unter realen Bedingungen einer medizinischen Bestrahlungsanlage erprobt. Die Analyse der Messdaten konnte zur Identifizierung verschiedener Probleme genutzt werden. Diese wurden, soweit möglich, in der Auswertungssoftware behoben bzw. durch weitere Experimente genauer untersucht.:1 Einleitung 6 2 Theoretischer Hintergrund 8 2.1 Radioaktivität 8 2.1.1 Zerfallsarten 8 2.1.2 Zerfallsgesetz und Poissonverteilung 9 2.1.3 Quellen natürlicher radioaktiver Strahlung 10 2.2 Wechselwirkung ionisierender Strahlung mit Materie 11 2.2.1 Kohärente Streuung in der Atomhülle (Rayleigh- und Thomsonstreuung) 12 2.2.2 Inkohärente Streuung in der Atomhülle 12 2.2.3 Vollständige Absorption in der Hülle (Photoeffekt) 12 2.2.4 Vollständige Absorption im Feld des Kernes oder eines Hüllenelektrons (Paarbildung) 13 2.2.5 Vollständige Absorption im Mesonenfeld (Kernphotoeffekt) 13 2.3 Strahlungsdetektion 14 2.3.1 Detektionseffekte, Energiespektrum und Wechselwirkungsquerschnitt 14 2.3.2 Überblick über die grundlegenden Detektorarten 18 2.3.3 Szintillationsdetektoren 19 2.4 Dosimetrie und Strahlenschutz 24 2.4.1 Energiedosis 24 2.4.2 Dosisgrößen im Strahlenschutz 24 2.4.3 Schutzgrößen 25 2.5 Linearbeschleunigeranlage in der Strahlentherapie 26 3 Material und Methoden 29 3.1 Messsystem 29 3.1.1 Problemstellung an das Messsystem 29 3.1.2 Signalerfassung 29 3.1.3 Datenverarbeitung 31 3.1.4 Datenanalyse 32 3.1.5 Technische Spezifikationen 33 3.2 Energiekalibrierung des Messsystems 33 3.3 Referenzmessung an der PTB 34 3.4 Bestimmung der Messunsicherheiten des Messsystems 36 3.4.1 Untersuchung der Messunsicherheiten in Abhängigkeit von der Zeit 36 3.4.2 Kurzzeitmessungen verschiedener Proben und Versuchsbedingungen 37 3.5 Erprobung des Messsystems an einer medizinischen Bestrahlungsanlage 38 4 Auswertung 40 4.1 Referenzmessung an der PTB 40 4.2 Bestimmung der Messunsicherheiten des Messsystems 43 4.2.1 Untersuchung der Messunsicherheiten in Abhängigkeit von der Zeit 43 4.2.2 Kurzzeitmessungen verschiedener Proben und Versuchsbedingungen 44 4.3 Erprobung des Messsystems an einer medizinischen Bestrahlungsanlage 46 4.4 Analyse zu Prototyp I 49 5 Diskussion und Ausblick 50 5.1 Referenzmessung an der PTB 50 5.2 Bestimmung der Messunsicherheiten des Messsystems 50 5.3 NCT und Analyse zu Prototyp I 51 5.4 Ausblick 52 6 Literatur 53

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.

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.