In dieser Arbeit soll der Messeffekt einer BeO-Sonde korrigiert werden. Dieser wird durch Radiolumineszenz im Sondenmaterial ausgelöst. Abhängig vom Stoßbremsvermögen der auftretenden Teilchen treten dabei Sättigungseffekte der Sonde auf, welche zu einer Dosisunterschätzung führen. Das Lumineszenzspektrum der Sonde zeigt Maxima bei zwei verschiedenen Wellenlängen. Diese werden bei variabler Geschwindigkeit der auftretenden Teilchenstrahlung untersucht. Durch Kombination des Messaufbaus mit einem geeigneten Strahlteiler kann das Spektrum am Wendepunkt in zwei Anteile zerlegt und das Verhältnis der Zählraten untersucht werden. Es zeigt sich, dass sich dieses Verhältnis mit der Geschwindigkeit der auftretenden Teilchen ändert. Da es auch mit deren Bremsvermögen korreliert, wird es genutzt um eine Korrekturfunktion für den Messeffekt der BeO-Sonde aufzustellen.

Mit dieser Arbeit soll eine Methode etabliert werden, bei der in kurzgepulsten Strahlungsfeldern mit Pulsdauern von weniger als 27 𝜇s, eine Messung der Dosis über eine Messsonde erfolgt. Bisher wurde in der Arbeitsgruppe Strahlungsphysik des Institut für Kern- und Teilchenphysik der Technischen Universität Dresden die Berylliumoxid-Sondenmessungen mittels Einzelphotonenz ählung ausgewertet. Bei der Verwendung von Berylliumoxid als Szintillator entsteht einige Nanosekunden nach dem Eintreten der Strahlung an der Sonde ein Fasersignal. Zeitlich versetzt entsteht einige Mikrosekunden nach dem Fasersignal das Radiolumineszenz-Messsignal des Berylliumoxids. Um alle Signale sicher aufnehmen zu können wird für einen Puls über 100 𝜇s das Signal verarbeitet. Um eine Unsicherheit des Messsignals von weniger als ein Prozent pro Puls für das Signal zu erreichen, ist es notwendig 104 Ereignisse durch den jeweiligen Puls zu erhalten. Die 104 Ereignisse pro 100 Mikrosekunden entsprechen 108 Ereignisse pro Sekunde. Da die Messung über Einzelphotonendetektion nur bis 106 Ereignisse pro Sekunde möglich ist, wird in dieser Arbeit eine Integration per analogem Photo-Sekundärelektronenvervielfacher durchgeführt. Die erhaltenen Berylliumoxid-Sonden-Radiolumineszenz-Signale sollen mit einem Auswertungsprogramm so bearbeitet werden, dass ein Messwert resultiert, welcher proportional zur Energiedosis im Material ist. Zur Untersuchung, ob dieser Sachverhalt gegeben ist, werden mit einer Berylliumoxid-Sonde zwei Messreihen aufgenommen, deren Ziel es ist, die Dosisleistung pro Puls zu variieren. Bei der ersten Messreihe wird die Strahlungsquelle im konstanten Abstand zu einem Wasserphantom aufgebaut und die Tiefe des Messpunktes innerhalb des Wasserphantoms variiert. Bei der zweiten Messung wird eine Änderung des Abstandes der Röntgenblitzpistole zum Messpunkt, bei konstanter Tiefe des Messpunktes im Wasserphantom, durch Variierung des Abstandes zwischen Wasserphantom und Röntgenblitzpistole erzeugt. Für die Erzeugung eines Dosis-Referenzwertes am jeweiligen Messort wird an jedem Messpunkt neben der Messung mit der Sonde auch eine Messung mit einem passivem Berylliumoxid-Detektor durchgeführt. Als Strahlungsquelle wird eine Röntgenblitzpistole des Institut für Kern- und Teilchenphysik der Technischen Universität Dresden verwendet. Die Messmethode in Kombination mit einem Auswertungsprogramm führt zu einem Dosisproportionalen Messsignal. Die relative Unsicherheit des Messsignals im gemessenen Bereich beträgt sieben Prozent. Somit kann aufgrund dieser Arbeit bestätigt werden, dass eine Messung der Energiedosis mit einer Messsonde per analogem Photo-Sekundärelektronenvervielfacher für kurz gepulste Strahlungsfelder möglich ist. Eine Messungenauigkeit von unter ein Prozent wird mit dieser Arbeit dennoch nicht erreicht.

In der perkutanen Strahlentherapie wird seit einiger Zeit am sogenannten FLASH-Effekt geforscht, bei welchem sich durch die Dosisapplikation in sehr kurzer Zeit bei ultrahohen Dosisleistungen verschiedene positive Effekte zeigten. In der Qualitätssicherung sind dafür präzise Dosismessgeräte nötig. Bisher verwendete Ionisationskammern zeigen jedoch bei ultrahohen Dosisleistungen Sättigungseffekte. Als Alternative wird eine faseroptische Sonde aus Berylliumoxid untersucht. Im Berylliumoxid werden durch ionisierende Strahlung über Radiolumineszenz Photonen emittiert. Die Anzahl der Photonen ist dabei proportional zur applizierten Dosis. In Protonenfeldern zeigte sich bei vorigen Messungen mit zunehmendem Massenbremsvermögen eine Dosisunterschätzung. Dieser Effekt ist bekannt und konnte bei konventionellen Bestrahlungsmethoden erfolgreich korrigiert werden. In dieser Arbeit wurden Experimente in Protonenfeldern erhöhter Dosisleistung durchgeführt, um die Verwendung von Berylliumoxid-Sonden bei FLASH-Bestrahlung zu untersuchen. Es stellte sich heraus, dass zusätzlich zum Massenbremsvermögen die Anzahl emittierter Photonen auch durch die Dosisleistung beeinflusst wird. Das erfordert eine zusammenhängende Korrekturfunktion. Außerdem zeigte sich ein weiterer Einflussfaktor, für welchen bisher keine Korrekturfunktion gefunden werden konnte. Bei Experimenten mit Kohlenstoff-Ionen fand sich ein unerwarteter Zusammenhang zwischen der Anzahl emittierter Photonen und der applizierten Dosis, sodass bisher eine Dosisbestimmung für Kohlenstoff-Ionen nicht möglich ist.

Kompakte faseroptische Sonden bieten viel Potential bei der dosimetrischen Qualitätssicherung, speziell in der Protonentherapie. Neben der im Vergleich zu Ionisationskammern hohen Ortsauflösung erlaubt die Unempfindlichkeit gegenüber elektromagnetischen Wechselfeldern die Anwendung parallel zur Echtzeit-Bildgebung mittels Magnetresonanztomographie. Die untersuchte Sonde besteht aus einem kleinen Volumen des Luminophors Berylliumoxid, das über eine Glasfaser an Einzelphotonensensoren gekoppelt ist. Zur Korrektur der Dosisunterschätzung der BeO-Sonde, die bei hohem linearen Energietransfer auftritt, wird das restreichweitenabhängige Verhältnis zweier spektraler Anteile des Lumineszenzlichts betrachtet. Darüber hinaus erlaubt die hohe Zeitauflösung des Messsignals bei Abgleich der Photonenzählrate mit dem Bestrahlungsplan die Rekonstruktion des Strahlprofils. Dies ermöglichte neben der energie- und tiefenabhängigen Quantifizierung der Strahlbreite auch eine Analyse des erwähnten spektralen Verhältnisses innerhalb des Strahlprofils. Dazu wurden Messungen in einem Wasserphantom bei verschiedenen Tiefen und Protonenenergien durchgeführt. Als Referenz wurden Tiefendosiskurven mit einer Ionisationskammer aufgenommen, die auch mit einer einfachen Berechnung der dreidimensionalen Dosisverteilung auf Grundlage des Bestrahlungsplans verglichen wurden.

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.