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.

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

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.