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. / 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.

Hintergrund: Ein sehr häufig in der nuklearmedizinischen Diagnostik genutztes Radionuklid ist 99mTc. Es emittiert Gammastrahlung mit einer relativ niedrigen Energie (140 keV) und hat eine kurze Halbwertszeit von 6 h. Zusätzlich zur Gammastrahlung entstehen bei jedem Zerfall von 99mTc Auger-Elektronen. Diese niederenergetischen Elektronen, sehr kurzer Reichweite verfügen über einen hohen LET und erzeugen somit eine ausreichende Energiedeposition, um direkte DSB zu erzeugen. Bei Untersuchungen zu Chemotoxizität und Radiotoxizität mit Zellexperimenten gilt es eine Vielzahl an verschiedenen Schutzmechanismen, Reparaturmechanismen und Signalkaskaden in Zellen zu beachten, welche häufig noch nicht vollständig erforscht sind. Um das schädigende Potential von unterschiedlichen Substanzen und Strahlenqualitäten auf die DNA zu untersuchen, wurde ein zellfreies System gewählt. Ziel dieser Arbeit war es, neben den Strahlenqualitäten der Alpha-, Beta, Gamma- und Röntgenstrahlung die Auger-Elektronen des 99mTc auf ihr Potential zur Induktion von DNA-Strangbrüchen zu untersuchen. Hierfür stand die Substanz 99mTc-HYNIC-DAPI zur Verfügung, welche 99mTc an das Plasmid binden und somit in direkte DNA-Nähe bringen kann. Material und Methode: Alle Versuche wurden mit dem Plasmid pUC 19, einem künstlich hergestellten, bakteriellen Plasmid mit 2686 Basenpaaren, welches als nackte DNA ohne Proteine vorliegt, durchgeführt. Der Vergleich zwischen bestrahltem Plasmid in Ab- und Anwesenheit des Radikalfängers DMSO gibt Hinweise darauf, ob Strangbrüche direkt induziert oder nach Radikalbildung indirekt erzeugt werden. Bei radikalvermittelter Wirkung verhindert DMSO DNA-Strangbrüche und die ungeschädigte Supercoiled-Plasmid-Konformation bleibt erhalten. Nach Bestrahlung des Plasmids erfolgte der Nachweis von Strangbrüchen mittels Agarose-Gelelektrophorese. Bekommt ein Plasmid Einzel- oder Doppelstrangbrüche, so verändert sich seine Konformation zu einem ringförmigen/open circle (ESB) oder einem linearen Plasmid (DSB). Durch veränderte Laufeigenschaften im Agarosegel sind die verschiedenen Konformationen voneinander trennbar. Nach Anfärben der DNA mit dem Fluoreszenzfarbstoff Ethidiumbromid konnte das fluoreszierende Plasmid fotografiert und die Intensität der Konformationsbanden quantifiziert werden. Ergebnisse: Zuerst wurde die Reproduzierbarkeit der Methodik überprüft und festgestellt, dass eine Korrelation zwischen Plasmidmasse und Fluoreszenzintensität besteht. Anschließend wurde in Vorversuchen gezeigt, dass die Inkubationstemperaturen, pH-Werte und der Radikalfänger DMSO keinen Einfluss auf die Plasmidintegrität haben. Bei Bestrahlung mit Röntgenstrahlung, dem Beta-Strahler 188Re und dem nicht DNA-gebundenen Gamma-Strahler und Auger-Emitter 99mTc konnte mit steigender Dosis eine Zunahme an ESB festgestellt werden. Vergleichsproben mit DMSO zeigten keinen Anstieg von ESB, was auf eine radikalvermittelte 67 DNA-Schädigung mittels Reaktiver Sauerstoffspezies (ROS) hinweist. Ab einer Energiedosis von ca. 80 Gy konnten nach Bestrahlung mit 188Re und 99mTc zusätzlich zu den ESB auch DSB nachgewiesen werden. DMSO konnte in den Vergleichsproben sowohl die ESB als auch die DSB erfolgreich verhindern. Bei einer sehr hohen Dosis ≥ 600 Gy zeigte DMSO Kapazitätsgrenzen und es konnten nicht mehr alle Strangbrüche verhindert werden. Die Bestrahlung mit dem Alpha-Strahler (hoher LET) 223Ra fügte, im Vergleich zu Strahlung mit niedrigem LET, dem Plasmid überproportional viele DSB zu. Einige dieser DSB konnten nicht durch DMSO verhindert werden, was auf einen direkten DNA-Schaden bzw. eine zu hohe Radikaldichte hinweist. Ein noch stärkerer direkter Effekt konnte beobachtet werden, wenn 99mTc über die Substanz 99mTc-HYNIC-DAPI an DNA gebunden wurde. Dabei konnten schon ab einer Energiedosis von 4 Gy DSB erzeugt werden, welche trotz Radikalfänger nicht verhindert werden konnten. Schlussfolgerung: Dieser bei 99mTc-HYNIC-DAPI beobachtete Effekt wird den Auger-Elektronen zugeschrieben. Aufgrund ihrer kurzen Reichweite und ihres hohen LET sind sie in der Lage direkte DSB zu erzeugen, wenn sie DNA-gebunden sind oder sich in geringem Abstand zur DNA befinden. Die Ergebnisse der Experimente weisen auf ein therapeutisches Potential von 99mTc hin. Weitere Untersuchungen müssen zeigen, ob eine Adressierung von 99mTc an die DNA im Zellkern einer intakten Zelle zu verwirklichen ist und ob DNA-gebundenes 99mTc durch die Energie der Auger-Elektronen den Zelltod herbeiführen kann. Im nächsten Schritt sollte die Erforschung von Trägersubstanzen erfolgen, welche es ermöglichen Auger-Emitter spezifisch an die DNA von Tumorzellen zu koppeln. / Introduction and aim of the study: A radionuclide commonly used in diagnostic nuclear medicine is 99mTc. It emits gamma rays with a relatively low energy (140 keV) and has a short half-time (6h). In addition to gamma rays, 99mTc radiates so called Auger-electrons with low energy, low range and high linear energy transfer. Due to the high-LET Auger-electrons have a sufficient energy deposition to induce direct double-strand breaks to the DNA. In these experiments we used plasmid DNA to evaluate damage induced to biological systems by different chemotoxical substances and radionuclides as well as external radiation. By using plasmids instead of cell cultures we avoid lots of unexplored signal pathways in cells and it is possible to quantify chemotoxical and radiation damage to the DNA. Materials and methods: The double-stranded plasmid pUC 19 with 2686 bp is used in all experiments. It is a synthetically produced bacterial plasmid without any proteins. To distinguish between directly and indirectly (radical induced) induced damage we used the radical scavenger DMSO. Indirectly induced damage via reactive oxygen species (ROS) can be prevented by DMSO. The quantification of supercoiled forms, single strand breaks (SSB) and double strand breaks (DSB) was measured by the method of agarose gel electrophoresis. After the electrophoresis, agarose gels are dyed in ethidium bromide and imaged with a ccd-camera using ultraviolet transillumination. The bands of the different plasmid forms were quantified through the FIJI computer program. Results: First of all a correlation between plasmid mass and fluorescence intensity was shown. In a pretrial no damaging effect to the plasmid from incubation temperature, pH-value and radical scavenger DMSO appeared. Afterwards we examined chemotoxical SnCl2, external x-rays, the alpha emitter 223Ra, the beta emitter 188Re, gamma- and Auger-emitter 99mTc and the DNA-bound 99mTc-HYNIC-DAPI. The radical scavenger DMSO was used to differentiate between indirect (radical induced) and direct DNA-damage. All different radiation qualities showed an increasing DNA-damage with increasing energy dose. For the low-LET radiation qualities like chemotoxical SnCl2, external x-rays, the beta emitter 188Re and not DNA-bound 99mTc, DMSO showed the quality to prevent the damage. After the deposition of an energy dose ≥ 600 Gy DMSO showed a limitation in his scavenger capacity. During radiation with high-LET beams like 223Ra or DNA-bound 99mTc-HYNIC-DAPI DMSO showed less or nearly no ability to prevent DNA-damage. A 4 Gy dose of 99mTc-HYNIC-DAPI was able to induce DSB into the plasmid. These DSB could not be prevented by DMSO. The lower ESB:DSB ratio for high-LET beams also displays that direct damage is more likely to create DSB than indirect damage. Conclusion: In conclusion we can say that DNA-bound 99mTc-HYNIC-DAPI was most appropriate to induce DSB via a direct effect. It was impossible to prevent this damage due to adding the 69 radical scavenger DMSO. We attribute this to low range, low-LET Auger-electrons and suppose that it may be possible to use DNA-bound 99mTc for therapeutic purpose. Further research has to show if 99mTc can be targeted to the DNA of intact cells and if suitable tracers can be found to safely target and kill tumor cells.

Ionisierende Strahlung verursacht in Abhängigkeit von den strahlenphysikalischen Eigenschaften der Radionuklide Zellschäden unterschiedlicher Komplexität. An humanen Lymphozyten wurde untersucht, ob die biologische Wirksamkeit von Alpha- und Betastrahlung sowie der Einfluss von Doxorubicin der Qualität des Strahlenschadens zugewiesen werden kann. Die DNA-Schäden und deren Reparatur wurden mit zellbiologischen Methoden quantifiziert.