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Evaluation of uncertainty in linear energy transfer calibration of Al2O3:C,Mg-based fluorescent nuclear track detectors

Mescher, Henning

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Abstract

Fluorescent nuclear track detectors (FNTDs), a novel biocompatible detector type, represent possible candidates for the application in medical physics research. Besides recording the particle fluence, they allow for energy deposition quantification, i.e. linear energy transfer (LET) determination by measuring the fluorescence signal. A correlation between LET and measured fluorescence intensity was already observed but suffers, especially concerning the clinical LET range, from large variabilities. Since a precise relation between those two quantities is still desirable, the aim of this Bachelor’s thesis was to evaluate different sources of uncertainty regarding the measured fluorescence intensity. Therefore, a set of 66 detectors was irradiated with mono-energetic particle beams covering a LET range of 1-150 keV/um . This results in 22 data points with different LET values consisting of each three irradiated detectors. Intensity measurements were performed using a commercial confocal laser-scanning microscope. The read out of this set of detectors enables to investigate microscope and detector related fluctuations. Different read out days and the read out with different laser powers influence the resulting fluorescence signals only slightly. Regarding detector related fluctuations, the evaluation shows decreasing relative intra-image fluctuations related to the stochastic nature of energy deposition with rising LET. Investigations concerning different read out positions within the detectors result in relative fluctuations of approximately 4%, whereas relative inter-detector variabilities are much larger and lie in the magnitude of 16%. Finally, the measured intensities and the evaluation of the different sources of uncertainty were used to establish a LET-fluorescence relation.

Translation of abstract (German)

Biokompatible, fluoreszierende Kernspurdetektoren (FNTDs) könnten aufgrund ihrer Eigenschaften in der medizinphysikalischen Forschung eingesetzt werden. Mithilfe von Fluoreszenzmessungen erlauben diese Detektoren neben einer präzisen Bestimmung der Teilchenfluenz außerdem eine Quantifizierung des Energieverlustes, d.h. des linearen Energietransfers (LET). Eine Korrelation zwischen der gemessenen Fluoreszenz und dem Energieverlust der Teilchen wurde bereits beobachtet. Die Resultate sind allerdings, vor allem im klinischen LET-Bereich, starken Schwankungen hinsichtlich der gemessenen Intensität unterworfen und eine Kalibrierung mit verbesserter Präzision ist wünschenswert. Ziel dieser Bachelorarbeit war es deshalb, die verschiedenen Fehlerquellen hinsichtlich der gemessen Intensität zu bestimmen und zu quantifizieren. Zu diesem Zweck wurde ein Satz von 66 Detektoren mit verschiedenen LETs im Bereich von 1-150 keV/um bestrahlt. Daraus ergaben sich 22 LET-Datenpunkte, die aus jeweils drei bestrahlten Detektoren bestehen. Fluoreszenzmessungen an diesem Detektorsatz wurden mithilfe eines kommerziell erhältlichen konfokalen Mikroskops durchgeführt und ermöglichten eine Analyse der verschiedenen Einflussfaktoren. Untersuchungen bezüglich des Ausleseprozesses, d.h. Messungen an verschiedenen Tagen und Fluoreszenzbestimmungen unter der Verwendung verschiedener Laserstärken, zeigten lediglich einen geringen Einfluss. Anders verhielt es sich mit detektor-bedingten Intensitätschwankungen. Relative Schwankungen im Fluoreszensignal innerhalb eines Mirkoskopbildes werden durch die stochastische Energieabgabe der geladenen Teilchen hervorgerufen und fielen mit steigendem LET der Teilchen stark ab. Relative Schwankungen im Fluoreszenzsignal innerhalb eines Detektors lagen im Bereich von 4%, wohingegen Intensitätschwankungen zwischen verschiedenen Detektoren in der Größenordnung von 16% gemessen wurden. Die gemessenen Intensitäten und die Untersuchung der einzelnen Einflussfaktoren wurden abschließend verwendet, um einen funktionalen Zusammenhang zwischen LET und der gemessenen Fluoreszenzintensität zu bestimmen.

Item Type: Bachelor thesis
Supervisor: Bachert, Prof. Dr. rer. nat. Peter
Place of Publication: Heidelberg
Date of thesis defense: 25 July 2014
Date Deposited: 01 Sep 2014 09:44
Date: 2014
Faculties / Institutes: The Faculty of Physics and Astronomy > Institute of Physics
Service facilities > German Cancer Research Center (DKFZ)
Subjects: 530 Physics
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