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Determination of absorbed dose to water in a clinical carbon ion beam by means of fluorescent nuclear track detectors, ionization chambers, and water calorimetry

Osinga-Blättermann, Julia-Maria

German Title: Bestimmung der Wasser-Energiedosis im klinischen Kohlenstoffstrahl mit Hilfe fluoreszierender Kernspurdetektoren, Ionisationskammern und Wasserkalorimetrie

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Abstract

Until now, dosimetry of carbon ions with ionization chambers has not reached the same level of accuracy as of high-energy photons. This is mainly caused by the threefold higher uncertainty of the kQ,Q0 -factor of ionization chambers, which is derived by calculations due to a lack of experimental data. The current thesis comprises two major aims with respect to the dosimetry of carbon ion beams: first, the investigation of the potential of fluorescent nuclear track detectors for fluence-based dosimetry and second, the experimental determination of the kQ,Q0 -factor. The direct comparison of fluence- and ionization-based measurements has shown a significant discrepancy of 4.5 %, which re-opened the discussion on the accuracy of calculated kQ,Q0 -factors. Therefore, absorbed dose to water measurements by means of water calorimetry have been performed allowing for the direct calibration of ionization chambers and thus for the experimental determination of kQ,Q0. For the first time it could be shown that the experimental determination of kQ,Q0 for carbon ion beams is achievable with a standard measurement uncertainty of 0.8 %. This corresponds to a threefold reduction of the uncertainty compared to calculated values and therefore enables to significantly decrease the overall uncertainty related to ionization-based dosimetry of clinical carbon ion beams.

Translation of abstract (German)

Bis heute hat die Dosimetrie von Kohlenstoffionen mittels Ionisationskammern nicht die gleiche Präzision erreicht wie von hoch-energetischen Photonen. Dies beruht maßgeblich auf der dreifach größeren Messunsicherheit des kQ,Q0 -Faktors der Ionisationskammern, welcher aufrund fehlender experimenteller Daten auf Berechnungen basiert. Die vorliegende Arbeit umfasst zwei Hauptziele hinsichtlich der Dosimetrie von Kohlenstoffstrahlung: Erstens, die Untersuchung des Potentials fluoreszierender Kernspurdetektoren für fluenz-basierte Dosimetrie und zweitens, die experimentelle Bestimmung des kQ,Q0 -Faktors. Der direkte Vergleich von fluenz- und ionisations-basierter Dosimetrie hat einen signifikanten Unterschied von 4.5 % gezeigt, welcher erneut die Frage nach der Genauigkeit berechneter kQ,Q0 -Faktoren aufgeworfen hat. Daher wurden Messungen der Wasser-Energiedosis mit Hilfe der Wasserkalorimetrie durchgeführt, welche die direkte Kalibrierung von Ionisationskammern und damit die experimentelle Bestimmung von kQ,Q0 ermöglichen. Zum ersten Mal konnte gezeigt werden, dass die experimentelle Bestimmung des kQ,Q0 -Faktors für Kohlenstoffstrahlung mit einer Standardmessunsicherheit von 0,8 % erreichbar ist. Dies bedeutet eine Verringerung der Unsicherheit im Vergleich zu berechneten Werten um den Faktor drei und ermöglicht daher eine signifikante Reduktion der Gesamtunsicherheit bei der ionisations-basierten Dosimetrie klinischer Kohlenstoffstrahlung.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Schlegel, Prof. Dr. Wolfgang
Date of thesis defense: 20 December 2016
Date Deposited: 16 Jan 2017 08:20
Date: 2017
Faculties / Institutes: The Faculty of Physics and Astronomy > Dekanat der Fakultät für Physik und Astronomie
Subjects: 530 Physics
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