Title: Shielding study against high-energy neutrons produced in a proton therapy facility by means of Monte Carlo codes and on-site measurements: simulations par les méthodes de Monte Carlo et mesures au centre de protonthérapie d'Essen
Abstract: Over the last few decades, radiotherapy using high-energy proton beams over the range from 50 MeV to 250 MeV has been increasingly used and developed. Indeed, it offers the possibility to focus the dose in a very narrow area around the tumor cells. The tumor control is improved compared to radiotherapy using photon beams and the healthy cells around the tumor are not irradiated since the range of charged particles is limited. However, due to nuclear reactions of the incident charged particles in the tissue, secondary high-energy radiations, essentially photons and neutrons, are produced and irradiate the treatment room.As a consequence, thick concrete shielding walls are placed around the treatment room to ensure that other people and workers received a dose as small as possible. The dose measurement is performed with specific dosemeters such as the WENDI-II, which gives a conservative estimation of the ambient dose equivalent up to 5 GeV. The dose in working areas may also be estimated by means of numerical calculations by using simulation codes of particle transport such as the GEANT4, MCNPX, FLUKA and PHITS Monte Carlo codes.Secondary particle yields calculated with Monte Carlo codes show discrepancies when different physical models are used but are globally in good agreement with experimental data from the literature. Neutron and photon doses decrease exponentially through concrete shielding wall but the neutron dose is definitely the main component behind a wall with sufficient thickness. Shielding parameters, e.g. attenuation coefficients, vary as functions of emission angle (regarding the incident beam direction), incident proton energy, and target material and composition.The WENDI-II response functions computed by using different hadronic models show also some discrepancies. Thermal treatment of hydrogen in the polyethylene composing the detector is also of great importance to calculate the correct response function and the detector sensitivity.Secondary particle sources in a proton therapy facility are essentially due to losses in cyclotron and beam interactions inside the energy selection system, with the treatment nozzle components and the target - patient or phantom. Numerical and experimental results of the dose in mazes show a good agreement for the most of detection points while they show large discrepancies in control rooms. Indeed, statistical consistency is reached with difficulty for both experimental and calculated results in control rooms since concrete walls are very thick in this case./La radiotherapie utilisant des faisceaux de protons d’energie entre 50 MeV et 250 MeV s’est largement developpee ces dernieres annees. Elle a l’immense avantage de pouvoir concentrer la dose due au faisceau incident de maniere tres efficace et tres precise sur la tumeur, en epargnant les eventuels organes sains et sensibles aux radiations situes aux alentours. Cependant, des rayonnements « secondaires » tres energetiques sont crees par les reactions nucleaires subies par les protons lors de leur parcours dans les tissus, et peuvent sortir du patient. Des blindages entourant la salle de traitement et suffisamment epais doivent etre presents afin que la dose recue par les personnes se trouvant aux alentours soit la plus faible possible. La mesure de la dose se fait avec des dosimetres specifiques et sensibles aux rayonnements de haute energie, tels que le WENDI-II pour les neutrons. L’estimation de cette dose, et donc la modelisation des blindages, se fait egalement avec des codes de simulation numerique de transport de particules par les methodes de Monte Carlo, tels que GEANT4, MCNPX, FLUKA et PHITS.La production de rayonnements secondaires calculee a l’aide de codes Monte Carlo montre des ecarts significatifs lorsque differents modeles d’interactions physiques sont utilises, mais est en bon accord avec des donnees experimentales de reference. L’attenuation de la dose due aux neutrons et aux photons secondaires a travers un blindage compose de beton est exponentielle. De plus, la dose due aux neutrons est clairement la composante dominante au-dela d’une certaine epaisseur. Les parametres d’attenuation, comme par exemple le coefficient d’attenuation, dependent de l’angle d’emission (par rapport a la direction du faisceau incident), de l’energie des protons incidents et de la nature et la composition de la cible.La fonction de reponse du dosimetre WENDI-II montre egalement des variations lorsque differents modeles physiques sont consideres dans les codes Monte Carlo. La prise en compte d’effets fins comme les etats de vibration et de rotation des atomes d’hydrogene au sein du polyethylene composant le detecteur se revele essentielle afin de caracteriser correctement la reponse du detecteur ainsi que sa sensibilite.L’emission secondaire dans un centre de protontherapie est essentiellement due aux pertes dans le cyclotron et aux interactions du faisceau avec les systemes de selection de l’energie, les composants de la tete de tir et le patient (ou le fantome). L’evaluation numerique de la dose dans les labyrinthes des differentes salles du centre montre un bon accord avec les donnees experimentales. Tandis que pour les points de mesure dans leur salle de controle respective, de larges differences peuvent apparaitre. Ceci est en partie du a la difficulte d’obtenir des resultats statistiquement recevables du point de vue experimental, mais aussi numerique, au vu de l’epaisseur des blindages entourant les salles de controle.
Publication Year: 2014
Publication Date: 2014-06-12
Type: article
Access and Citation
Cited By Count: 2
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