Monte-Carlo-Simulationen für den Aufbau eines Referenzfeldes für den Strahlenschutz an Beschleunigeranlagen

Die Anwendung von Linearbeschleunigern (Linac) in Medizin, Industrie und Forschung nimmt weltweit stetig zu. Insbesondere für gepulste Strahlungsfelder mit Energien im MeV‑Bereich wurde eine Lücke in der Strahlenschutzmetrologie identifiziert. Ohne Referenzfeld für diese Strahlenfelder ist eine rückführbare Dosimetrie zur Überprüfung der Abschirmung der Beschleunigereinrichtungen nicht möglich. Ein Referenzfeld zu diesem Zweck sollte Strahlenergien von bis zu 20 MeV und im Falle einer schwachen Abschirmung zu erwartende hohe Dosisleistungen umfassen. Es müssen ferner die Beiträge von Photonen, Elektronen und Neutronen zur Dosisleistung bewertet werden. Monte‑Carlo (MC)‑Simulationen spielen eine Schlüsselrolle für den Entwurf und die Charakterisierung eines solchen Referenzfelds.

Das Geant4 MC‑Toolkit, mit dem der Transport von Photonen, Elektronen und Neutronen verfolgt werden kann, wurde verwendet, um verschiedene Abschirmungen zu testen. Diese Abschirmungen unterscheiden sich in Materialzusammensetzung, Abmessungen und Anordnung. Die Simulation wurde mit Phasenraumdateien für die Strahlungen aus dem Elekta Precise Linac der PTB mit verschiedenen Strahlenqualitäten (6 MV, 10 MV und 25 MV) durchgeführt. Die Größe des Strahlenfeldes war 10 cm x 10 cm.

Um statistisch signifikante Energiedepositionen in dem nach der Abschirmung befindlichen Detektor zu erzielen, wurde das sogenannte Geometrical importance biasing als Varianzreduktionstechnik implementiert. Der Detektor bestand aus zwei Einheiten mit den Abmessungen 20 × 20 × 2 cm³ und 2 × 2 × 0,5 cm³, wobei die Letztere in die größere Einheit eingebettet war. Bei der Simulation wurde der Beitrag jedes Teilchens zur absorbierten Dosis und Fluenzspektren an verschiedenen Positionen hinter der Abschirmung ermittelt. Somit konnten die Simulationsergebnisse zur Bestimmung eines Umrechnungsfaktors verwendet werden, der relative MC‑Dosisratenwerte in äquivalente Umgebungsdosisraten umwandelt.

Die Umgebungs‑Äquivalentdosis wurde berechnet, indem die Photonen-, Elektronen- und Neutronenfluenzspektren mit den Dosiskonversionskoeffizienten multipliziert wurden. Bisher wurden vier geometrische Aufbauten mit unterschiedlichen Abschirmungen simuliert: (1) eine Primärwand mit einer Dicke von 2 m, (2) ein Käfig im Linac‑Raum, (3) vier und (4) acht Betonblock‑Anordnung mit hoher Dichte im Linac‑Raum (alle Konfigurationen zentriert bezüglich der Strahlachse). Für jeden Aufbau wurde die Elementzusammensetzung und Dichte der Abschirmung variiert, um die experimentellen Bedingungen zu reproduzieren. Als Beispiel zeigt die Abbildung 1 den Aufbau eines Barytbetonkäfigs mit einer Dichte von 3,14 g/cm³ als Abschirmung und die Photonenfluenzspektren vor und nach dem Käfig im Linac‑Raum. Derzeit werden neue Konfigurationen sowohl experimentell als auch mittels Monte‑Carlo‑Simulationen getestet, um die Anforderungen an ein gepulstes Referenzfeld zu erfüllen.

Abb. 1: Barytkäfig mit einer Dichte von 3,14 g/cm³ als Abschirmung im Linac‑Raum (links) und Fluenzspektren für die 25MV‑Quelle bei 30 cm vor und nach dem Käfig (rechts).

Teile dieser Arbeit wurden unterstützt vom Bundesamt für Strahlenschutz (BfS) mit Forschungskennzahl: 3619S2236 "Aufbau und Charakterisierung eines Referenzfeldes zur Sicherstellung des Strahlenschutzes an Beschleunigeranlagen in Medizin und Forschung und zur Prüfung und Kalibrierung entsprechender Messgeräte".

Referenzen

[01]    Zutz, H., and Hupe, O.: Ambient dose and dose rate measurements in the vicinity of Elekta Precise Accelerators for radiation therapy, Radiat. Prot. Dosim. 162, 431–437 (2014).

[02]    Ambrosi, P., Borowski, M. and Iwatschenko, M.: Considerations concerning the use of counting active personal dosemeters in pulsed radiation fields of ionising radiation, Radiat. Prot. Dosim. 139, 483–493 (2010).

[03]    Ankerhold, U., Hupe, O. and Ambrosi, P.: Deficiencies of active electronic radiation protection dosemeters in pulsed fields, Radiat. Prot. Dosim. 135, 149–153 (2009).

Ansprechpartner

L. de la Fuente Rosales