Study of the ionizing radiation field around accelerators

Abstract

Η διδακτορική διατριβή αφορά τον πειραματικό προσδιορισμό του φάσματος των νετρονίων σε χώρους ιατρικών επιταχυντών. Για πρώτη φορά εφαρμόστηκε η μέθοδος της νετρονιακής ενεργοποίησης μετάλλων σε μικτά πεδία (φωτόνια-νετρόνια) χαμηλής ροής νετρονίων. Λόγω των ιδιαιτεροτήτων που εμφανίζει το πεδίο των ιατρικών επιταχυντών κρίθηκε αναγκαίος ο ακριβής καθορισμός της απόδοσης ενός ανιχνευτή γερμανίου (HPGe) που χρησιμοποιείται στην γάμμα φασματοσκοπία καθώς και o υπολογισμός διόρθωσεων λόγω των φαινομένων της αυτοαπορρόφησης των φωτονίων, της τυχαίας σύμπτωσης και της αυτοθωράκισης των νετρονίων. Ένας από τους βασικούς στόχους της διατριβής είναι ο υπολογισμός του φάσματος νετρονίων Elekta SL πoυ είναι εγκατεστημένος στο πανεπιστημιακό νοσοκομείο Λάρισας. Χρησιμοποιώντας Μοnte Carlo προσoμοιώσεις εκτιμήθηκε η ευαισθησία των ροών φωτονίων, νετρονίων και δευτερογενών ηλεκτρονίων σε διαφορετικά χαρακτηριστικά δύο ιατρικών επιταχυντών, Εlekta SL kαι Varian Clinac. Η εισαγωγή της διατριβής περιγράφει την λειτουργία των ιατρικών επιταχυντών, την παραγωγή των νετρονίων μέσω αλληλεπίδρασης των φωτονίων της θεραπευτικής δέσμης με τα υλικά του επιταχυντή καθώς και την επίδραση των νετρονίων στους ιστούς. Επιπλέον, περιγράφεται εν συντομία η τεχνική της ενεργοποίησης μετάλλων, που περιλαμβάνει την ακτινοβόληση των μετάλλων, τη μέτρηση τους σε σύστημα γαμμα φασματοσκοπίας καθώς και τον υπολογισμό του φάσματος με χρήση τεχνικής αποσυνέλιξης (unfolding). Γίνεται επίσης αναφορά στη βιβλιογραφία, η οποία αφορά προσομοιώσεις θεραπευτικών δεσμών ακτινοθεραπείας με έμφαση στα ανοιχτά ζητήματα μεταξύ των ερευνητικών ομάδων. Το δεύτερο κεφάλαιο αφορά τον υπολογισμό της απόδοσης του HPGe ανιχνευτή. Οι διαφορετικές γεωμετρίες καθώς και το πάχος των υλικών οδήγησε στον υπολογισμό της απόδοσης ενός ανιχευτή HPGe με χρήση του Geant4. Αρχικά προσδιορίστηκε πειραματικά η απόδοση του ανιχνευτή, χρησιμοποιώντας τρείς πηγές. Στη συνέχεια κατασκευάστηκε η γεωμετρία του ανιχνευτή, η οποία βασίστηκε στα χαρακτηριστικά, τα οποία παρέχονται από τον κατασκευαστή. Η σύγκριση πειραματικής-υπολογισμένης απόδοσης, οδήγησε σε διαφοροποιήσεις της τάξης του 10%, κυρίως για τις χαμηλές ενέργειες φωτονίων (<100 keV). Στη συνέχεια ένα νέο σετ μετρήσεων πραγματοποιήθηκε με σκοπό τον πιο ακριβή προσδιορισμό των εσωτερικών τμημάτων του ανιχνευτή. Αξιοποιώντας τις νέες μετρήσεις μοντελοποιήθηκαν νέες γεωμετρίες και χρησιμοποιώντας την τεχνική try & error καταλήξαμε σε νέα βελτιωμένα χαρακτηριστικά γεωμετρίας. H νέα γεωμετρία διασφάλισε πολύ χαμηλές διαφοροποιήσεις πειραματικών-υπολογισμένων τιμών απόδοσης (<2%).Το τρίτο κεφάλαιο περιγράφει την τεχνική της νετρονιακής ενεργοποίησης μετάλλων σχετικά μεγάλης μάζας δίνοντας ιδιαίτερη έμφαση στον προσδιορισμό διορθωτικών παραγόντων. Η αυτοαπορρόφηση των φωτονίων υπολογίστηκε με χρήση MC υπολογισμών. Για το φαινόμενο της τυχαίας σύμπτωσης, εκτός από τις αποδόσεις των φωτοκορυφών χρησιμοποιήθηκε και το σχήμα διάσπασης του κάθε ισότοπου, ώστε να υπολογιστεί η πιθανότητα ταυτόχρονης εκπομπής των γάμμα. Για τον συντελεστή αυτοθωράκισης αναπτύχθηκε μια εναλλακτική μεθοδολογία, η οποία στηρίχθηκε στη χρήση προσομοιώσεων Monte Carlo Geant4 για τον υπολογισμό της ροής σε λεπτούς στόχους και αναλυτικής μεθόδου για την εκτίμηση της διάδοσης των νετρονίων στους παχύς στόχους. Συγκεκριμένα υπολογίστηκαν για κάθε στόχο και σε διαφορετικές ενέργειες οι πιθανότητες διάδοσης και σκέδασης των νετρονίων. Η αναλυτική μέθοδος υπολογίζει τον τρόπο διάδοσης των νετρονίων από φύλλο σε φύλλο, λαμβάνοντας υπόψη και νετρόνια που σκεδάζονται ή διαδίδονται από άλλες γειτονικές ενέργειες. Στο τέταρτο κεφάλαιο περιγράφεται η ακτινοβόληση και ο υπολογισμός του φάσματος των νετρονίων σε ιατρικό επιταχυντή. Το πείραμα διενεργήθηκε στο Πανεπιστημιακό Νοσοκομείο Λάρισας. Αρχικά περιγράφεται η διαδικασία επιλογής ενός νέου σετ μετάλλων, για χρήση στη φασματοσκοπία νετρονίων. Από την ακτινοβόληση προσδιορίστηκαν ισότοπα, που παρήχθησαν από αντιδράσεις νετρονιακής αρπαγής και από αντιδράσεις κατωφλίου. Το φάσμα των νετρονίων υπολογίστηκε με τη μέθοδο της ελαχιστοποίησης. Επιπλέον, προσδιορίστηκαν τα ισότοπα, που δημιουργούνται από φωτοπυρηνικές (γ,n) αντιδράσεις. Αυτό μας επέτρεψε τον πειραματικό υπολογιμό της άγνωστης μέσης ενεργού διατομής της αντίδρασης 162Εr(γ,n)161Er για την περιοχή του γιγαντιαίου συντονισμού από τα 9 εώς τα 13.5 ΜeV. Στο πέμπτο κεφάλαιο περιγράφονται οι προσομοιώσεις δύο ιατρικών επιταχυντών, του Elekta SL και της Varian Clinac, για τον υπολογισμό των ροών των σωματιδίων που καταγράφονται στο ισόκεντρο. Μελετήθηκε η περίπτωση θεραπείας χωρίς τη χρήση του φίλτρο. Μελετήθηκε επίσης η μεταβολή της ροής των νετρονίων σε διαφορετικά πεδία ακτινοβόλησης καθώς και σε διάφορες αποστάσεις από το ισόκεντρο.Τέλος, το κεφάλαιο έξι συνοψίζει τα συμπεράσματα που έχουν προκύψει απο την παρούσα διδακτορική διατριβή.