Monte Carlo simulation of the activation of air at the MedAustron project

Abstract

Mit dem interdisziplinären MedAustron Projekt soll in Österreich ein nationales radioonkologisches Zentrum für Forschung und die Behandlung von Krebspatienten etabliert werden, das zukunftweisende radiotherapeutische Methoden zur Krebsbekämpfung mittels Ionentherapie zur Verfügung stellt, und darüber hinaus über den Aufbau nichtklinischer Forschungsstrukturen ein vielfältiges Panorama an verschiedensten Anwendungsmöglichkeiten eröffnet. Eine Überwachung der entstehenden Radioaktivität in den Behandlungsräumen sowie in den Bereichen, die Komponenten des Teilchenbeschleunigers beherbergen, ist notwendig für den Schutz von Patienten, Personal und der Umgebung. Aufgrund der Möglichkeit, mit dem MedAustron Teilchenbeschleuniger Strahlenergien für experimentelle Zwecke zu produzieren, die weit über die zur Patientenbehandlung benötigten Energien hinausgehen, erlangt auch die Problemstellung der Luftaktivierung größere Bedeutung innerhalb eines allgemeinen Strahlenschutzkonzepts.<br />Der FLUKA Monte Carlo Code ermöglicht eine genaue Simulation von hochenergetischen Protonen- und Ionenstrahlen und deren radiologischen Auswirkungen auf lokale Luftvolumina in einer detaillierten Geometrie der MedAustron Anlage, und damit eine Abschätzung des Grads der Luftaktivierung und der damit verbundenen Konsequenzen, die während des Beschleunigerbetriebs zu erwarten sind. Ziel dieser Arbeit ist eine ebensolche Abschätzung unter besonderer Beachtung der Konsequenzen für Personal und Umwelt.<br />Mithilfe einer generischen Studie werden zwei Methoden zur Berechnung der Luftaktivierung bezüglich ihrer Verwendbarkeit in den geplanten Szenarios untersucht: Eine Methode basierend auf der Berechnung von Fluenzen von Protonen, Neutronen und Pionen und deren Faltung mit Wirkungsquerschnitten für die Produktion relevanter radioaktiver Isotope, und eine im FLUKA Code integrierte direkte Simulation der Isotopenproduktion.<br />Die jeweils geeignetste Methode wird dann auf die verschiedenen Szenarios angewandt. Diese Szenarios beinhalten die Simulation der Luftaktivierung während der Behandlung von Patienten und möglichen Versuchsaufbauten in den Behandlungsräumen, sowie die Simulation der Luftaktivierung durch Strahlverluste an definierten Verlustpunkten in der Beschleunigerhalle. Szenarios bezüglich der Freigabe aktivierter Luft nach einer Abklingzeit werden unter der Beachtung des österreichischen Strahlenschutzgesetzes durchdacht. Ausserdem werden Folgedosisraten für Personal, welches die Behandlungsräume nach verschiedenen Bestrahlungsszenarien betritt, abgeschätzt.<br />Die Berechnungen zeigen, dass die gesetzlichen Vorgaben während des vorgesehenen Betriebs eingehalten werden. Bestrahlungsvorgänge mit maximal verfügbarer Strahlenergie im Experimentalraum der Anlage können kurzzeitig zu einer deutlichen Erhöhung der Strahlenbelastung durch Luftaktivierung führen im Vergleich zum Betrieb während der Behandlung von Patienten, was eine kontinuierliche Überwachung und Aufzeichnung der Luftaktivierung innerhalb der Anlage erfordert.<br />

The interdisciplinary MedAustron project, a national radio-oncological center for research and treatment of cancer patients, is being built in Austria in order to establish future oriented radiotherapeutical methods for cancer control via Ion therapy, and furthermore nonclinical research structures opening up a diverse panorama of many different applications. Radiation monitoring in treatment rooms and the areas housing particle accelerator components is essential for protecting patients, personnel and the environment.<br />Considering the capability of the MedAustron accelerator of producing proton beams for experimental purposes with energies significantly higher than those needed for patient treatment, the topic of air activation gains importance as a part of a general radiation protection plan.<br />The FLUKA Monte Carlo Code allows for an accurate simulation of high-energy proton and ion beams and their effects on local air volumes in a detailed geometry of the MedAustron facility, enabling an estimation of airborne radioactivity and the related consequences that are to be expected during operation of the particle accelerator. The goal of this thesis is to give such an estimation with a focus on the radiological consequences for personnel and environment.<br />With the help of a generic study, two methods for the calculation of air activation are evaluated for their usefulness in the planned scenarios:<br />A method using calculated fluence distributions of protons, neutrons and pions for folding them with production cross sections of relevant radioactive isotopes, and a direct simulation of isotope production incorporated in the FLUKA code.<br />The appropriate method is then applied to the different scenarios. These scenarios comprise the simulation of air activation during treatment and possible experimental procedures in the four irradiation rooms of the facility, as well as the simulation of the activation of air due to beam losses at specified points in the main machine hall. Scenarios considering the release of the activated air into the environment after a cooldown period are conceived while regarding radiation protection rules defined by Austrian law. Also, committed dose rates for personnel entering treatment rooms after various irradiation scenarios are estimated.<br />Calculations show that legal limits will be observed during foreseen operation procedures. Irradiation procedures in the experimental area of the facility with maximum energy particle beams can temporary result in a significant increase of radiation due to air activation in comparison with normal patient treatment operation, demanding for continuous surveillance and logging of air activation inside the facility.<br />