Validation of MedAustron’s Shielding Concept for Low-Z Primary Particles

Abstract

Strahlentherapie ist Teil der modernen Krebsbehandlung und fungiert mit Photonen und Elektronen, aber auch mit schwereren Teilchen, nämlich Ionen. MedAustron und andere Einrichtungen weltweit verwenden für die Ionentherapie hauptsächlich Protonen und Kohlenstoffionen. Der Grund, warum verschiedene Teilchen eingesetzt werden, ist der Unterschied der jeweiligen biologischen Effekte. Es wird vermutet, dass es kein einzelnes Ion gibt, das die gesamte Tumortherapie bestmöglich abdeckt. Die Option von unterschiedlichen Projektilen zu wählen, bietet somit einen erheblichen Vorteil im Hinblick auf individuelle Behandlungen, wodurch auf eine Erweiterung der therapeutisch eingesetzten Primärteilchen gesetzt wird. Diese Arbeit dient MedAustron als strahlenschutztechnische Grundlage für die Verwendung von Projektilen bis Z ≤ 10 und basiert auf den bereits bewilligten und umgesetzten Szenarien der Arbeiten von Jägerhofer, Feldbaumer und Karacson. Zum einen wird die Umgebungs-Äquivalentdosis außerhalb der Abschirmungen zweier Bestrahlungsräume betrachtet und zum anderen die verursachte Luftaktivierung innerhalb der Räume. Darüber hinaus wird ein Modell vorgestellt, das anhand der Energie, Massen- und Ladungszahl eines Primärteilchens, die davon verursachte Umgebungs-Äquivalentdosis H*(10) außerhalb einer beliebigen Abschirmung konservativ abschätzt. Anhand der Ergebnisse einzelner Simulationen unterschiedlicher Ionen in einer bestimmten Geometrie können die Werte für weitere Ionen in der entsprechenden Geometrie konservativ vorhergesagt werden. Damit kann eine große Zahl von Monte Carlo Simulationen und damit verbundener Rechenaufwand eingespart werden.

Radiation therapy is a state of the art method to treat cancer and is performed with photons and electrons, but also much heavier particles, namely ions. At MedAustron but also at most other facilities worldwide ion therapy is currently accomplished using protons and carbon ions. The reason for the use of various particles is the difference in each biological effect. Regarding the assumption that there is no perfect ion for all kind of tumors, the ability to choose from various projectiles is beneficial for individual treatments. Therefore, it is more and more investigated in the use of additional ions in cancer therapy.This work is the foundation for the authorization of ion beams beyond protons and carbon ions at MedAustron. It is based on and compared to Jägerhofer, Feldbaumer and Karacson. It validates the shielding concept for primary particles Z ≤ 10 using Monte Carlo simulations. In addition to ambient dose equivalent calculations outside two shielded irradiation rooms, air activation on the inside is considered.Beyond that, a model is introduced that takes the energy, the mass- and charge number of the primary particle as input and computes the ambient dose equivalent H*(10) outside of an arbitrary shielding. Using the results of a few simulations of different ions in a certain geometry, the values for further ions in the corresponding geometry can be conservatively predicted. Thereby a considerable amount of Monte Carlo simulations and associated computational cost is economized.