Shielding and radiation studies for MedAustron

Abstract

MedAustron ist ein Projekt zur Errichtung einer Beschleunigeranlage für Krebstherapie in Wiener Neustadt. In der Anlage sollen mittels eines Synchrotrons Protonen auf kinetische Energien von bis zu 250 MeV und Kohlenstoff-Ionen bis zu 400 MeV/u für die medizinische Anwendung beschleunigt werden. Zusätzlich werden Protonen mit einer Energie von bis zu 800 MeV für die "nicht-klinische" Forschung zur Verfügung stehen. Die Österreichische Gesetzgebung verlangt für die Errichtung und den Betrieb von Beschleunigeranlagen über 50 MeV die Durchführung einer Umweltverträglichkeitsprüfung. Dafür wurde im ersten Teil der Arbeit die erforderliche Abschirmung der MedAustron-Anlage berechnet. Zu diesem Zweck wurde eine detaillierte Geometrie der gesamten Anlage erstellt und in das Monte-Carlo Simulationsprogramm FLUKA implementiert. Im Zuge der Simulationen wurde auch die Zusammensetzung der Strahlenfelder innerhalb wie außerhalb der Anlage analysiert. Dabei wurde festgestellt, dass die Neutronenstrahlung den Hauptbeitrag zur jährlichen Umgebungsdosis im Bereich der Anlage liefert.<br />Auf diesen Informationen basierend wurde zur Messung der Umgebungsdosis der Neutronendetektor WENDI-II, der Firma Thermo Scientific, vorgeschlagen und in weiterer Folge auf seine Eignung hin untersucht.<br />Dazu wurde eine Geometrie erstellt und in eine, den speziellen Anforderungen, angepasste FLUKA Simulation implementiert. Auf diese Weise wurde eine Response-Kurve berechnet und mit jener Kurve verglichen, die von Olsher et al. mit Hilfe eines anderen Monte-Carlo Codes berechnet wurde.<br />Im weiteren Verlauf der Detektor Studien wurden Messungen am Forschungsinstitut für Nuklearphysik (Research Center for Nuclear Physics - RCNP) an der Universität von Osaka in Japan durchgeführt.<br />Diese Einrichtung stellt mit Hilfe von Protonen, die auf ein Lithium-Target treffen, quasimonoenergetische Neutronenfelder für physikalische Messungen zur Verfügung. In der Literatur ist der WENDI-II Detektor für Neutronen mit Energien von bis zu 173 MeV charakterisiert.<br />In dieser Arbeit wird der Detektor bei höheren Neutronenenergien, wie sie auch bei MedAustron auftreten werden, getestet. Es wurden Messungen direkt im Neutronenfeld als auch hinter verschieden dicken Eisen- und Betonabschirmungen vorgenommen. Die Messergebnisse wurden schließlich mit den Ergebnissen von detaillierten Monte-Carlo Simulationen verglichen.<br />Um die Unterschiede zwischen den Spektren, die bei RCNP auftreten, und dem 252Cf-Spektrum, in dem der Detektor kalibriert wurde, zu berücksichtigen wurden mit Hilfe der berechneten Response-Kurve Feldkalibrierfaktoren für die einzelnen Messkonfigurationen berechnet.<br />Damit konnte die Übereinstimmung zwischen Messung und Simulation noch verbessert werden.<br />

MedAustron is a synchrotron based accelerator facility for cancer therapy and research being built in Austria. The facility will provide protons up to kinetic energies of 250 MeV and carbon ions up to 400 MeV/u for medical applications. Additionally, protons up to 800 MeV kinetic energy will be used in a dedicated room for non-clinical research.<br />Authorities in Austria demand an environmental impact assessment report as a prerequisite for building an accelerator facility exceeding particle energies of 50 MeV. For this report a detailed geometry of the accelerator facility was implemented into the Monte-Carlo code FLUKA and shielding simulations were performed. In the course of these simulations the contributions of different particle types to the mixed fields around the accelerator and behind shielding were analysed. It was determined that the neutron radiation is the main contributor for ambient dose equivalent rates inside and around the accelerator facility of MedAustron.<br />As a consequence the neutron rem counter WENDI-II by Thermo Scientific was proposed as an adequate detector system for surveillance. A detailed geometry of this detector as well as an advanced simulation routine were developed and implemented. This allowed to determine the response function of the WENDI-II rem counter and to compare it to a response function which had been calculated using MCNPX by Olsher et al..<br />In the course of further detector studies, measurements were performed at the Research Center for Nuclear Physics (RCNP) facility at Osaka University of Japan, where protons impinging on a 7Li target produce quasi monoenergetic neutron beams of 246 MeV and 389 MeV kinetic energies. In literature the WENDI-II detector was already characterized in mixed fields at CERN as well as quasi monoenergetic fields up to 173 MeV at the T. Svedberg Laboratory. This work provides a characterization for neutron fields at higher energies, which are to be expected at the MedAustron facility, and compares the measurements with FLUKA simulations. For the benchmark, the exact layout of the time of flight tunnel of the RCNP facility was implemented in the FLUKA input in order to obtain a detailed comparison between measurements and simulations.<br />Additionally, a series of measurements with iron shielding as well as concrete shielding of different dimensions was conducted as the WENDI-II will be utilized behind thick shielding at MedAustron.<br />In order to account for deviations between the neutron fields at RCNP and the 252Cf field, in which the detector had been calibrated, field calibration factors were developed using the determined response function of the WENDI-II rem counter. The application of the field calibration factors on the measured values improved the agreement between measurement and simulation results.