Monte Carlo simulations for the calculation of differential and double differential cross sections using FLUKA

Abstract

Am Forschungs- und Therapiezentrum MedAustron in Wiener Neustadt wird die Krebstherapie mittels Protonen und Kohlenstoffionen durchgeführt. Im Unterschied zur Photonenbestrahlung zeigen Ionenstrahlen andere Eigenschaften. Es gibt ein scharfes Maximum der abgegebenen Energie bei einer steuerbaren Tiefe - der sogenannte Bragg-Peak. Dabei ist das einfallende Ionenprojektil vielen nuklearen Wechselwirkungen mit den Target-Kernen ausgesetzt. In diesen Prozessen entstehen leichtere Sekundärteilchen, die sich ebenfalls durch das Gewebe bewegen und ebenso einen Beitrag zum Tiefen-Dosis-Profil liefern, der sich direkt nach dem Bragg-Peak befindet. Dieses Auftreten muss als Teil der ehandlungsplanung miteinbezogen werden. Für das Verständnis der komplexen Fragmentierungsprozesse und damit der Beiträge der einzelnen Fragmente zur Dosis in der Ionentherapie müssen differentielle und doppelt-differentielle Wirkungsquerschnitte für alle auftretenden Prozesse bestimmt werden. Diese spielen eine Schlüsselrolle in jedem Therapieplan für die Bestrahlung von Krebspatienten. Im Zusammenhang mit der vorliegenden Diplomarbeit wurde die Simulation auf dünne Targets gelenkter Ionenstrahlen mit dem Code FLUKA durchgeführt. Die Wechselwirkungen von 12C-Projektilen mit Energien von 10 bis 500 MeV pro Nukleon mit verschiedenen in menschlichen Geweben auftretenden Targets werden untersucht. Der Großteil der medizinisch verwendeten Teilchenarten ist bereits in FLUKA implementiert, andere werden mittels FORTRAN-Zusatzcodes ebenfalls einbezogen. FLUKA ist ein weitverbreitetes Simulationspaket und lässt passende Abschätzungen für differentielle und doppelt differentielle Wirkungsquerschnitte zu, speziell dort, wo es keine zugänglichen experimentellen Daten gibt. Das Ergebnis dieser Arbeit ist ein Datensatz aus Wirkungsquerschnitten, der einen Beitrag zur Erstellung von Bestrahlungsplänen in der Inonenstrahltherapie sowie zum Vergleich mit ähnlichen Codes leisten kann.

At the MedAustron facility in Wiener Neustadt ion-beam therapy tumours will be treated using protons and Carbon ions. In contrast to photon irradiation, ion beams show different characteristics: there is a sharp peak of deposited energy, the Bragg peak, at an accurately controllable depth. The incoming projectile ions undergo a series of nuclear interactions with the target nuclei. Lighter secondary particles are produced and propagate through the target tissue and generate a fragmentation tail directly after the Bragg peak, which is an important contribution to be considered for the treatment planning. In order to improve the understanding of the complex fragmentation processes and, thus, the contribution of the various fragments to the delivered dose during ion-beam therapy, differential and double differential cross sections need to be determined for all relevant occurring processes. These cross sections also play a key-role in any treatment planning system used to plan the optimal irradiation of cancer patients when using ion beams. In the context of this master thesis FLUKA simulations of a particle beam directed onto a thin target were performed. Reactions of 12C projectiles with energies ranging from 10 to 500 MeV/n impinging on various targets found in human tissue was studied. Most of the required particle types are already implemented in FLUKA, others are included by dedicated FORTRAN user routines. FLUKA is a well established simulation framework and allows for an estimation of differential and double differential cross sections where no experimental data are available. The result of this work is a cross section dataset, which could be used for an improvement of treatment planning systems used in ion-beam therapy, as well as for comparisons with other particle and ion transport codes.