Characterization of neutron radiation fields: applications in scanning proton radiotherapy

Abstract

Aquest treball presenta les tècniques i les metodologies emprades pel Grup de Recerca en Radiacions de la Universitat Autònoma de Barcelona (UAB) en els temes d’espectrometria i dosimetria de neutrons, així com la seva aplicació en diferents situacions. El grup utilitza fins a quatre tècniques: un dosímetre de neutrons basat en el plàstic Poly Allyl Diglycol Carbonate (PADC) que s’utilitza com a detector de traces, un Espectròmetre d’Esferes Bonner (BSS) que utilitza un comptador proporcional He-3 com a detector de neutrons tèrmics, un BSS que utilitza làmines d’or com a detector de neutrons tèrmics i simulacions Monte Carlo (MC) que empren codis de la família MCNP.

En particular, la caracterització experimental i les mesures del camp de neutrons es van realitzar en tres acceleradors de partícules diferents: en un centre de radioteràpia de protons que utilitza el sistema Mevion S250i Hyperscan de sala compacta, en el sincrotró d’electrons ALBA i a la instal·lació CERN-EU high-energy Reference Field (CERF). La determinació de la component neutrònica en radioteràpia de protons es va realitzar utilitzant la tècnica de feix escanejat de partícules, i les mesures es van realitzar en punts fora del camp protònic terapèutic però dins dels maniquins (maniquí tanc d’aigua i maniquí antropomòrfic pediàtric). També es van obtenir mesures espectromètriques en aire al voltant del maniquí antropomòrfic. Amb freqüència, es van utilitzar simulacions MC per millorar l’avaluació de la dosi de neutrons, d’acord amb les metodologies presentades.

A causa de l’interès creixent en l’impacte dels camps de radiació mixtos en la resposta total d’un detector de radiació, es proposa una equació per tractar els camps de radiació mixtos quan un detector de radiació té una sensibilitat principal a un tipus específic de partícula però, inevitablement, té una resposta residual a altres partícules del camp. La dependència energètica de la resposta està inclosa a l’esmentada equació.

D’altra banda, com que es necessiten factors de qualitat de neutrons per proporcionar l’equivalent de dosis de neutrons (per exemple, en dosis de neutrons fora de camp en radioteràpia de protons) i resulta que no estan disponibles de manera explícita en el rang d’energia de 25 a 10^4 MeV, es presenta una metodologia per calcular-los i es dona una recomanació en aquest rang d’energia. Els resultats secundaris d’aquest treball són la caracterització de la distribució d’energia dels neutrons en el disseny de l’HOmogeneous Thermal NEutron Source (HOTNES) que es troba a les instal·lacions d’ENEA-Frascati i l’ús de simulacions MC per estudiar l’impacte dels sòls humits en la distribució d’energia de la fluència de neutrons pròxim al sòl.

Les dosis totals fora de camp en els tractaments de radioteràpia amb protons amb el sistema Mevion S250i Hyperscan de sala compacta són més baixes en comparació amb les dosis totals fora de camp en els tractaments amb fotons. Tot i això, el disseny de la instal·lació i el sistema utilitzat en els tractaments són crítics en la producció de radiació secundària.

En combinació amb els resultats d’altres treballs, per a un maniquí antropomòrfic pediàtric de 5 anys a una distància de 12 cm de l’isocentre es troba una dosi total fora de camp (per Gy terapèutic) de 7000 microSv Gy^(-1) per a tractaments de fotons, mentre que en els tractaments de radioteràpia de protons amb feixos escanejats es troben 300 microSv Gy^(-1) al sistema Mevion S250i Hyperscan de sala compacta i 100 microSv Gy^(-1) al sistema IBA no compacte. Els aspectes econòmics en la construcció d’un centre de radioteràpia de protons són importants i el principi ALARA s’ha d’interpretar adequadament.

Este trabajo presenta las técnicas y metodologías empleadas por el Grupo de Investigación en Radiaciones de la Universitat Autònoma de Barcelona (UAB) en los temas de espectrometría y dosimetría de neutrones, así como su aplicación en diferentes situaciones. Se utilizan hasta cuatro técnicas: un dosímetro de neutrones basado en el plástico Poly Allyl Diglycol Carbonate (PADC) que se utiliza como detector pasivo de trazas, un Espectrómetro de Esferas Bonner (BSS) que utiliza un contador proporcional He-3 como detector de neutrones térmicos, un BSS que usa láminas de oro como detector de neutrones térmicos, y simulaciones Monte Carlo (MC) utilizando códigos de la familia MCNP.

En particular, la caracterización experimental y las mediciones del campo de neutrones se realizaron en tres aceleradores de partículas diferentes: en un centro de radioterapia de protones que utiliza el sistema Mevion S250i Hyperscan de sala compacta, en el sincrotrón de electrones ALBA y en la instalación CERN-EU high-energy Reference Field (CERF). La determinación de la componente neutrónica en radioterapia de protones se efectuó utilizando la técnica de haz escaneado de partículas, y las medidas se realizaron en puntos fuera del campo protónico terapéutico, pero dentro de los maniquíes (maniquí tanque de agua y maniquí antropomórfico pediátrico). También se obtuvieron medidas espectrométricas en aire alrededor del maniquí antropomórfico. Frecuentemente se utilizaron simulaciones MC para mejorar la evaluación de la dosis de neutrones, de acuerdo con las metodologías presentadas.

Debido al creciente interés en el impacto de los campos de radiación mixtos en la respuesta total de un detector de radiación, se propone una ecuación para tratar los campos de radiación mixtos cuando un detector de radiación tiene una sensibilidad principal a un tipo específico de partícula, pero tiene, inevitablemente, una respuesta residual a otras partículas del campo. La dependencia energética de la respuesta está incluida en la ecuación mencionada.

Por otro lado, como se necesitan factores de calidad de neutrones para proporcionar el equivalente de dosis de neutrones (por ejemplo, en dosis de neutrones fuera de campo en radioterapia de protones) y resulta que no están disponibles de manera explícita en el rango de energía de 25 a 10^4 MeV, se presenta una metodología para calcularlos y se da una recomendación en ese rango de energía. Los resultados secundarios de este trabajo son la caracterización de la distribución de energía de los neutrones en el diseño de HOmogeneous Thermal NEutron Source (HOTNES) que se encuentra en las instalaciones de ENEA-Frascati y el uso de simulaciones MC para estudiar el impacto de los suelos húmedos en la distribución de energía de la fluencia de neutrones cerca del suelo.

Las dosis totales fuera de campo en los tratamientos de radioterapia con protones con el sistema Mevion S250i Hyperscan de sala compacta son más bajas en comparación con las dosis totales fuera de campo en los tratamientos con fotones. Sin embargo, el diseño de la instalación y el sistema utilizado en los tratamientos son críticos en la producción de radiación secundaria.

En combinación con los resultados de otros trabajos, para un maniquí antropomórfico pediátrico de 5 años a una distancia de 12 cm del isocentro se encuentra una dosis total fuera de campo (por Gy terapéutico) de 7000 microSv Gy^(-1) para tratamientos de fotones, mientras que en los tratamientos de radioterapia de protones con haces escaneados se encuentran 300 microSv Gy^(-1) en el sistema Mevion S250i Hyperscan de sala compacta y 100 microSv Gy^(-1) en el sistema IBA no compacto. Los aspectos económicos en la construcción de un centro de radioterapia de protones son importantes y el principio ALARA debe interpretarse adecuadamente.

This work presents the techniques and methodologies employed by the Universitat Autònoma de Barcelona (UAB) radiation research group in neutron spectrometry and neutron dosimetry topics as well as their application in different situations. Up to four techniques are used by the group: a neutron dosimeter based on the plastic Polly Allyl Diglycol Carbonate (PADC) used as etched track detector, a Bonner Sphere System (BSS) using a He-3 proportional counter as a thermal neutron detector, a BSS using gold foils as a thermal neutron detector and Monte Carlo (MC) simulations employing MCNP executables.

In particular, experimental characterization and measurements of the neutron field were performed in three different particle accelerators: in a proton radiotherapy centre using the Mevion S250i Hyperscan single-room delivery system, in ALBA electron synchrotron, and in the CERN-EU high-energy Reference Field (CERF) facility. Measurements of the neutron component in proton radiotherapy were done when the particle beam scanning technique was used and the measurements took place in points outside of the therapeutic proton field but inside of phantoms (water tank phantom and child anthropomorphic phantom). Spectrometric measurements in air around the anthropomorphic phantom were also obtained. MC simulations were heavily used in order to improve the neutron dose assessment, according to the presented methodologies. An approximation to model the energy degraders used in proton radiotherapy is presented as well.

Due to the increasing interest in the impact of mixed radiation fields in the total response of a radiation detector, an equation is proposed to deal with mixed radiation fields when a radiation detector has a main sensitivity to a specific type of particle but it has, unavoidably, a residual response to other particles of the field. Energy dependence on the response is included in the mentioned equation.

On the other hand, as neutron quality factors are needed in order to provide the neutron dose equivalent (for instance in proton radiotherapy out-of-field neutron doses) and it turns out that they are lacking in an explicit way in the energy range from 25 to 10^4 MeV, a methodology to compute them is presented and a recommendation in that energy range is given. Secondary results of this work are the energy distribution characterization of the neutrons in the HOmogeneous Thermal NEutron Source (HOTNES) design found in ENEA-Frascati facility and the use of MC simulations to study the impact of moist soils on the energy distribution of the neutron fluence near ground. Total out-of-field doses in proton radiotherapy treatments with Mevion S250i Hyperscan single-room delivery system are lower in comparison with total out-of-field doses in photon treatments. However, the design of the facility and the delivery system used in proton radiotherapy treatments (under the particle beam scanning technique) are critical in the production of secondary radiation and, in particular, in the production of neutrons.

In combination with the results from other works, for anthropomorphic paediatric 5 years old phantom at a distance of 12 cm from the isocenter, a total out-of-field dose (per therapeutic Gy) of 7000 microSv Gy^(−1) is found for photon treatments, while in particle beam scanning proton radiotherapy treatments, a total out-of-field dose of 300 microSv Gy^(−1) is found in Mevion S250i Hyperscan single-room delivery system and 100 microSv Gy^(−1) is found in IBA multiple-room delivery system. Economical aspects in the construction of a proton radiotherapy centre are important and ALARA principle should be properly interpreted.