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Fragmentation and lateral scattering of 120 and 200 MeV/u 4He ions on water targets

Rovituso, Marta :
Fragmentation and lateral scattering of 120 and 200 MeV/u 4He ions on water targets.
Technische Universität Darmstadt, Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2016)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Fragmentation and lateral scattering of 120 and 200 MeV/u 4He ions on water targets
Language: English
Abstract:

Along with an increased popularity of heavy ions in cancer therapy, 4He ions have regained the interest of the medical community as a compromise between protons and 12C ions. Al- though 2054 patients have been treated with 4He beams at Lawrence Berkeley Laboratory (LBL) (Berkeley CA, US) between 1975 and 1992, a comprehensive database of biological and physics measurements in the therapeutic energy range is still missing. One of the first steps necessary for introducing 4He ions in particle therapy, is the develop- ment of a dedicated treatment planning system, for which basic physics information such as the characterization of the beam lateral scattering and fragmentation cross sections describing the loss of primary particles and the build up of secondary fragments are required. Examination of data found in the literature reveals a gap in the therapeutic energy range. These measurements are essential for benchmarking not only the new model developed for the in-house treatment planning code TRiP98 (Treatment Planning for Particles) [1], but also for already existing beam algorithms [2, 3] and for Monte Carlo codes like Geant4 [4] and Fluka [5]. The aim of this work is to provide fragmentation cross sections of 4He ions in the therapeutic energy range. The experimental data presented here were measured at Heidelberg Ion Beam Therapy Cen- ter (HIT) (Heidelberg, Germany) using 120 MeV/u and 200 MeV/u 4He beams. The attenuation of 200 MeV/u 4He beam in water was studied together with the build up of the secondary frag- ments produced by nuclear fragmentation processes. Target thicknesses between 1 and 25 cm H2O were chosen to investigate nuclear fragmentation also beyond the maximum penetration depth of the 4He ions. The mixed radiation field produced by the interaction of 120 and 200 4He ions with wa- ter targets (4.28 and 13.96 cm thick, respectively) has also been investigated in this work by measuring double differential cross sections. A combination of energy deposition and Time of Flight (TOF) acquired with a ∆E-E telescope system provided yields and kinetic energy spectra of all particle species emitted between 0◦ and 23◦ with respect to the primary beam direction. Coupling the angular distributions and the kinetic energy spectra gave an estimate of the dose contribution from all particles types. A direct measurement of the beam dose profile was per- formed independently. For this purpose, a two dimensional (2D) Ionization Chamber (IC) array and radiographic films were used to get information not only on the core of the radial dose distribution but also on its halo. The two datasets have been compared and showed consistent results. As a good parametrization of the beam lateral dose profile is a crucial element in a treatment planning systems, a fit of the measured distribution was performed and compared to the simple Gaussian approach still used by some treatment planning systems. The gap of experimental data in the energy range between 100 and 300 MeV/u proves the significance of this work not only for therapeutic applications but also for any other applications where the benchmark of Monte Carlo codes in simulating 4He fragmentation is required.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Mit der zunehmenden Verbreitung von Ionenstrahlen in der Krebstherapie ist auch das Interesse speziell für Heliumionenstrahlen gestiegen. 4He-Ionenstrahlen könnten einen guten Kompro- miss zwischen Protonen und Kohlenstoffionen darstellen. Obwohl am Lawrence Berkeley Labo- ratory (USA) in den Jahren von 1975 bis 1992 mehr als 2000 Patienten behandelt wurden, gibt es nach heutigen Gesichtspunkten immer noch keine ausreichende Datenbasis von biologischen und physikalischen Messungen. Einer der ersten Schritte, um 4He-Ionen wieder in die Partikeltherapie einzuführen, ist die Entwicklung eines geeigneten Bestrahlungsplanungssystems. Dort müssen grundlegende physi- kalische Basisdaten wie z.B. die Charakterisierung der lateralen Aufstreuung und die Fragmen- tierungsquerschnitte für die Abschwächung der Primärteilchen und für den Aufbau der sekun- dären Fragmente implementiert werden. Tatsächlich gibt es in den Literaturdaten für 4He aber eine Lücke, die sich ausgerechnet über den für die Ionenstrahltherapie relevanten Energiebe- reich erstreckt. Messdaten in diesem Bereich sind jedoch essentiell für ein Benchmarking mit dem Inhaus-entwickelten Bestrahlungsplanungssystem TRiP98 (Treatment Planning for Partic- les) [1], sowie mit bestehenden Strahltransportmodellen [2, 3] und Monte-Carlo-Programmen wie GEANT4 [4] und FLUKA [5]. Das Hauptziel dieser Arbeit war entsprechend die Messung und Bereitstellung von Fragmentierungsquerschnitten für 4He-Ionen in dem therapeutischen Energiebereich. Die hier vorgestellten Daten wurden an der HIT-Anlage (Heidelberg) mit 120 MeV/u und 200 MeV/u 4He-Strahlen gemessen. Bei 200 MeV/u wurden Messungen zur Abschwächung des Heliumstrahls in Wasser und zu den entsprechenden Produktionsquerschnitten der Sekun- därteilchen durchgeführt. Die Targetdicken wurden zwischen 1 und 25 cm wasseräquivalenter Dicke variiert, um auch Daten hinter dem Bragg-Peak zu erfassen. Für die Strahlenfelder der Heliumstrahlen nach Durchdringen von Wassertargets mit Dicken von 4,28 und 13,96 cm (für 120 bzw. 200 MeV/u) wurden auch die doppeldifferentiellen Wirkungsquerschnitte gemessen. Dazu wurden über eine kombinierte ∆E-E und time-of-flight- Messung mit einem sogenannten Teleskop die Energiespektren in Abhängigkeit vom Winkel zwi- schen 0◦ und 23◦ (relativ zur Strahlrichtung) erfasst. Durch Kombination der Winkelverteilun- gen und der Energiespektren konnte eine winkelabhängige Dosisverteilung - separiert nach den Fragmentsorten - berechnet werden. Auch eine direkte Dosismessung des lateralen Strahlprofils wurde durchgeführt. Dazu wurden ein 2D-Ionisationskammer-Array und Röntgenfilme benutzt. Die Dosis wurde nicht nur bei kleinen Winkeln sondern auch im sogenannten Halo-Bereich bis 23◦ gemessen. Der Vergleich der Dosismessungen zwischen den Einzelteilchenmessungen und den integralen Messungen zeigt ein gute Übereinstimmung. Verschiedene Kombinationen von mathematischen Funktionen wurden an die gemessenen lateralen Dosisverteilungen angepasst. Es zeigte sich, dass eine einfache Gaußfunktion, die üblicherweise verwendet wird, für eine klinische Bestrahlungsplanung mit Heliumionen ungeeignet ist. Der klinische Nutzen der vorliegenden Arbeit liegt zum einen darin, dass die Lücke der ex- perimentellen Messdaten zwischen 100 und 300 MeV/u nun gefüllt wurde und zum anderen genaue Daten zum Benchmarking von Monte-Carlo-Programmen bereitgestellt werden konnten.German
Place of Publication: Darmstadt
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 530 Physik
Divisions: 05 Department of Physics > Institute of Nuclear Physics
Date Deposited: 05 Aug 2016 10:36
Last Modified: 05 Aug 2016 10:36
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-55668
Referees: Durante, Prof. Dr. Marco and Aumann, Prof. Dr. Thomas
Refereed: 2 June 2016
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/5566
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