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Beam loss monitoring at MedAustron synchrotron with available measurement methods

Raphael Neugebauer

Art der Arbeit

Masterarbeit

Universität

Universität Wien

Fakultät

Fakultät für Physik

Studiumsbezeichnung bzw. Universitätlehrgang (ULG)

Masterstudium Physik

Betreuer*in

Eberhard Widmann

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DOI

10.25365/thesis.71478

URN

urn:nbn:at:at-ubw:1-17032.49780.602867-3

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(Print-Exemplar eventuell in Bibliothek verfügbar)

Abstracts

Abstract

(Deutsch)

MedAustron ist ein Zentrum für Krebsbehandlung mit Hadronentherapie. Hierfür werden Protonen und Kohlenstoffionen in einem Synchrotron beschleunigt, sodass sie Energien erreichen mit denen sie bis zu etwa 30 cm in menschliches Gewebe eindringen können. Wenn die nötige Energie erreicht ist, werden die Teilchen aus dem Synchrotron extrahiert und in einen Bestrahlungsraum weitergeleitet, wo sie zur Behandlung verwendet werden. Die Anzahl der Teilchen, die in den Kreisbeschleuniger eingespeist werden, weicht ab von der Anzahl, die im Behandlungsraum ankommt. Das bedeutet, dass dazwischen Teilchen verloren gehen. Da es kein aktives Beam Monitoring System bei MedAustron gibt, stehen auch keine genauen Informationen zu den Teilchenverlusten zur Verfügung. Es gibt zwar Teilchenverluste die im Beschleunigerdesign eingeplant sind, allerdings haben 2019 durchgeführte Messungen ergeben, dass Teilchen auch an ungeplanten Orten verloren gehen. Das Ziel dieser Masterarbeit ist es diese Verlustpunkte zu lokalisieren und zu charakterisieren. Hierfür werden bei MedAustron verfügbare Methoden und Ausrüstung verwendet. Mit Thermolumineszenzendosimetern (TLDs) wurden Messungen zur Lokalisierung der Verlustpunkte durchgeführt und es wurden Vergleiche zwischen den Mengen an Verlusten zwischen den Verlustpunkten gezogen. Die Messungen brachten zwei unerwartete Verlustpunkte am Synchrotron zum Vorschein. Des Weiteren wurde Sekundärstrahlung am Chopper Dump, einem eingeplanten Verlustpunkt in der High Energy Beam Transfer Line, gemessen. Dieser wurde für weitere Messungen herangezogen. Am Chopper Dump, und zum Vergleich auch bei einem der ungeplanten Verlustpunkte wurde je ein vertikales Profil des Strahlenfeldes aufgenommen. Die Profile unterschieden sich voneinander insofern, dass am unerwarteten Verlustpunkt die Intensitätsverteilung größtenteils symmetrisch war, mit einem Maximum auf der Strahlhöhe (h = 125 cm), während die Teilchenintensität (Neutronen) beim Chopper Richtung Boden anstieg. Während einer vierstündigen Messschicht wurde mit einem WENDI-II Wide Range Rem Counter (Neutronensonde) die Umgebungs-Äquivalentdosis am Chopper aufgenommen. Der zugehörige Messaufbau wurde mit FLUKA, einem Monte Carlo (MC) Code zur Simulation von Wechselwirkungen zwischen Teilchen und Materie, simuliert. Das Ergebnis der Simulation stimmte gut mit dem Ergebnis der Messung mit dem Detektor überein. Des Weiteren lieferte die Simulation Hinweise darauf, dass nur die Hälfte der Teilchenverluste zwischen der Extraktion und den Bestrahlungsräumen am Chopper stattfinden, daher sind genauere Untersuchungen der Teilchenverluste in diesem Bereich in Zukunft notwendig. Zusammenfassend kann man sagen, dass die TLDs in Kombination mit FLUKA geeignet sind um Verlustpunkte am Synchrotron zu finden und die Umgebungs-Äquivalentdosis an diesen Stellen abzuschätzen. Diese Masterarbeit stellt mögliche Ansätze dafür vor, zeigt mögliche damit zusammenhängende Schwierigkeiten auf und weist auf Bereiche für zukünftige Forschung hin.

Abstract

(Englisch)

At MedAustron hadron therapy is used to treat cancer patients. The available particles are protons and carbon ions which are accelerated in a synchrotron. When they reach the necessary energy for the deeper penetration of human tissue they are extracted from the synchrotron and guided on to an irradiation room (IR) where the treatment takes place. The number of particles that are injected into the synchrotron and that reach the IR are not the same, i.e. particles are lost in between. There is no active beam loss monitoring system for the accelerator chain therefore no exact information about the particle losses is available. Some of the particle losses are part of the accelerator design, but previous measurements have shown that loss points occur at unexpected locations as well. The aim of this thesis is to use equipment which is available at MedAustron to find loss points and test methods to characterize them. Measurements with thermoluminescent dosimeters (TLDs) were carried out to localize loss points and compare the occurring particle losses. With these measurements loss points at two unexpected locations of the synchrotron were detected. The chopper dump, a loss point by design in the high energy beam transfer line, expectedly produced secondary radiation as well and was used for field characterization measurements as well as for benchmarking FLUKA, a Monte Carlo (MC) code environment to simulate interactions of particles with matter, simulations. A vertical profile of the radiation field at the chopper dump was recorded, as well as at one of the unexpected loss points for comparison. The vertical profiles were remarkably different. At the unexpected loss point, the intensity distribution was largely symmetrical with a maximum at the beam height (h = 125 cm), while the intensity increased towards the floor at the chopper dump. A WENDI-II wide range rem counter (neutron detector) was used to estimate the ambient dose equivalent at the chopper dump in a 4-hour measurement shift. That measurement set-up was also simulated with FLUKA, resulting in good agreement with the detector measurements. The FLUKA simulation suggested that only 50% of the particles lost between the extraction and the IR, are lost at the chopper. Therefore, more detailed investigations of the particle losses in that section could be of interest in the future. In conclusion, the TLDs in combination with FLUKA can be used to find loss points and estimate the ambient dose equivalent at the loss points around the synchrotron. This thesis shows possible approaches, where the associated pitfalls are and areas for further research.

Autor*innen

Raphael Neugebauer

Haupttitel (Englisch)

Beam loss monitoring at MedAustron synchrotron with available measurement methods

Paralleltitel (Deutsch)

Strahlenverlust Überwachung vom MedAustron Synchrotron mit verfügbaren Messmethoden

Publikationsjahr

2022

Umfangsangabe

viii, 72 Seiten : Illustrationen

Sprache

Englisch

Beurteiler*in

Eberhard Widmann

Klassifikation

33 Physik > 33.43 Radioaktivität

AC Nummer

AC16562862

Utheses ID

62868

Studienkennzahl

UA | 066 | 876 | |

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