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重粒子線治療に用いる炭素イオンビーム入射における水ファントム周囲の中性子収量および線量分布に関する研究

Study on neutron yield and dose distributions around a water phantom bombarded by carbon ions with therapeutic energies

佐藤 大樹; 梶本 剛*; 執行 信寛*; 板敷 祐太朗*; 今林 洋一*; 古場 裕介*; 松藤 成弘*; 佐波 俊哉*; 中尾 徳晶*; 魚住 祐介*

Satoh, Daiki; Kajimoto, Tsuyoshi*; Shigyo, Nobuhiro*; Itashiki, Yutaro*; Imabayashi, Yoichi*; Koba, Yusuke*; Matsufuji, Naruhiro*; Sanami, Toshiya*; Nakao, Noriaki*; Uozumi, Yusuke*

重粒子線治療施設における合理的な遮蔽設計のためには、患者と重粒子線との核反応で生成される中性子の収量および線量分布を精度よく知る必要がある。本研究では、患者を模擬した水ファントムに治療で用いる核子当たり290MeVの炭素イオンを入射して、生成される中性子を液体有機シンチレータからなる中性子検出器を用いて測定した。検出器は、ビーム軸に対して15$${^circ}$$から90$${^circ}$$方向に15$${^circ}$$おきに配置した。また、測定した中性子生成二重微分収量にAP照射に対する実効線量への換算係数を乗じ、測定における検出下限エネルギーである2MeV以上で積分することで、水ファントム周りの実効線量分布を導出した。得られた実験値は、モンテカルロ計算コードPHITSの結果と比較した。PHITSは中性子生成二重微分収量の高エネルギー側のスペクトル形状をよく再現できるが、約10MeV以下の低エネルギー中性子を過大評価することが分かった。実効線量分布についても、同じエネルギー範囲で積分したPHITSの計算値は、二重微分収量同様に実験値よりも大きな値を示した。そこで、PHITSによる結果の絶対値を90$${^circ}$$における実験値と一致するように調整し、熱エネルギー以上の中性子に対して角度範囲0$${^circ}$$から180$${^circ}$$における実効線量を算出した。さらに、その実効線量分布を適切に再現可能な簡易式を構築した。本研究の成果を用いることで、遮蔽設計に必要な患者周りの線量分布を迅速に精度よく評価することが可能となり、重粒子線治療施設における遮蔽設計の高度化に大きく貢献することが期待される。

For reasonable design of shields at heavy-ion therapy facilities, it is important to understand neutron yields and doses around a patient bombarded by heavy-ion beams. In the present study, we measured the neutrons emitted from a water phantom, which mimics a body of patient, bombarded by carbon ions with therapeutic energy of 290 MeV/nucleon. The neutron detectors composed of liquid organic scintillator were placed at the directions of 15$${^circ}$$, 30$${^circ}$$, 45$${^circ}$$, 60$${^circ}$$, 75$${^circ}$$ and 90$${^circ}$$ with respect to the beam axis. By applying conversion coefficients of effective dose for AP irradiation to the measured double-differential neutron yields and integrating them above 2 MeV which is the minimum energy of the experimental data, we obtained the effective-dose distribution around the water phantom. The experimental data were compared with the results of the Monte-Carlo simulation code PHITS. While PHITS can reproduce the neutron spectra in higher energy region well, it overestimates the spectra below about 10 MeV. The effective dose calculated by PHITS with the same integration period also gave a larger value compared with the experimental data. We adjusted the absolute values of the PHITS results to agree with the experimental data at 90$${^circ}$$, and deduced the effective-dose distribution for neutrons above thermal energy in the angular region from 0$${^circ}$$ to 180$${^circ}$$. Furthermore, a simple analytic function was proposed to give the dose distribution around a patient. It makes possible to assess the dose distribution quickly and easily with sufficient precisions. These results contribute to a sophistication of shielding design at heavy-ion therapy facilities.

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