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Monte Carlo simulations for heavy ion dosimetry

Geithner, Oksana

German Title: Monte Carlo SImulationen für Schwerionendosimetrie

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Abstract

Water-to-air stopping power ratio ( ) calculations for the ionization chamber dosimetry of clinically relevant ion beams with initial energies from 50 to 450 MeV/u have been performed using the Monte Carlo technique. To simulate the transport of a particle in water the computer code SHIELD-HIT v2 was used which is a substantially modified version of its predecessor SHIELD-HIT v1. The code was partially rewritten, replacing formerly used single precision variables with double precision variables. The lowest particle transport specific energy was decreased from 1MeV/u down to 10 keV/u by modifying the Bethe-Bloch formula, thus widening its range for medical dosimetry applications. Optional MSTAR and ICRU-73 stopping power data were included. The fragmentation model was verified using all available experimental data and some parameters were adjusted. The present code version shows excellent agreement with experimental data. Additional to the calculations of stopping power ratios, , the influence of fragments and I-values on for carbon ion beams was investigated. The value of deviates as much as 2.3% at the Bragg peak from the recommended by TRS-398 constant value of 1.130 for an energy of 50 MeV/u.

Translation of abstract (German)

Rechnungen zur Bestimmung der Water-to-air Stopping Power Ratio ( ) für die Ionisationskammer-Dosimetrie von klinisch relevanten Ionenstrahlen mit Energien von 50 bis 450 MeV/u wurden unter Verwendung der Monte Carlo Methode durchgeführt. Um den Transport von geladenen Teilchen in Wasser zu simulieren, wurde der Computercode SHIELD-HIT v2 verwendet, der eine substanzielle Weiterentwicklung seiner Vorgängerversion SHIELD-HIT v1 darstellt. Das Programm wurde in großen Teilen neu geschrieben, wobei single-precision Variablen durch double-precision Variablen ersetzt wurden. Die niedrigste für die Simulation relevante Teilchenenergie, wurde von 1 MeV/u auf 10 keV/u vermindert, indem eine Modifikation der Bethe-Bloch Formel eingeführt wurde. Somit wurde es möglich, den Einsatzbereich von SHIELD-HIT auf medizinisch-dosimetrische Anwendungsgebiete auszuweiten. MSTAR und ICRU-73 Stopping Power Daten können optional vom Anwender bei der Durchführung der Simulationen verwendet werden. Das Fragmentationsmodell wurde anhand einer Vielzahl zur Verfügung stehender experimenteller Daten verifiziert und somit einige Modellparameter angepasst. Die aktuelle Version des Codes zeigt eine hervorragende Übereinstimmung mit den experimentellen Daten. Zusätzlich zu den Berechnungen der Stopping Power Ratios , wurde der Einfluss der Fragmente und I-Werte auf für Kohlenstoff-Ionenstrahlen untersucht. Für eine Energie von 50MeV/u weicht um bis zu 2.3% im Bereich des Bragg-Peaks vom durch TRS-398 empfohlenen Wert von 1.130 ab.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Jäkel, Prof. Oliver
Date of thesis defense: 26. July 2006
Date Deposited: 31. Jul 2006 11:04
Date: 2006
Faculties / Institutes: Service facilities > German Cancer Research Center (DKFZ)
Subjects: 530 Physics
Controlled Keywords: Monte Carlo, Dosimetrie
Uncontrolled Keywords: Stopping-Power Ratio
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