Quantitative Bewertung der Verwendung von VeriShield®-Abschirmungsmodulen zur Lösung des Problems der Stilllegung von Protonentherapieanlagen
Quantitative Bewertung
Abteilung für Physik der Strahlenabschirmung und des Strahlenschutzes
Veritas Medical Solutions, Harleysville, PA USA
www.veritas-medicalsolutions.com
von El Hassane Bentefour, PhD.
Direktor für Physik
hassane.bentefour@veritasmedicalsolutions.com
Robert J. Farrell
CEO
Einleitung
Die Stilllegung einer Protonentherapieanlage ist aufgrund der neutroneninduzierten Aktivierung der Abschirmung, Struktur und Ausrüstung der Anlage eine Herausforderung. Die Aktivierung wird durch eine Reihe von Kernreaktionen verursacht, die radioaktive Isotope mit Halbwertszeiten von Stunden bis zu vielen Jahren erzeugen. Langlebige Isotope wie 152Eu, 133Ba, 134Cs, 60Cound 22Na, die häufig in Beton vorkommen, sind besonders problematisch, da sie nicht nur eine lange Halbwertszeit haben, sondern auch einen sehr niedrigen Freigabeindex (CI) benötigen, um als nichtnuklearer Abfall eingestuft zu werden.
ZIEL
Überprüfung der Neutronenabschirmungs-Dämpfungseigenschaften von VeriShield, einem hochdichten, technischen Abschirmungsmaterial. Anschließend soll das Ausmaß der Neutronenaktivierung für diese Module untersucht werden, wenn sie mit unterschiedlichen Anteilen von Zement hergestellt werden, der auf nur 2 % reduziert ist.
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METHODEN
Überprüfung der VeriShield® Neutronendämpfung:
Wir haben mehr als ein halbes Dutzend verschiedener Veritas-Abschirmungsmaterialien untersucht, wobei ein dünnes Kupfertarget als Neutronenquelle diente und mit 230 MeV-Protonen beschossen wurde. Ein WENDI-Neutronendetektor, der im Integrationsmodus betrieben wurde, war von fünf Seiten durch eine speziell konstruierte, abgeschirmte Höhle abgeschirmt, wobei eine Seite offen war, um die Neutronen aus der Quelle in einem bestimmten Winkel zu detektieren, während sie den Abschirmungsstapel durchquerten. Einige der in der Studie untersuchten Materialien enthielten sowohl Elemente mit hoher Dichte als auch spezielle Zusätze, die ihre Abschwächungseffizienz erhöhen sollten.
Umgang mit dem Problem der Neutronenaktivierung bei der Protonentherapie:
Um das Problem der Neutronenaktivierung bei der Protonentherapie zu minimieren, haben wir mit zwei Ansätzen experimentiert:
(i) Entwicklung einer neuen Generation von VeriShield, die einen niedrigen Zementgehalt
und alternative Bindemittel verwendet.
(ii) Erforschung der praktischen Anwendbarkeit des Opferschichtkonzepts des Unternehmens, um
die Langlebigkeit von Protonentherapieanlagen zu erhöhen.
Abbildung 1: (a) Skizze des Versuchsaufbaus, (b) Signatur des klinischen Protonenstrahls auf einem Kupfertarget, (c) Neutronendetektor, der an den Wänden des Gewölbes gegen abprallende Neutronen abgeschirmt ist, (d) typische Struktur der VeriShield-Barriere.
ERGEBNISSE
VeriShield-Abschirmung im Vergleich zu Beton
Die experimentellen Ergebnisse, unterstützt durch Monte-Carlo-Berechnungen, wie in den Abbildungen 2a, 2b, 2c und 2d dargestellt, zeigen, dass die VeriShield-Barriere im Vergleich zu Beton eine höhere kumulative Abschirmungseffizienz aufweist. Diese kumulative Effizienz nimmt zusammen mit der Abschirmtiefe zu, wenn die Energie des Protonenstrahls (d. h. die Neutronenenergie) steigt. Aus Abbildung 2d geht hervor, dass man für einen klinischen Protonenstrahl von 230 MeV 6,4 Fuß VeriShield® V300 benötigt, um die Neutronendosis auf 0,01% zu reduzieren, verglichen mit 10,7 Fuß Beton. Dies bedeutet eine Einsparung von etwa 40 % des Raums, der bei Verwendung von Massenbeton für die Abschirmung erforderlich wäre.
VeriShield und Neutronenaktivierung
Es wurde eine neue Generation von VeriShield entwickelt, die ein alternatives Bindemittel mit einem minimalen Zementgehalt von nur 3 % (77 % weniger als im derzeitigen VeriShield) verwendet. Abb. 3a zeigt einige Proben mit einem Zementgehalt von 5 % bis hin zu 0 %. Mit diesen neuen Modulen wird das Problem der Langzeitaktivierung erheblich verringert, da Elemente mit langer Halbwertszeit wie 152Eu, 133Ba, 134Cs, 60Cound 22Napraktisch nicht mehr vorhanden sind.
Es wurden Monte-Carlo-Aktivierungsstudien an VeriShield-Modulen und Beton durchgeführt. Die vorläufigen Ergebnisse (Abb. 3b) zeigen eine ähnliche Neutronenaktivierung wie bei Beton, jedoch mit zwei Vorteilen:
-Das derzeitige VeriShield hat den Vorteil, dass es als Opferschicht verwendet werden kann, da es sich um einen trockenen Aufbau handelt, der es ermöglicht, Barrieren selektiv zu entfernen und zu ersetzen.
-Das neue VeriShield-Modul verspricht eine geringere langfristige Aktivierung. Weitere Studien sind gerechtfertigt.
SCHLUSSFOLGERUNGEN
Die quantitative Bewertung von VeriShield ist ein Mittel, um bei der Planung einer Protonentherapieanlage Platz und Zeit zu sparen, da es einen höheren Grad an Abschirmungseffizienz gegen Neutronen bietet. Im Gegensatz zu Massenbeton ermöglicht er ein besseres Management der Neutronenaktivierung, da er als abschirmende Opferschicht verwendet werden kann. Eine neue Generation von VeriShield, bei der ein anderes Bindemittel als Zement verwendet wird, dürfte die tatsächliche Leistung und die Eignung für die Protonentherapie verbessern.
REFERENZEN
1. Experimentelle Daten aus dem Veritas-MIT VeriShield®-Testbericht, V. Nazaryan et al. Unveröffentlicht.
2. Tomaž Žagar, Matjaž Ravnik, "MEASUREMENT OF NEUTRON ACTIVATION IN CONCRETE SAMPLES". Int. Konferenz, Kernenergie in Mitteleuropa 2000