プロトン療法のためのファラデーカップの詳細なモンテカルロ特性

背景：プロトン療法における超高用量速度の実験は、潜在的な治療の利点に対する関心が高まっています。ファラデーカップ（FC）は、このような超高用量速度ビームの線量測定の重要な検出器です。これまでのところ、FCの最適な設計、または二次荷電粒子からのFCのシールドに対するビーム特性と磁場の影響についてのコンセンサスはありません。 目的：ファラデーカップの詳細なモンテカルロシミュレーションを実行して、検出器の読みを改善するために使用される磁場の関数としてFC応答の効率を変更する一次陽子と二次粒子からのすべての電荷寄与を特定して定量化します。 方法：この論文では、Monte Carlo（MC）アプローチを使用して、Paul Scherrer Institute（PSI）FCを調査し、70、150、および228 MEVおよび0の間の228 MEVおよび磁場のビームエネルギーのシグナルへの荷電粒子の貢献を定量化しました。および25 mt。最後に、MCシミュレーションをPSI FCの応答の測定と比較しました。 結果：最大磁場の場合、PSI FCの効率（プロトンから送達される充電に正規化されたFCの信号）は、最低および最高のビームエネルギーで99.97％から100.22％の間で変化しました。このビームエネルギー依存性は、主に二次帯電した粒子の寄与によって引き起こされることを示しました。これは磁場によって完全に抑制できません。さらに、これらの寄与が持続し、FC効率ビームエネルギーが最大250 MTのフィールドに依存することが実証されており、修正されないとFC測定の精度に避けられない制限をもたらします。特に、これまでのところ、吸収体ブロックの外側表面を介して電子のこれまでに報告されていない損失を特定し、真空窓（VW）（最大数百keV）から排出された二次電子のエネルギー分布を示しています。アブソーバーブロック（最大MEV）。一般に、シミュレーションと測定はよく一致していましたが、990 eV未満の二次電子を生成するための現在のMC計算の制限は、実験データと比較して磁場がない場合に効率シミュレーションに制限をもたらしました。 結論：TopasベースのMCシミュレーションにより、他のFC設計に存在する可能性が高いFC信号へのさまざまな、以前に報告されていない貢献を特定することができました。追加のビームエネルギーに対するPSI FCのビームエネルギー依存性を推定すると、エネルギー依存性補正係数が信号に実装される可能性があります。供給された陽子の数の正確な測定に基づいた用量推定値は、超高用量速度だけでなく、従来の用量速度でも、参照イオン化チャンバーによって決定される用量に挑戦する有効な機器を提供しました。

BACKGROUND: Experiments with ultra-high dose rates in proton therapy are of increasing interest for potential treatment benefits. The Faraday Cup (FC) is an important detector for the dosimetry of such ultra-high dose rate beams. So far, there is no consensus on the optimal design of a FC, or on the influence of beam properties and magnetic fields on shielding of the FC from secondary charged particles. PURPOSE: To perform detailed Monte Carlo simulations of a Faraday cup to identify and quantify all the charge contributions from primary protons and secondary particles that modify the efficiency of the FC response as a function of a magnetic field employed to improve the detector's reading. METHODS: In this paper, a Monte Carlo (MC) approach was used to investigate the Paul Scherrer Institute (PSI) FC and quantify contributions of charged particles to its signal for beam energies of 70, 150, and 228 MeV and magnetic fields between 0 and 25 mT. Finally, we compared our MC simulations to measurements of the response of the PSI FC. RESULTS: For maximum magnetic fields, the efficiency (signal of the FC normalized to charged delivered by protons) of the PSI FC varied between 99.97% and 100.22% for the lowest and highest beam energy. We have shown that this beam energy-dependence is mainly caused by contributions of secondary charged particles, which cannot be fully suppressed by the magnetic field. Additionally, it has been demonstrated that these contributions persist, making the FC efficiency beam energy dependent for fields up to 250 mT, posing inevitable limits on the accuracy of FC measurements if not corrected. In particular, we have identified a so far unreported loss of electrons via the outer surfaces of the absorber block and show the energy distributions of secondary electrons ejected from the vacuum window (VW) (up to several hundred keV), together with electrons ejected from the absorber block (up to several MeV). Even though, in general, simulations and measurements were well in agreement, the limitation of the current MC calculations to produce secondary electrons below 990 eV posed a limit in the efficiency simulations in the absence of a magnetic field as compared to the experimental data. CONCLUSION: TOPAS-based MC simulations allowed to identify various and previously unreported contributions to the FC signal, which are likely to be present in other FC designs. Estimating the beam energy dependence of the PSI FC for additional beam energies could allow for the implementation of an energy-dependent correction factor to the signal. Dose estimates, based on accurate measurements of the number of delivered protons, provided a valid instrument to challenge the dose determined by reference ionization chambers, not only at ultra-high dose rates but also at conventional dose rates.