Response of dosimetric devices to proton beams

Abstract

In this thesis, the physical models implemented in the general-purpose Monte Carlo codes PENH, FLUKA, and TOPAS are validated. To achieve this, a concise review of the theoretical framework describing proton interactions with matter is presented. This is followed by a detailed comparison with experimental available data. The validation process includes two main aspects: firstly, the multiple Coulomb scattering algorithms is checked. Secondly, both nuclear reactions and nuclear elastic scattering are reviewed. Following the validation of the Monte Carlo codes used in this thesis, the optimal tracking parameters for PENH are determined, while those proposed in the scientific literature for FLUKA and TOPAS are reviewed. To identify the optimal set of parameters, the Fano test is implemented. Additionally, a novel approach to estimate the effects of nuclear reactions using the Fano test is applied to the considered Monte Carlo codes. After establishing the optimal tracking parameters, the calibration factor kQ,Q0 and the perturbation factors pQ are determined for the CRGR10/C5B/UG2 ionization chamber, which was selected due to its availability for future experimental measurements. Finally, a Monte Carlo model is developed to estimate the response of an in vivo dosimeter for proton therapy. The BPW34S photodiode is chosen for this purpose because of its favourable response to photon radiation. The Monte Carlo model is subsequently tested using experimental data from a clinical photon source. Once validated, this Monte Carlo model is used to investigate the feasibility of in vivo dosimeters in proton therapy, including the characterization of the BPW34S photodiode with respect to energy and angular dependence.

En esta tesis se validan algunos de los modelos físicos implementados en los códigos Monte Carlo de propósito general PENH, FLUKA y TOPAS. Para ello, se presenta una revisión concisa del marco teórico que describe las interacciones de los protones con la materia. A continuación, se realiza una comparación detallada con los datos experimentales disponibles. El proceso de validación incluye dos aspectos principales: en primer lugar, la comprobación de los algoritmos de dispersión múltiple de Coulomb. En segundo lugar, se revisan tanto la implementacion de las reacciones nucleares como de la dispersión elástica nuclear. Tras la validación de los códigos Monte Carlo utilizados en esta tesis, se determinan los parámetros óptimos de tracking para PENH, mientras que se revisan los propuestos en la literatura científica para FLUKA y TOPAS. Para identificar el conjunto óptimo de parámetros, se implementa el test de Fano. Además, se aplica a los códigos Monte Carlo considerados un enfoque novedoso para estimar los efectos de las reacciones nucleares utilizando la prueba de Fano. Tras establecer los parámetros óptimos de seguimiento, se determinan el factor de calibración kQ,Q0 y los factores de perturbación pQ para la cámara de ionización CRGR10-C5B-UG2, seleccionada por su disponibilidad para futuras medidas experimentales. Finalmente, se desarrolla un modelo Monte Carlo para estimar la respuesta de un dosímetro in vivo para terapia de protones. Para ello se elige el fotodiodo BPW34S por su favorable respuesta en el caso de fotones. Posteriormente, el modelo Monte Carlo se compara con datos experimentales que han sido obtenidos con una fuente de fotones de 6 MV de un acelerador lineal de uso clínico. Una vez realizado este estudio preliminar, este modelo Monte Carlo se utiliza para investigar la viabilidad de los dosímetros in vivo en la terapia de protones, incluyendo la caracterización de la respuesta del fotodiodo BPW34S con respecto a la energía del haz de protones, así como la dependencia angular.