<< Volver atrás

Tesis:

Análisis y diseño de sistemas de dosimetría y espectrometría neutrónica ambiental para instalaciones médicas de hadronterapia

  • Autor: GARCÍA BAONZA, Roberto

  • Título: Análisis y diseño de sistemas de dosimetría y espectrometría neutrónica ambiental para instalaciones médicas de hadronterapia

  • Fecha: 2023

  • Materia:

  • Escuela: E.T.S. DE INGENIEROS INDUSTRIALES

  • Departamentos: INGENIERIA ENERGETICA

  • Acceso electrónico: https://oa.upm.es/76493/

  • Director/a 1º: GALLEGO DÍAZ, Eduardo F.

  • Resumen: El desarrollo de tratamientos de hadronterapia más precisos y potentes, como la protonterapia o la terapia con iones de 12C, requiere del empleo de aceleradores de partículas para el tratamiento oncológico de pacientes. Estos tratamientos permiten una mayor focalización de la dosis de radiación en las zonas tumorales, minimizando las dosis sobre los tejidos sanos circundantes. Por tanto, estos tratamientos tienen importantes ventajas sobre la radioterapia convencional, por ejemplo, para el tratamiento oncológico de pacientes pediátricos o para el tratamiento de tumores oculares y cerebrales. En un contexto de avances internacionales contra el cáncer, en España ya han entrado en operación los dos primeros centros de protonterapia (2019 y 2020), a fin de satisfacer necesidades nacionales e internacionales. La protonterapia es una tecnología cada vez más presente en los países del primer mundo, habiéndose desarrollado importantes proyectos en Europa en los últimos años, como el Centro Nazionale di Adronterapia Oncologica (Italia) o el EBG GmbH MedAustron (Austria). Como consecuencia del alto nivel de desarrollo tecnológico requerido para la implantación de estas instalaciones de vanguardia, y los altos niveles de radiación presentes en ellas, importantes instituciones han colaborado y prestado tecnología para la implementación de la protonterapia. Algunas de estas importantes instituciones son la European Organization for Nuclear Research o el Istituto Nazionale di Fisica Nucleare. La principal radiación secundaria en instalaciones de protonterapia, en términos de protección radiológica, es la radiación neutrónica dispersa consecuencia de las diferentes reacciones nucleares que se pueden dar en estas instalaciones. Principalmente, esta radiación secundaria es consecuencia de las reacciones (p,Xn) que ocurren en los diferentes materiales que componen los sistemas de la instalación y en los pacientes. En instalaciones convencionales de radioterapia, esta contaminación radiológica consecuencia de la radiación neutrónica dispersa es también relevante, si bien los neutrones alcanzan menores energías que en protonterapia. La dosis ambiental equivalente consecuencia de la radiación neutrónica es altamente variable en función de la energía de los neutrones, tal y como es reportado por la Comisión Internacional de Protección Radiológica. Como consecuencia de la alta variabilidad anteriormente indicada, el diseño, implementación y uso de sistemas confiables de monitorización de neutrones es necesario en instalaciones radiactivas y nucleares con radiación neutrónica. Estos sistemas cobran especial relevancia en instalaciones con neutrones de altas energías, como los centros de protonterapia y algunas otras instalaciones de hadronterapia (terapias con iones). Esto es consecuencia de los elevados valores que toma la función de conversión de fluencia a equivalente de dosis ambiental para algunas energías de neutrones rápidos, y a la falta en algunas ocasiones de monitores de área de neutrones que puedan detectar y estimar de forma fiable la dosis neutrónica ambiental existente. A esto se debe de añadir que pacientes oncológicos, además del personal de las instalaciones, pueden estar afectados por estos campos de neutrones. Para este tipo de instalaciones, el uso conjunto de monitores de radiación convencionales y de rango extendido es necesario a fin de asegurar todas las funciones de protección radiológica operacional de las instalaciones. Esta tesis doctoral tiene como objetivo abordar la problemática anteriormente indicada. De forma transversal, también se pretenden mejorar y expandir los conocimientos actuales a nivel internacional sobre la instrumentación destinada a la medida radiológica ambiental de neutrones en estas instalaciones, tanto desde un punto de vista teórico como operacional. Para tal propósito, y para abordar la problemática de una forma holística, esta tesis doctoral ha tenido dos vías de trabajo principal en el análisis y diseño de nuevos sistemas: espectrometría y monitorización de área. En espectrometría neutrónica, en este trabajo se ha diseñado, construido, testado y puesto a punto un nuevo sistema de esferas de Bonner de rango extendido para su aplicación en instalaciones de protonterapia y otras instalaciones con campos neutrónicos de altas energías. Para ello, se ha modificado de forma optimizada el sistema convencional de esferas de Bonner de la Universidad Politécnica de Madrid y se han testado diferentes códigos de deconvolución de espectros de neutrones, para su aplicación en el mencionado sistema de espectrometría. En monitorización de área, en este trabajo se han caracterizado y analizado diferentes monitores comerciales para su aplicación en protonterapia. Esto ha permitido estimar las necesidades del mercado y la tecnología, y diseñar en esta tesis doctoral un nuevo monitor de área pasivo multi-rango (configuración flexible); el cual ya ha sido construido y caracterizado computacionalmente de forma completa. La función de respuesta a dosis de este monitor ha sido comparada con la de diferentes monitores convencionales y de rango extendido actualmente operativos, presentando buenas características y ventajas en algunos aspectos operacionales. De forma transversal, en esta tesis doctoral se han identificado, y cuantificado para algunos equipos, las fuentes de incertidumbres más relevantes en la caracterización computacional de sistemas de detección de neutrones de rango extendido: librerías de datos nucleares y modelos físicos. Esto ha permitido determinar las zonas más importantes de trabajo futuro para la mejora de la simulación de dichos equipos. Adicionalmente, se ha colaborado en la realización de trabajos promovidos y liderados por otros investigadores, a fin de complementar las actividades propias de esta tesis. Entre estas actividades caben destacar aquellas relacionadas con la participación en el desarrollo de nuevos códigos de deconvolución de espectros neutrónicos, las cuales fueron lideradas por el Centro de Desenvolvimento da Tecnologia Nuclear (Brasil). Como conclusión, este trabajo ha permitido dar un paso tecnológico en la protección radiológica operacional en instalaciones de protonterapia. En el mismo, se han diseñado y construido nuevos sistemas de espectrometría y monitorización de área de neutrones de rango extendido. En las fases de diseño de estos equipos, diferentes fuentes de incertidumbre han sido identificadas en el proceso de caracterización computacional de los equipos. Por último, se ha encontrado que algunos de los desarrollos e ideas analizadas pueden ser empleadas en la protección radiológica operacional de otras instalaciones radiactivas, principalmente aquellas relacionadas con la fusión nuclear. ABSTRACT The development of more precise and powerful hadron therapy treatments, such as proton and 12C ion therapies, requires the use of particle accelerators for the cancer treatment of patients. These treatments allow a pinpoint localisation of the radioactive dose in the tumoral areas, minimizing the doses over the healthy surrounding tissues. Therefore, these treatments have important advantages with respect to the conventional radiotherapy, for example for the cancer treatment of kids or for ocular and brain tumours. In an international context with important advances against cancer, in Spain are already in operational phase the two first proton therapy facilities (2019 and 2020), to give solutions to national and international demands. Proton therapy is each day a more common technology in the first world countries, and several relevant projects have been developed in Europe in the last years, such as Centro Nazionale di Adronterapia Oncologica (Italy) or EBG GmbH MedAustron (Austria). The large technological levels needed to develop these forefront facilities, and the high radiation levels within them, have promoted the participation of significant institutions in the implementation of this technology, even transferring technology. Some of the most important institutions involved in these projects are the European Organization for Nuclear Research or Istituto Nazionale di Fisica Nucleare. The main secondary radiation in proton therapy facilities, from the radiological protection point of view, is the stray neutron radiation generated as a consequence of the large number of nuclear interactions in these facilities. This secondary radiation is mainly a consequence of the (p,Xn) nuclear reactions in the materials of the facility systems and in the patients. In conventional radiotherapy facilities, the radiological contamination due to stray neutron radiation is also relevant, but neutrons have lower energies than in proton therapy. The ambient dose equivalent associated to neutron radiation has a large variability with neutron energy, such as is reported by the International Commission of Radiological Protection. Due to the large variability aforementioned, the design, implementation and operation of reliable neutron monitoring systems is mandatory in radioactive and nuclear facilities with neutron radiation. These systems are especially important in facilities with high energy neutrons, such as proton therapy centers and some other hadron therapy facilities (ions therapies). This is because of the high values taken by the neutron fluence to ambient dose equivalent conversion function for some energies of fast neutrons, and the lack in some cases of reliable neutron area monitors that can detect and provide a good ambient dose estimation. In addition, it must be considered that the oncological patients and facilities staff can be affected by these neutron fields. For these facilities, the combined use of conventional and extended-range neutron monitors is needed to assure all the operational radiological protection functions in the facilities. The objective this doctoral dissertation is to tackle the aforementioned issue. Transversally, in the scope of this work is also to improve and expand the current international knowledges about the neutron instrumentation for the radiological control of these facilities, from a theoretical and operational point of view. To this aim, and to tackle the issues from a holistic approach, this doctoral thesis has had two main working areas in the analysis and design of new systems: spectrometry and area monitoring. In neutron spectrometry, in this work a new extended-range Bonner spheres spectrometry system has been designed, built, tested and honed for its application in proton therapy facilities, and other facilities with high energy neutron fields. To this end, the conventional Bonner spheres system of Universidad Politécnica de Madrid has been modified in an optimized way, and different unfolding codes have been tested for its application in this new spectrometry system. In area monitoring, a set of commercial-off-the-shelf monitors has been characterized and analysed in this work, for its application in proton therapy. This action has allowed identifying the market monitoring and technological needs, and designing, in the scope of this doctoral dissertation, a new multi-range passive neutron area monitor, which has already been built and fully characterized by computational methods. The dose response function of this monitor has been compared with those of some commercial conventional and extended-range monitors, presenting good characteristics and advantages in some operational aspects. Transversally, in this doctoral thesis the most relevant uncertainty sources for the computational characterization of extended-range neutron detection systems have been identified and quantified for some devices: nuclear data libraries and physics models. This action has allowed identifying the most important areas of future work, for the improvement of the simulation of these devices. Moreover, several collaborations for the development of works promoted and leaded by other researchers have been carried out, to complement the own activities of this thesis. Between these activities can be highlighted those related to the participation in the development of some new neutron unfolding codes, which were leaded by Centro de Desenvolvimento da Tecnologia Nuclear (Brazil). In conclusion, this work has allowed giving a technological step in the operational radiological protection of proton therapy facilities. In this work, new extended-range neutron spectrometry and area monitoring systems have been designed and built. In the design phases of these systems, several discrepancy sources have been identified in the computational characterization process of the systems. Finally, it has been found that some of the analysed ideas and developments can be used in the operational radiological protection of other radioactive facilities, such as those related with nuclear fusion.