FLUKA 몬테카를로 시뮬레이션을 이용한 장기사용 선형가속기의 해체 구성품별 방사화특성에 대한 연구
- Alternative Title
- A Study on the Radiation Characteristics of Long-Term Linear Accelerators by Decommissioning Components Using FLUKA Monte Carlo Simulation
- Abstract
- In past decades, radiation treatment equipment has been developed, because radiation is widely used for providing important clinical information in diagnosis and treatment. Among the various radiological equipment, linear accelerators have been widely applied to treat cancer by using their high-energy X-ray in the human body. However, these processes can provoke several problems in that the neutrons can be generated by the photonuclear reactions when the high-energy X-ray was utilized over a certain value. In the linear accelerators, the residual nuclide and isomer can be generated by a mutual reaction between the neutrons and inner components of the linear accelerator. For these reasons, the currently used linear accelerator is estimated to behave with high activation. Also, the radiation generated from residual nuclide and isomer can cause radioactivity exposure to patients and radiation workers, during maintenance and repair of a linear accelerator. Nevertheless, the generated residual nuclide and isomer are difficult to detect during the operation because they exist inside linear accelerators. To ensure the radiation safety of workers, prediction and analysis of radionuclide are necessary before equipment is dismantled.
In this study, the radiation characteristics emitted from each component were studied to dismantle the aging linear accelerator. The components of the head part emitting radioactivity in the linear accelerator was calculated using the FLUKA(FLUktuierende KAskade) Monte Carlo simulation. In addition, the actual measurement and simulation data were compared through PDD(Percent Depth Dose) measurement was performed. At this time, simulation data of PDD value was calculated by using the absorbed dose value of the USRBIN card.
As the 10 MV photon rays were used in linear accelerators, the difference of actual measurements and simulation results was 2.5% at Dmax points. Under 15 MeV electron beam incident, the difference was gauged to be 0.67%. These results show consistency for the source term. The total radioactivity at after shutdown was 1.88E+15㏃/㎤ and 3.05E+15㏃/㎤ under 10 MV photon and 15 MeV electron beams, respectively. As the energy of the activated electron beam was higher that photon beam, the photonuclear reaction and radiation were more occurring by neutrons. The estimated exposure dose of the radiation worker was calculated for each component, by using RESARD-build. The calculation was performed as the dismantle process was done after operation of the linear accelerator. Exposure doses were expected to be 18.33 mSv/h at target, 4.21 mSv/h at primary collimator, 2.00E-04 mSv/h at flattening filter, 0.23 mSv/h at jaw, and 0.78 mSv/h at MLC under the conditions of photon beam 10 MV. Exposure doses were calculated to be 0.07 mSv/h in the primary collimator, 7.08 mSv/h in the jaw, and 16.63 mSv/h in MLC under the conditions of electron beam 15 MeV. These values are exposure doses equivalent to the average dose limit for 1 year when working for 1 hour, so special attention is required during work. The analysis of radionuclides indicates that the disposal process is recommended to perform after cooling time of short half-life radionuclides, such as W-187, Re-188, Cu-64, Ni-65, and Ni-57.
The radionuclides except short half-life radionuclides exist in the components even after 10 years cooling, which radiation level exceeds the allowed concentration and low-level radioactive waste disposal conditions. Thus, the disposal process of the components have to be proceeded in accordance with the medium level radioactive waste. In conclusion, this study can be used as fundamental data to minimize the radiation exposure of workers when disassembling the linear accelerator.
- Issued Date
- 2023
- Awarded Date
- 2023-02
- Type
- Dissertation
- Keyword
- 선형가속기, 방사화, 몬테카를로시뮬레이션, FLUKA
- Publisher
- 부경대학교
- Alternative Author(s)
- Oh Chang Woo
- Affiliation
- 부경대학교 대학원
- Department
- 대학원 인공지능융합학과
- Advisor
- 양현경
- Table Of Contents
- 1. 서론 1
2. 배경이론 3
2.1 선형가속기 3
2.1.1 가속원리 4
2.1.2 선형가속기 헤드부 구성 5
2.1.2.1 Target 6
2.1.2.2 Collimator 7
2.1.2.3 Flattening Filter 9
2.1.2.4 Scattering Foil 10
2.1.2.5 Ion Chamber 11
2.1.2.6 Applicator 13
2.2 광핵반응 및 광중성자 14
2.2.1 광핵반응 14
2.2.2 광중성자 18
2.3 중성자와 물질과의 상호작용 20
2.3.1 중성자의 종류 20
2.3.2 탄성산란 및 비탄성산란 21
2.3.3 중성자 포획 23
2.3.4 핵변환 및 핵분열 24
2.3.5 중성자에 의한 방사화 25
2.4 몬테카를로 시뮬레이션 27
2.4.1 MCNP(Monte Carlo N-Particle Transport Code) 28
2.4.2 FLUKA(FLUktuierende KAskade) 30
2.4.3 RESRAD-build 31
2.5 방사선 안전관리 32
2.5.1 방사선방호 목표 32
2.5.2 방사선방호 기본원칙 33
2.5.3 방사선방호 안전규제 34
3. 실험방법 35
3.1 몬테카를로 시뮬레이션을 이용한 선형가속기 모의모사 35
3.2 선원항의 평가 40
3.3 광자 플루언스 및 선속맵 평가 42
3.4 중성자 플루언스 및 선속맵 평가 43
3.5 가속기 해체 시 헤드부 구성품별 방사화 평가 43
3.6 가속기 해체 시 작업종사자의 피폭선량 평가 44
4. 실험결과 및 고찰 45
4.1 10 MV 광자선 모의실험 45
4.1.1 모의실험 선원항의 평가 45
4.1.2 광자 플루언스 및 선속맵 평가 48
4.1.2.1 Target의 광자 플루언스 48
4.1.2.2 Target Holder의 광자 플루언스 49
4.1.2.3 Primary Collimator의 광자 플루언스 50
4.1.2.4 Flattening Filter의 광자 플루언스 51
4.1.2.5 Jaw의 광자 플루언스 52
4.1.2.6 MLC의 광자 플루언스 53
4.1.2.7 구성품 전체의 광자 플루언스 54
4.1.3 중성자 플루언스 및 선속맵 평가 56
4.1.3.1 Target의 중성자 플루언스 56
4.1.3.2 Target Holder의 중성자 플루언스 57
4.1.3.3 Primary Collimator의 중성자 플루언스 58
4.1.3.4 Flattening Filter의 중성자 플루언스 59
4.1.3.5 Jaw의 중성자 플루언스 60
4.1.3.6 MLC의 중성자 플루언스 61
4.1.3.7 구성품 전체의 중성자 플루언스 62
4.1.4 장기사용에 따른 가동종료 직후 구성품의 방사화 평가 64
4.1.4.1 Target에 대한 방사화 평가 64
4.1.4.2 Target Holder에 대한 방사화 평가 65
4.1.4.3 Primary Collimator에 대한 방사화 평가 66
4.1.4.4 Flattening Filter에 대한 방사화 평가 67
4.1.4.5 Jaw에 대한 방사화 평가 68
4.1.4.6 MLC에 대한 방사화 평가 69
4.1.4.7 가동종료 직후 총 방사화 평가 70
4.1.5 장기사용에 따른 냉각시간 경과 후 구성품의 방사화 평가 72
4.1.5.1 Target의 방사능 변화 72
4.1.5.2 Target Holder의 방사능 변화 73
4.1.5.3 Primary Collimator의 방사능 변화 75
4.1.5.4 Flattening Filter의 방사능 변화 77
4.1.5.5 Jaw의 방사능 변화 78
4.1.5.6 MLC의 방사능 변화 80
4.1.6 냉각시간에 따른 구성품의 총 방사능 변화 82
4.1.7 RESRAD를 이용한 작업자의 피폭선량 계산 84
4.2 15 MeV 전자선 모의실험 92
4.2.1 모의실험 선원항의 평가 92
4.2.2 광자 플루언스 및 선속맵 평가 95
4.2.2.1 Primary Collimator의 광자 플루언스 95
4.2.2.2 Scattering Foil 1의 광자 플루언스 96
4.2.2.3 Scattering Foil 2의 광자 플루언스 97
4.2.2.4 Jaw의 광자 플루언스 98
4.2.2.5 MLC의 광자 플루언스 99
4.2.2.6 Applicator의 광자 플루언스 100
4.2.2.7 구성품 전체의 광자 플루언스 102
4.2.3 중성자 플루언스 및 선속맵 평가 104
4.2.3.1 Primary Collimator의 중성자 플루언스 104
4.2.3.2 Scattering Foil 1의 중성자 플루언스 105
4.2.3.3 Scattering Foil 2의 중성자 플루언스 106
4.2.3.4 Jaw의 중성자 플루언스 107
4.2.3.5 MLC의 중성자 플루언스 108
4.2.3.6 Applicator의 중성자 플루언스 109
4.2.3.7 구성품 전체의 중성자 플루언스 111
4.2.4 장기사용에 따른 가동종료 직후 구성품의 방사화 평가 113
4.2.4.1 Primary Collimator에 대한 방사화 평가 113
4.2.4.2 Scattering Foil에 대한 방사화 평가 114
4.2.4.3 Jaw에 대한 방사화 평가 115
4.2.4.4 MLC에 대한 방사화 평가 116
4.2.4.5 Applicator에 대한 방사화 평가 117
4.2.4.6 가동종료 직후 총 방사화 평가 119
4.2.5 장기사용에 따른 냉각시간 경과 후 구성품의 방사화 평가 121
4.2.5.1 Primary Collimator의 방사능 변화 121
4.2.5.2 Scattering Foil의 방사능 변화 122
4.2.5.3 Jaw의 방사능 변화 124
4.2.5.4 MLC의 방사능 변화 126
4.2.5.5 Applicator의 방사능 변화 128
4.2.6 냉각시간에 따른 구성품의 총 방사능 변화 130
4.2.7 RESRAD를 이용한 작업자의 피폭선량 계산 132
4.3 광자선과 전자선의 모의실험 결과 비교 137
5. 결론 138
참고문헌 142
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