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문제 정의
- 그러나 Prasad 등1)이 발표한 연구에 따르면 보면 동일에너지에서 조사야 변화에 따른 선량감약율이 물질별 차이에서는 거의 일어나지 않는 것으로 나타난다. 이에 본 연구는 전자선 차폐물질로 이용 가능한 알루미늄, 구리, 그리고 납 등의 다양한 원자번호 물질을 이용하여 원자번호와 조사야 크기에 따른 선량변화와 그 영향인자를 비교 분석하고자 한다.
제안 방법
- Table 2는 몬테칼로 시뮬레이션을 이용하여 물질별 조사야 10×10 cm2에서의 허용투과율 5% 두께를 기준으로 조사야 변화에 따른 광자수(photon flux), 전자수(electron flux) 그리고 축적에너지(energy deposition)를 계산한 값으로 폴리스티렌 팬텀 표면에 검출기를 모사한 후 표면간 거리를 100 cm으로 하였다.
- 다음으로 물질별로 조사야 10×10 cm2에서 허용투과율 5% 두께의 차폐물 기준으로 조사야 6×6과 20×20 cm2에 적용하여 F4 tally로 광자와 전자의 수를 계산하여 비교하였다.
- 다음으로 선원-전리함 표면 간격 100 cm에서 두께 0.1 mm, 0.2 mm, 0.3 mm이며 직경 25×25 cm2인 차폐물질을 6×6, 10×10 그리고 20×20 cm2의 조사야별로 팬텀표면위에 올려 측정한 후 허용투과율 5% 되는 지점의 두께를 기록하였다(Table 1).
- 다음으로 조사야 증가에 따른 차폐물질별 상대이온변화량을 측정과 계산으로 알아보았다. 측정으로 이온증가율은 납 물질에서 Prasad 등2)의 결과와 동일하게 조사야 증가에 비례하게 나타났으나 알루미늄과 구리에서 감소현상이 나타났다.
- 또한 측정에 사용된 평행평판형 전리함(Exradin P11)의 구성에서 표면창-수집기 간격이 2.0 mm인 점을 고려하여 계산하였다. 먼저 차폐물 없이 기준 깊이에 따른 선량값을 *F6 tally를 사용하여 계산하고 측정치와 비교하였다.
- 먼저 선형가속기(Clinac IX, Varian, USA)에서 발생된 6 MeV 에너지 전자선을 이용하여 선원-전리함 표면 간격 100 cm, 조사야 6×6, 10×10 그리고 20×20 cm2의 깊이선량률(Percentage depth dose; PDD)을 측정하였다.
- LANL (Los Alamos National Laboratory)에서 개발한 MCNP (Monte Carlo N Particle Transport Code)는 방사선 수송해석의 표준코드로 알려져 왔다. 선형가속기 헤드 구형은 Zanini 등10)의 기록을 참조하고 전자선 모드에 맞게 고려하여 표적 위치를 기준(Z=0.0 cm)으로 일차제한기(Low surface: Z=7.6 cm), 산란박(Low surface: Z=12.7 cm), 이차제한기(Y jaw Low surface: Z=35.8 cm, X jaw Low sur-face: Z=44.7 cm), 그리고 치료용 콘(Low surface: Z=94.9 cm)을 모델화 하였다(Fig. 1).
- 전자선 조사야 증가에 따른 선량변화가 차폐물질의 종류에 따라 다르게 나타남을 증명하고 영향을 주는 인자를 알아보았다.
- 3 mm이며 직경 25×25 cm2인 차폐물질을 6×6, 10×10 그리고 20×20 cm2의 조사야별로 팬텀표면위에 올려 측정한 후 허용투과율 5% 되는 지점의 두께를 기록하였다(Table 1). 측정은 Prasad 등2)의 연구를 참고하여 조사야 변화에 따른 선량차이가 크게 나타나는 표면에서 하였으며, 100 cGy를 조사하였다. 차폐물질은 13.
대상 데이터
- 계산에 사용된 히스토리는 조사야별 깊이선량률(PDD)에서 3×106개, 허용투과율 5% 두께의 차폐물 사용 계산에는 5×106개를 사용하였다.
- 전리함은 창의 두께 1 mm, 직경 20 mm인 평행평판형 전리함(Exradin P11)을 사용하였으며, 25×25 cm2의 폴리스티렌(Polystyrene) 팬텀 표면에 고르게 하여 끼워 넣은 후 중심선속에 위치시켰다.
- 차폐물질은 13.2℃ 이상에서만 사용해야하는 주석1,7)을 제외한 알루미늄, 구리, 그리고 납판을 사용하였다.
데이터처리
- 0 mm인 점을 고려하여 계산하였다. 먼저 차폐물 없이 기준 깊이에 따른 선량값을 *F6 tally를 사용하여 계산하고 측정치와 비교하였다. 다음으로 물질별로 조사야 10×10 cm2에서 허용투과율 5% 두께의 차폐물 기준으로 조사야 6×6과 20×20 cm2에 적용하여 F4 tally로 광자와 전자의 수를 계산하여 비교하였다.
이론/모형
- 이에 몬테칼로 계산을 이용한 연구는 입자들의 형태를 분리 계산함으로 측정의 복잡성을 다소 해결해 줄 수 있다.8) 본 계산에 사용된 코드는 광자-중성자-전자를 연계하여 수송할 수 있는 MCNPX (Ver.2.5.0)9)이용하였다. LANL (Los Alamos National Laboratory)에서 개발한 MCNP (Monte Carlo N Particle Transport Code)는 방사선 수송해석의 표준코드로 알려져 왔다.
- 마지막으로 MCNP (Monte Carlo N Particle Transport Code) 코드를 사용하여 물질에 따른 변화요인을 알아보았다. 중심선속 안에 물질이 없는 경우 조사야별 인자를 보면 조사야 6×6 cm2, 10×10 cm2와 이차 콜리메이터가 다른 조사야 20×20 cm2에서는 조사야 크기에 비례하여 광자 발생 비율이 높았으나 축적에너지는 증가 비율이 일정하여 조사야 변화만으로 발생되는 광자가 선량증가에 큰 영향을 미치지 않는다는 것을 보여주고 있다.
성능/효과
- Fig. 2와 Fig. 3은 측정과 시뮬레이션 값의 일치성을 비교한 것으로 깊이 6 mm 구간의 4.2%를 제외한 대부분의 깊이선량률(Percent depth dose)은 ±2% 이내를 보여주고 있어 비교적 정확하였다.
- 그러나 중심선속 안에 차폐물질 삽입 시 물질 종류에 따라 각각의 변화가 발생하였으며, 실험에 사용한 물질 중 가장 원자번호가 낮은 알루미늄의 경우 동일한 이차 콜리메이터를 가지는 조사야 6×6 cm2, 10×10 cm2에서는 전자 발생이 적은 반면 광자 발생이 증가하여 축적에너지가 증가됨을 볼 수 있었다.
- 이에 두꺼운 저 원자번호 물질에서 많은 산란전자가 방출 되어 높은 선량증가율을 보이고 있음으로 사료된다. 그러므로 본 연구에서는 고 원자번호 물질에 비해 저 원자번호 물질에서 표면 선량 증가율이 높아짐을 확인할 수 있었다. 두 번째로 각 조사야별 차폐물질이 없는 경우와 비교하여 차폐물질이 있는 경우 상대 전자에 영향을 주어 그 두께가 감소한 경우로 물질에 따른 측방산란과 후방산란의 영향16,17)이라고 생각된다.
- 먼저 전리함을 이용한 측정과 몬테칼로를 이용한 계산을 비교한 것으로 깊이 6 mm에서의 단일에너지에 대한 충분한 산란전자가 고려되지 않은 일부구간11)을 제외한 대부분의 깊이선량률(Percent depth dose)은 ±2% 이하이며, R50과 Rp은 ±1 mm 이내로 Chow 등12)과 Karlsson 등13)이 제시한 값과 일치하여 계산의 신뢰성을 입증하였다.
- 본 연구를 통하여 조사야 증가에 따른 차폐물질 두께는 저 원자번호에서는 감소하며, 고 원자번호에서는 증가하지만 산란 변화율이 고 원자번호에서 작으므로 전자선에서의 차폐물질 선정은 납 물질을 사용하는 것이 적당하다고 사료된다.
- 두 번째로 각 조사야별 차폐물질이 없는 경우와 비교하여 차폐물질이 있는 경우 상대 전자에 영향을 주어 그 두께가 감소한 경우로 물질에 따른 측방산란과 후방산란의 영향16,17)이라고 생각된다. 이들을 종합하면 저 원자번호 물질과 상대적으로 두께에 의한 산란전자 및 광자의 발생이 적은 고 원자번호 물질이 조사야 증가에 대한 산란선 영향을 많이 받게 되어 차폐물의 두께가 증가함을 알 수 있었다.
- 측정으로 이온증가율은 납 물질에서 Prasad 등2)의 결과와 동일하게 조사야 증가에 비례하게 나타났으나 알루미늄과 구리에서 감소현상이 나타났다. 이를 분석하기 위해 MCNP (Monte Carlo N Particle Transport Code)로 계산 하였으며, 그 결과 저 원자번호 물질이 고 원자번호 물질보다 산란전자 및 광자의 발생이 다소 높음을 알 수 있었다. 이는 기존 연구들의 산란선발생과 물질원자번호 비례적 관계와 상이한 결과를 보이는 것이지만 다음의 두 가지 원인으로 설명되어 질 수 있다.
- 다음으로 조사야 증가에 따른 차폐물질별 상대이온변화량을 측정과 계산으로 알아보았다. 측정으로 이온증가율은 납 물질에서 Prasad 등2)의 결과와 동일하게 조사야 증가에 비례하게 나타났으나 알루미늄과 구리에서 감소현상이 나타났다. 이를 분석하기 위해 MCNP (Monte Carlo N Particle Transport Code)로 계산 하였으며, 그 결과 저 원자번호 물질이 고 원자번호 물질보다 산란전자 및 광자의 발생이 다소 높음을 알 수 있었다.
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