[논문]몬테카를로 시뮬레이션을 이용한 차폐 및 방사화 계산에서 기하학적 모델링의 차이에 따른 결과 연구

허승욱; 송용근; 조규석; 한무재; 박지군

doi:10.7742/jksr.2017.11.6.429

초록
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방사선의 치료효과 증대를 위해 최근에는 기존의 Photon치료를 대체한 중입자치료가 증가하고 있다. 중입자 치료는 기존 Photon치료 대비 높은 에너지와 거대한 시설로 인해 방사선안전성평가에 더욱 신경을 써야 한다. 이러한 방사선안전성평가는 주로 Monte Carlo simulation을 이용하여 차폐 및 방사화 평가를 수행하는데, 가장 우선적으로 수행해야하는 것은 기하학적 모델링이다. 중입자 치료시설은 가속장치를 싱크로트론을 사용하게 되는데 정확한 기하학적 모델링이 어려워 대부분 간략하게 모델링 한다. 본 연구는 싱크로트론 가속장치의 구성요소 중에서 Dipole magnet을 간략화 한 것과 정밀하게 구현한 것이 방사선안전성 평가에 어떠한 영향을 미치는지 알아보았다. 결과에 의하면 간략하게 구현한 기하학적 모델이 정밀하게 구현된 기하학적 모델보다 과대평과 되는 결과를 얻었다. 따라서 방사선안전성평가는 정밀한 기하하적 모델링이 더욱 신뢰할 수 있는 결과를 얻는다고 판단된다.

Abstract ▼ AI-Helper

In order to increase the therapeutic effect of radiation, there has been an increase in the use of conventional photon therapy. The intensive care unit should pay more attention to the radiation safety evaluation due to the higher energy and the larger facility compared to the existing Photon treatm...

In order to increase the therapeutic effect of radiation, there has been an increase in the use of conventional photon therapy. The intensive care unit should pay more attention to the radiation safety evaluation due to the higher energy and the larger facility compared to the existing Photon treatment. These radiation safety evaluations are mainly performed by using Monte Carlo simulation, and the first thing to be done is geometric modeling. The Heavy-ion treatment facility uses synchrotron as the accelerating device, which is difficult to precisely model geometrically and is mostly modeled briefly. This study investigated the effect of simplification and precise implementation of Dipole magnet among the components of synchrotron acceleration device on the radiation safety evaluation. The results show that the simplified geometric model is overestimated with the precisely implemented geometric model. Therefore, it is considered that the radiological safety evaluation results in more reliable results of the precise geometric modeling.

주제어

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문제 정의

따라서 해당 논문에서는 중입자 치료 장치에서 싱크로트론 마그넷의 정교한 Geometry Modeling과간단한 Geometry Modeling이 계산결과에서 어떠한 차이점이 있는지 Monte Carlo Simulation을 이용하여 평가한 연구이다.

제안 방법

Depth Dose는 Fig. 4와 같이 Magnet 주변을 둘러싸는 두께 9 m의 콘크리트를 구현하여 USRBINcard와 AUXSCORE card를 이용하여 콘크리트 깊이별(1 m 단위) Depth Dose를 평가하였다.
Neutron flux의 평가는 Fig. 3과 같이 두 magnet의 주변을 지나가는 것을 총 6개의 면으로 나누어서USRBDX card를 이용하여 계산하였다
2와 같이 싱크로트론의 Dipole 마그넷을 모델링하였다. Real magnet의 중심은 가속관이 지나가는데 가속관의 모델링은 내부가 진공이고 두께가 0.2 cm인 Iron으로 된 구를 모델링하였다. 물질은 코일을 제외한 나머지는 Iron, 코일은 copper로 모델링 하였다.
Total Activity는 Fig. 5와 같이 Magnet주변의 Air,Concrete, Soil을 배치하여 각 물질마다 RESNUCLicard와 DCYTIMES card를 이용하여 방사화 되는 정도를 평가하였다. 냉각시간은 빔 종료직후 부터 1시간까지 10분 단위로 평가하였다.
6^[1]을 이용하였다. 간단한 Geometry(이하:Simple magnet)와 정교한 Geometry(이하: Real magnet)로 기하학적 모델링의 차이점을 두었고, 평가 내용은 Neutron Flux, Depth Dose, Total Activity, 냉각시간에 따른 Dose rate를 상호 비교하였다.
냉각시간에 따른 Dose rate는 빔 조사 종료 후 각각 1분, 30분, 1시간의 시점에서의 주변선량율을USRBIN card와 AUXSCORE card, DCYTIMES card를 이용하여 평가하였다.
중입자치료 장치의 경우 가속장치가 거대하기 때문에 빔이 누설되는 위치가 다양하며, 대부분 싱크로트론의 링과, 빔 이송관, 치료 장치에서 이루어진다. 이런 부분의 기하학적 형태를 단순하게 한다면 계산의 정확도에 문제가 있을 것으로 판단되어본 논문에서는 기하학적 모델링의 차이를 두어(Simple magnet과 Real magnet) 다양한 결과로 비교 평가하였다.

대상 데이터

Real magnet은 Fig. 2와 같이 싱크로트론의 Dipole 마그넷을 모델링하였다. Real magnet의 중심은 가속관이 지나가는데 가속관의 모델링은 내부가 진공이고 두께가 0.
2 cm인 Iron으로 된 구를 모델링하였다. 물질은 코일을 제외한 나머지는 Iron, 코일은 copper로 모델링 하였다. 방사선원은 가속관의 중심에 Point source의 형태로 위치시켰다.
방사선원은 중입자치료시설에서 주로 이용하는 Carbon-12를 이용하였고, 에너지는 430 MeV/nucleon으로 하였다. Simple model의 형상은 Fig.

이론/모형

Simulation은 Monte Carlo code 중 하나인 FLUKA2011.2c.6^[1]을 이용하였다. 간단한 Geometry(이하:Simple magnet)와 정교한 Geometry(이하: Real magnet)로 기하학적 모델링의 차이점을 두었고, 평가 내용은 Neutron Flux, Depth Dose, Total Activity, 냉각시간에 따른 Dose rate를 상호 비교하였다.

성능/효과

비교 결과 Neutron Flux, Depth Dose, Total Activity, 냉각시간에 따른 Dose rate 모두 Real magnet 대비 Simple magnet이 과대평가 되는 것을 확인할 수 있었다.
평가결과 Fig. 13에서 Fig. 15와 같이 Air(magnet 주변공기의 방사화), Concrete(magnet 주변콘크리트의 방사화), Soil(magnet 주변토양의 방사화) 모두 Simple magnet이 Real magnet 대비 과대평가되는 것으로 평가되었다.
더욱 신뢰성 있는 차폐 및 방사화 계산을 위해서는 정확한 기하학적 모델링이 필수적이다. 하지만 INPUT 파일의 작성시간과, 계산시간 때문에 기하학적 모델링을 간략화 하는 것은 본 논문의 연구결과에 의하면, 계산결과의 신뢰성 부분에 영향을 끼칠 수 있는 것으로 확인되었다.
해당 연구결과는 Carbon-12 beam이 충돌되는 Magnet의 두께가 얇을수록 방사선 위해가 더욱 과대평가된다는 것을 확인할 수 있었다. Simple magnet의 충돌부위가 Real magnet보다 얇다.

후속연구

정밀한 기하학적 모델링에 의한 계산시간의 증대는 Monte Carlo Code의 병열 프로세싱으로 해결을 할 수 있으며, INPUT 파일의 작성시간 증가는 효율적인 Geometry 구현을 위한 추가적이 연구가 진행되면 해결할 수 있을 것이라 생각된다

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	중입자 치료 시설의 차폐 및 방사화 계산은 현재 어떠한 것들을 이용하여 계산하는가?	중입자 치료 시설의 차폐 및 방사화 계산은 다양한 방사선원과, 복잡한 기하학적 형상(시설 및 장비)에 의해 일반적인 수식 계산이 불가능하기 때문에 현재는 Monte Carlo Simulation(FLUKA code,[1] PHITScode,[2] MCNPX code[3] 등)을 통해 이루어진다.
	방사선안전성평가가 가장 우선적으로 수행해야하는 것은?	중입자 치료는 기존 Photon치료 대비 높은 에너지와 거대한 시설로 인해 방사선안전성평가에 더욱 신경을 써야 한다. 이러한 방사선안전성평가는 주로 Monte Carlo simulation을 이용하여 차폐 및 방사화 평가를 수행하는데, 가장 우선적으로 수행해야하는 것은 기하학적 모델링이다. 중입자 치료시설은 가속장치를 싱크로트론을 사용하게 되는데 정확한 기하학적 모델링이 어려워 대부분 간략하게 모델링 한다.
	INPUT파일 제작은 Monte Carlo simulation을 위해 어떠한 것을 설정하는가?	Monte Carlo simulation을 위해서는 방사선원에 관한 사항, 시설 및 장비의 기하학적 형상에 관한 사항, 계산결과의 표현에 관한 사항 등을 설정해야 한다. 이러한 작업을 INPUT파일 제작이라 하며,INPUT파일 제작에서 가장 많은 시간이 소요되며 계산결과에 가장 큰 형향을 끼치는 것이 기하학적 형상(Geometry Modeling)에 관한 사항이다.

참고문헌 (4)

A. Ferrari, P.R. Sala, A. Fass'o, and J. Ranft, "FLUKA: a multi-particle transport code", CERN-2005-10 (2005), NFN/TC 05/11, SLAC-R-773.
K. Niita, T. Sato, H. Iwase, H. Nose, H. Nakashima and L. Sihver, "Particle and Heavy Ion Transport Code System; PHITS, Radiat", Meas. 41(9-10), 1080-1090 (2006).

상세보기
D. B. Pelowitz, ed., "MCNPX User's Manual, Version 2.7.0", Los Alamos National Laboratory report LA-CP-11-00438 (April 2011).
http://www.fluka.org/flair/index.html

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