Study on Optimization of Detection System of Prompt Gamma Distribution for Proton Dose Verification

In proton therapy, in vivo dose verification is one of the most important parts to fully utilize characteristics of proton dose distribution concentrating high dose with steep gradient and guarantee the patient safety. Currently, in order to image the proton dose distribution, a prompt gamma distribution detection system, which consists of an array of multiple CsI(Tl) scintillation detectors in the vertical direction, a collimator, and a multi-channel DAQ system is under development. In the present study, the optimal design of prompt gamma distribution detection system was studied by Monte Carlo simulations using the MCNPX code. For effective measurement of high-energy prompt gammas with enough imaging resolution, the dimensions of the CsI(Tl) scintillator was determined to be $6{\times}6{\times}50mm^3$. In order to maximize the detection efficiency for prompt gammas while minimizing the contribution of background gammas generated by neutron captures, the hole size and the length of the collimator were optimized as $6{\times}6mm^2$ and 150 mm, respectively. Finally, the performance of the detection system optimized in the present study was predicted by Monte Carlo simulations for a 150 MeV proton beam. Our result shows that the detection system in the optimal dimensions can effectively measure the 2D prompt gamma distribution and determine the beam range within 1 mm errors for 150 MeV proton beam.

양성자 선량 분포 검증을 위한 즉발감마선 분포측정 장치 최적화 연구

양성자 치료에서 치료의 목표를 달성하고 환자의 안전을 제고하기 위해 인체 내 양성자 빔의 분포를 확인하는 것이 중요하다. 양성자 선량분포와 밀접한 관계가 있는 즉발감마선의 2차원 분포 측정을 위하여 본 연구팀에서는 다수의 CsI(Tl) 섬광체가 1차원 종형으로 배열된 검출기 배열과 집속장치 및 다채널 신호처리 장치로 이루어진 측정장치를 개발하고 있다. 이에 본 연구에서 몬테칼로 기반의 MCNPX 코드를 이용하여 최적화된 측정 장치를 설계하고자 하였다. 즉발감마선을 효과적으로 측정하기 위해 CsI(Tl) 섬광체의 크기를 $6{\times}6{\times}50mm^3$로 결정하였으며, 배경감마선의 영향을 최소화하고 빔의 진행방향에서 수직방향으로 발생하는 즉발감마선만 측정하기 위해 집속장치의 구멍 크기는 면적 $6{\times}6mm^2$, 길이 150 mm로 최적화되었다. 150 MeV 양성자 빔에 대한 성능 예측 전산모사연구를 수행한 결과, 본 연구에서 최적화된 측정 장치를 통해 즉발감마선 2차원 분포를 측정할 수 있었으며, 1 mm 오차범위에서 양성자 빔의 비정을 결정할 수 있었다. 이를 바탕으로 현재 다채널의 신호처리 장치를 개발하고 있으며 실제 양성자 빔을 이용한 즉발감마선 분포측정을 통해 측정 장치의 성능을 검증할 것이다.