Εξομοίωση του Μικρού Ανιχνευτή Ιοντισμού του CERN για πιθανή χρήση του ως ανιχνευτή πρωτονίων σε Νοσοκομειακούς Επιταχυντές για την Αδρονιακή Θεραπεία του καρκίνου

Abstract

Η παρούσα μελέτη στοχεύει στο να προτείνει ένα συγκεκριμένο είδος Ανιχνευτή Ιονισμού για χρήση στο Σύστημα Ανίχνευσης Απωλειών Δέσμης - Beam Loss Monitoring System (BLM) - ενός τυπικού Νοσοκομειακού Επιταχυντή για την Αδρονιακή Θεραπεία του καρκίνου. Αυτός ο ανιχνευτής, ο Μικρός Ανιχνευτής Ιονισμού - Little Ionization Chamber (LIC) - έχει αναπτυχθεί στο CERN και χρησιμοποιείται ως ανιχνευτής απωλειών γύρω από τους υπεραγώγιμους μαγνήτες του Μεγάλου Επιταχυντή Αδρονίων - Large Hadron Collider (LHC) -. Τα επιμέρους χαρακτηριστικά και το συλλεγόμενο σήμα του LIC όταν αλληλεπιδρά με εισερχόμενα πρωτόνια υψηλής ενέργειας, εξομοιώθηκαν με τη χρήση δύο εξομοιωτικών πακέτων, του Geant4 και του CST Particle Studio. Το πακέτο Geant4 χρησιμοποιήθηκε για τη μελέτη της εναπόθεσης ενέργειας σε κάθε σημείο του αερίου του ανιχνευτή από τα εισερχόμενα πρωτόνια, καθώς και για τη στατιστική ανάλυση της χωρικής κατανομής των παραγόμενων δευτερογενών σωματιδίων στο ίδιο χώρο. Στη συνέχεια, η (εξομοιωμένη) ενεργειακή απόδοση του LIC συγκρίνεται με την αντίστοιχη ενός τυπικού Ανιχνευτή Ιονισμού - standard Ionization Chamber (IC) - του CERN. Ο εξομοιωτής CST Particle Studio χρησιμοποιήθηκε για την εξομοίωση του ηλεκτρικού πεδίου που παράγεται από τη διαφορά δυναμικού των ηλεκτροδίων του ανιχνευτή LIC, για τη μελέτη της διάδοσης, στο εσωτερικό του αερίου του ανιχνευτή, των ηλεκτρονίων και των ιόντων που παράγονται από τον ιονισμό του αερίου Ν2, καθώς και για να μελετηθεί τυχών μεταβολή του σήματος του ανιχνευτή στη περίπτωση που ο τελευταίος βρίσκεται μέσα σε ένα εγκάρσιο μαγνητικό πεδίο σταθερής έντασης. Τα αποτελέσματα που λαμβάνονται από τις άνωθεν εξομοιωτικές μελέτες συγκρίνονται με τα πειραματικά δεδομένα που λήφθησαν από την ομάδα BLM του CERN, κατά τη διάρκεια πειράματος βαθμονόμησης (calibration) του καινούριου ανιχνευτή LIC στο Σύγχροτρον Επιτάχυνσης Πρωτονίων - Proton Synchrotron Booster (PSB)-.

This study aims to propose a type of ionization chamber as a possible candidate-detector that is well suited for the needs of the Beam Loss Monitoring (BLM) system of a typical Medical Accelerator for the Hadronic Therapy of Cancer. This detector, called the Little Ionization Chamber (LIC), is used as a secondary detector around the Large Hadron Collider (LHC) at CERN. The characteristics and the response of LIC to incoming protons are simulated with two different simulation toolkits, namely Geant4 and CST Particle Studio. Geant4 is used for the study of the energy deposition of protons inside the gas-filled volume of LIC, as well as for the study of the profile of the secondary particles created in the same area. The (simulated) performance of LIC is then compared to the respected performance of CERN's standard Ionization Chamber (IC). CST Particle Studio is used for the simulation of the Electric Field inside LIC, for the study of the propagation of electrons and ions in the aforementioned field and in order to probe the extent in which the response of LIC changes, when the detector is put into an external Magnetic field. The simulated results acquired by the two simulation studies are compared to the experimental data of a calibration experiment that has been conducted by the BLM team of CERN at the dump line of the Proton Synchrotron Booster (PSB).