Quelltermbestimmung und Abschirmrechnungen für ein medizinisches Zyklotron

Vor der Inbetriebnahme von Anlagen, die ionisierte Strahlung emittieren, müssen Untersuchungen zum entstehenden Strahlenfeld und deren Abschirmung durchgeführt werden. 2018 wurde am Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf ein neuer Kreisbeschleuniger (Zyklotron) zur Herstellung von Radioisotopen für medizinische Anwendungen installiert, und im Vorfeld wurden entsprechende Rechnungen zum Strahlenfeld durchgeführt.
Auf der Grundlage einer vom Hersteller vorgegebenen Neutronenquelle [1], die allgemein für Strahlenschutzrechnungen beim Zyklotron genutzt wird, wurden Neutronen- und Gammadosisleistungen innerhalb und außerhalb des Gebäudes mit dem Monte-Carlo-Code MCNP6 [2] geschätzt. Parallel dazu wurden Rechnungen durchgeführt, mit denen der Quellterm auf Basis des „Cascade Exciton Model“ (CEM) bestimmt wurde. Dieses Kernmodell ist bereits im MCNP implementiert, so dass hier direkt der Protonenstrahl als Primärquelle genutzt werden konnte. Überraschend war, dass die vom Hersteller gelieferte Quelle eine um den Faktor 5 geringere Ausbeute aufwies. Dagegen ergaben Nachrechnungen mit dem FLUKA-Code [3], der ein anderes Kernmodell verwendet (Pre-Equilibrium Cascade Model, PEANUT), vergleichbare Ergebnisse zu den Rechnungen mit der CEM Quelle. Der Unterschied wird auf die fehlenden Kanäle in der vom Hersteller gelieferten Neutronenquelle zurückgeführt, die nur die 18O(p,n)18F-Reaktion berücksichtigt, während die MCNP- und FLUKA-Berechnungen zusätzliche Neutronenreaktionskanäle einschließen.
Um die Neutronenquelle zu validieren, wurde ein experimentelles Programm gestartet, bei dem Aktivierungsproben während eines 18F-Produktionslaufs in der Nähe eines H218O-Targets platziert wurden. Nach der Bestrahlung wurde die Aktivierung der Proben gammaspektrometrisch mit Hilfe eines HPGe Spektrometers (High-Purity Germanium Detector) bestimmt und anschließend die Aktivität mit entspre¬chenden Rechenergebnissen verglichen. Die Ergebnisse der Simulationen und der Experimente stimmten gut überein, die C/E (Calculation/Experiment) Verhältnisse lagen größtenteils zwischen 0,6 und 1,4.
Die Ergebnisse der MCNP-Berechnungen für das neue Rossendorfer Zyklotron zeigen, dass bei der maximalen Protonenenergie von 28 MeV eine Gesamtortsdosisleistung im Bereich des öffentlichen Verkehrs von ca. 0,1 µSv/h zu erwarten ist und damit deutlich unter dem Richtwert für das Betriebsgelände von 0,5 µSv/h liegt [4]. Hauptursache der Dosis sind Photonen, die aus den Neutroneneinfang innerhalb der Betonwände emittiert werden. Sie verursachen dabei 98 % der Gesamtdosis. Die Dosisleistung der vom Wassertarget stammenden Photonenstrahlung wurde auf etwa 0,01 µSv/h und die von den Neutronen auf etwa 0.002 µSv/h geschätzt.