High energy photon reference for radiation protection: technical design of the LINAC beam and ionization chambers; and calculation of monoenergetic conversion coefficients

CEA, LIST, Laboratoire National Henri Becquerel (LNE-LNHB), Bât. 602 PC111, CEA-Saclay 91191 Gif-sur-Yvette Cedex, France

^a dorin.dusciac@cea.fr

Published online: 21 September 2016

Abstract

In this work, we present the results of the first part of a research project aimed at offering a complete response to dosimeters providers and nuclear physicists’ demands for high-energy (6 – 9 MeV) photon beams for radiation protection purposes. Classical facilities allowing the production of high-energy photonic radiation (proton accelerators, nuclear reactors) are very rare and need large investment for development and use. A novel solution is proposed, consisting in the use of a medical linear accelerator, allowing a significant decrease of all costs.Using Monte Carlo simulations (MCNP5 and PENELOPE codes), a specifically designed electron-photon conversion target allowing for obtaining a high energy photon beam (with an average energy weighted by fluence of about 6 MeV) has been built for radiation protection purposes. Due to the specific design of the target, this “realistic” radiation protection high-energy photon beam presents a uniform distribution of air kerma rate at a distance of 1 m, over a 30 × 30 cm² surface. Two graphite cavity ionizing chambers for ionometric measurements have been built. For one of these chambers, the charge collection volume has been measured allowing for its use as a primary standard. The second ionizing chamber is used as a transfer standard; as such it has been calibrated in a 60Co beam, and in the high energy photon beam for radiation protection.The measurements with these ionizing chambers allowed for an evaluation of the air kerma rate in the LINAC based high-energy photon beam for radiation protection: the values cover a range between 36 mGy/h and 210 mGy/h, compatible with radiation protection purposes.Finally, using Monte Carlo simulations, conversion coefficients from air kerma to dose equivalent quantities have been calculated in the range between 10 keV and 22.4 MeV, for the spectral distribution of the fluence corresponding to the beam produced by the linear accelerator of the LNE-LNHB.

Résumé

Cette étude propose une solution pour répondre à la demande des fabricants de dosimètres et des exploitants du nucléaire de disposer de champs de rayonnements photoniques de haute énergie (6 à 9 MeV) afin de caractériser (test de type) des dosimètres en vue de leur mise sur le marché et de les étalonner. Les installations de production de champs de rayonnements photoniques de haute énergie sont « lourdes » et très rares (accélérateur de protons, réacteurs nucléaires type piles piscines, …). L’utilisation d’un accélérateur médical permet de mutualiser l’utilisation entre radioprotection et radiothérapie en diminuant les coûts d’exploitation. Dans un premier temps, nous avons défini (par simulations Monte Carlo) puis réalisé un ensemble cible de conversion-atténuateur-égalisateur, qui permet d’obtenir un faisceau homogène de photons de haute énergie (énergie moyenne pondérée par la fluence égale à 6,17 MeV) pour la radioprotection à partir d’un faisceau d’électrons de 18 MeV, fourni par l’accélérateur linéaire médical du LNE-LNHB. Le faisceau ainsi obtenu est homogène en termes de kerma dans l’air sur une surface de 30 × 30 cm² à 1 m. Dans un second temps, nous avons fabriqué, assemblé et caractérisé deux chambres d’ionisation à cavité en graphite pour réaliser les mesures ionométriques. Pour l’une de ces chambres, nous avons mesuré le volume de collection des charges permettant ainsi de l’utiliser en tant qu’étalon primaire, l’autre chambre d’ionisation étant un étalon de transfert, elle a été étalonnée dans un faisceau de 60Co et dans le faisceau de photons de haute énergie pour la radioprotection. Les mesures effectuées avec les chambres d’ionisation ont permis d’évaluer la valeur du débit de kerma dans l’air dans le faisceau de photons de haute énergie: celleci couvre une gamme entre 80 mGy/h et 210 mGy/h, ce qui est compatible avec les besoins dans ce domaine. Enfin, nous avons calculé à l’aide de simulations Monte-Carlo des coefficients de conversion du kerma dans l’air vers les équivalents de dose pour des énergies de photons discrètes de 10 keV à 22,4 MeV dans des configurations géométriques spécifiques et pour la distribution spectrale de la fluence produite sur le LINAC du LNE-LNHB.