Elektronların beyin, göğüs ve göz dokuları ile etkileşimi vedoz hesabı
Interaction of electrons with brain, breast and eye tissues and dose calcuations
Yazar: ZEYNEP YÜKSEL
Danışman: PROF. DR. M. ÇAĞATAY TUFAN
Ondokuz Mayıs Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Fizik Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2020
Konu: Fizik ve Fizik Mühendisliği = Physics and Physics Engineering
Dizin: Nükleer fizik = Nuclear physics ; Tıbbi fizik = Medical physics

Özet:
Bu çalışmada elektronların biyolojik dokular ile etkileşimlerinde durdurma gücü, menzil ve doz değerleri elde edildi. Bethe-Bloch teorisinde hedefin etkin yük ve etkin ortalama uyarma enerjileri kullanılarak durdurma gücü ve menzil değerleri 10 keV-900 MeV enerji aralığındaki elektronlar için hesaplandı. Bu zamana kadar ki yapılan çalışmalardan farklı olarak elektronik yük yoğunluğu Roothaan-Hartree-Fock yöntemi ile elde edildi ve sonuçlar EGSnrc, GEANT4 ve PENELOPE açıklama 2 kodları ile elde edilen değerler ile kıyaslandı. Menzil hesaplamalarında ise sürekli yavaşlama yaklaşımı kullanıldı. Sonrasında durdurma gücü hesaplamalarının daha doğru bir yaklaşıklıkla elde edilmesi amacıyla, hedef atomun hıza bağlı etkin ortalama uyarma potansiyeli hesaplamaları yapıldı. Hesaplamalarda Tietz ve Ziegler perdeleme fonksiyonlarına sahip Thomas-Fermi elektronik yük yoğunlukları ve Roothan-Hartree-Fock elektronik yük yoğunlukları kullanıldı ve durdurma gücünün elektronik yük yoğunluğu ile ilişkisi incelendi. Ayrıca medikal uygulamalarda yaygın olarak kullanılan 1-20 MeV enerji aralığındaki elektronlar için MC kodu EGSnrc kullanılarak derin doz eğrileri elde edildi. Biyolojik hedefler olarak göz, göğüs ve beyin dokusu ele alındı. Hesaplanan durdurma gücü değerleri ile maksimum doz derinliği arasındaki ilişkinin ifade edilmesinde yeni bir yaklaşım ortaya konuldu.
Sonuç olarak, bu çalışma Roothan-Hartree-Fock yaklaşımında atomların kabuk yapısının dikkate alınmasının ortalama uyarma potansiyeli ve durdurma gücü hesaplamasını etkilediğini göstermekte olup, durdurma gücü değerleri ile maksimum doz derinliği arasındaki lineer ilişkinin varlığını göstermektedir.

Abstract:
In this study, stopping power, range and dose values were obtained for the electrons interacting with the biological tissues. By using the target's effective charge and effective mean excitation energies in the Bethe-Bloch theory, stopping power and range values were calculated in the 10 keV-900 MeV energy range. Unlike the work done so far, the atomic electron density was obtained by the Roothaan-Hartree-Fock method and the results were compared with the values obtained by EGSnrc, GEANT4 and PENELOPE codes. Continuous Slowing Down Approximation was used in the range calculations. Then, in order to obtain a more accurate approximation of the stopping power calculations, effective (velocity-dependent) mean excitation energy calculations which taking into account the velocity-dependent electronic structures of the incoming particle and the target atom, were carried out. In the calculations, Thomas-Fermi atomic electron densities with Tietz and Ziegler screening functions and Roothan-Hartree-Fock atomic electron densities were used and the relationship between stopping power and atomic electron density was examined. In addition, deep dose curves were obtained using MC code EGSnrc for electrons in the 1-20 MeV energy range which commonly used in medical applications. As the biological targets, the eye, breast and brain tissues were considered. A new approach was introduced to express the relationship between calculated stopping power and maximum dose depth.
In conclusion, this study shows that considering the shell structure of atoms in Roothan-Hartree-Fock approach affects mean excitation energy and stopping power calculation and shows the presence of a linear relationship between stopping power values and maximum dose depth.