Elektron ve pozitronların farklı ortamlarda enerji kaybı ve doz hesaplamaları yapan paket program geliştirilmesi
Development of a package program for energy loss and dose calculations of electrons and positrons in different materials
Yazar: HIKMAT OSMAN
Danışman: PROF. DR. HASAN GÜMÜŞ
Ondokuz Mayıs Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Fizik Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2022
Konu: Fizik ve Fizik Mühendisliği = Physics and Physics Engineering
Dizin: Elektron = Electron ; Foton = Photon ; Polimer jel = Polymer gel ; Pozitronlar = Positrons ; Radyoloji = Radiology

Özet:
Bu çalışma iki aşamadan oluşmaktadır. Birinci aşamada, farklı ortamlarda elektron ve pozitronlar gibi hafif yüklü parçaçıkların taşımasını gerçekleştiren MEPSAR isimli bir paket program geliştirildi. MEPSAR ile farklı ortamlarda (element veya bileşik) geniş bir enerji aralığında ( 20 eV – 1 GeV) elektron ve pozitronların durdurma gücü, CSDA menzil, radyasyon verimi ve soğrulan doz gibi birçok parametrelerin hesaplamaları pratik bir şekilde gerçekleştirilebilir ve grafikleri de çizilebilmektedir. Hesaplamalar, programın kendi veritabanında bulunan 99 element ve 180 bileşik için yapılabilir. Ayrıca, element bileşimi ile yoğunluğu dikkate alarak, element bileşimi 14'e kadar olan, ve programın kendi veritabanında bulunmayan herhangi bir bileşik için de yapılabilmektedir. Paket programında, elektronların ve pozitronların çarpışma durdurma gücü hesaplamaları için Sugiyama tarafından önerilen etkin yük kavramı dikkate alındı. Yüksek enerjilerde, yoğunluk etkisi düzeltmesi (δ) için Fano'nun asimptotik formülü kullanıldı. Radyatif durma gücü için, Bhabha'nın çarpışma durdurma gücü ile radyatif durma gücü arasındaki orana dayalı analitik ifadesi kullanıldı. Menzil ve radyasyon verimi için, sürekli yavaşlanma yaklaşımı (CSDA) dikkate alındı. Menzil ve radyasyon verimi hesaplamaları için Simpson sayısal integral yöntemi kullanarak gerçekleştirildi. MEPSAR ile elde edilen sonuçlar, ESTAR ve PENELOPE sonuçları ile karşılaştırıldı. Hesaplanan ile referans sonuçlar, orta ve yüksek enerji aralığında iyi bir uyum içinde olduğu görüldü. Çalışmanın ikinci aşamasında, radyoterapide, radyasyon dozimetresi olarak kullanılan MAGIC, MAGAS, MAGAT ve PAGAT bazı polimer jellerin bazı radyolojik özellikleri araştırıldı. Bu amaç için, EGSnrc ve PENELOPE Monte Carlo simülasyan programları kullanıldı. Bahsi geçen simülasyon programları kullanarak elektron, pozitron ve fotonların ilgili polimer jellerdeki taşınması gerçekleştirildi. Burada, 10 keV-30 MeV enerji aralığında, ilgili polimer jellerin kütle azalma katsayıları, kütle durdurma gücü, CSDA menzil, etkileşme tesir kesitleri ve derinlik-doz dağılımı hesaplandı. Elde edilen sonuçlara göre, yumuşak dokunun toplam kütle azalma katsayısı, etkileşme tesir kesiti, toplam kütle durdurma gücü ve CSDA menzil sonuçları, 10 keV-30 MeV enerji aralığında, polimer jellerin sonuçlarına çok yakın (% 0.05 - 0.1 fark ile) bulundu. Ayrıca, 0.05-20 cm derinlik aralığında, 6 MeV'li elektron ve fotonlar için, yumuşak doku ve ilgili polimer jellerin derinlik-doz eğrileri arasındaki farkın yaklaşık %1 ve daha az olduğu bulundu. Dolayısıyla, ilgili tüm polimer jellerin yumuşak dokunun radyolojik eşdeğeri kabul edilebileceği sonuca varıldı.

Abstract:
This study was consisted of two phases. In the first phase, a package program named MEPSAR for light-charged particles (electrons and positrons) transport in different target materials was developed. With MEPSAR, calculations of many parameters, such as stopping power, CSDA range, radiation yield and absorbed dose of electrons and positrons in a wide energy range (20 eV - 1 GeV) in different target materials (element or compound) can be performed practically and,  the graphsof the results can be drawn. Calculations can be made for 99 elements and 180 compounds in the program's database. Further, taking into account the element composition and density, the calculations can also be made for any compound not in the program's database and have elemental composition up to 14. In the Package program, the effective charge concept proposed by Sugiyama was taken into account for the collision stopping power calculations of electrons and positrons. At high energies, Fano's asymptotic formula was used for density effect correction (δ). For radiative stopping power calculations, Bhabha's analytical expression based on the ratio between collision and radiative stopping power was used. For the range and radiation yield, the continuous slowing down approximation (CSDA) was taken into account. The integration of the range and radiation yield were performed using Simpson numerical integral method. The results obtained using MEPSAR were compared with those of ESTAR and PENELOPE. The calculated and reference results were in good agreement in the medium and high energy range. In the second phase of this study, some radiological properties of MAGIC, MAGAS, MAGAT and PAGAT polymer gel dosimeters for use in radiotherapy dosimetry have been investigated. For this purpose, EGSnrc and PENELOPE Monte Carlo modellings were selected and radiation transport have been achieved using electron and photon beams. Here, mass attenuation coefficients, mass stopping power, CSDA range, interaction cross sections (interaction probability) and depth-dose distribution of interested polymer gels over the 10 keV-30 MeV energy range were calculated and compared with each other and with soft tissue. The total mass attenuation coefficient, interaction probability, the total mass stopping power and CSDA range results of soft tissue was found to be very close (0.05-0.1% difference) to those of polymer gels over the 10 keV-30 MeV energy range. Furthermore, the difference between the depth-dose curves of soft tissue and interested polymer gels for 6 MeV electron and photon beams over the 0.05-20 cm depth range was found to be about 1% and less. Therefore, it was concluded that all related polymer gels can be considered as the radiological equivalent of soft tissue.