Analysis of the physical interactions of therapeutic proton beams in water with the use of Geant4 Monte Carlo calculations

The processes that occur when protons traverse a medium are investigated theoretically for a full therapeutic range of energies [20 MeV, 220 MeV]. The investigation is undertaken using the Geant4 toolkit for water medium. The beam is simulated only inside the phantom, effects of beamline are included in the overall beam properties as lateral width and momentum bandwidth. Every energy deposition is catalogued according to the particle and the process that caused it. The catalogued depositions are analysed statistically.There are only few important processes such as proton ionisation and nuclear scattering (elastic/inelastic) that constitute the main features of the energy distribution. At the same time processes concerning electrons are used very often without obvious effect to the result. Such processes can be therefore approximated in the simulation codes in order to improve the performance of the code.Neutron depositions are most important before the Bragg peak, still they are by an order of magnitude smaller than those of protons. In the region behind the Bragg peak only a small number of neutrons is created in the simulation and their energy contribution through secondary protons is by orders smaller than the effect of proton-produced secondary protons within the Bragg peak. Hence, the effects of neutrons created in the calculation volume can be neglected.

ZusammenfassungEs werden die Prozesse, die während des Durchgangs von Protonen durch Materie auftreten, für den therapeutisch relevanten Energiebereich von 20 MeV bis 220 MeV theoretisch untersucht. Für die Untersuchungen für das Medium Wasser wird der Geant4 Toolkit verwendet. Der Strahl wird innerhalb des Phantoms simuliert, Einflüsse der Strahlführung werden in die allgemeinen Strahleigenschaften wie laterale Strahlbreite und Impuls-Bandbreite eingeschlossen. Jede Energiedeposition wird nach Art des Teilchens und nach dem Prozess, der das Teilchen verursacht hat, katalogisiert. Wir zeigen, dass die wenigen wichtigen Prozesse wie Ionisation und elastische sowie inelastische Kernstreuung der Protonen die Haupteffekte der Energiedeposition sind. Daneben werden aber Wechselwirkungen der Elektronen sehr oft im Code benutzt, ohne eine erkennbare Auswirkung auf die Energiedeposition zu haben. Um die Performance des Simulationscodes zu steigern, können solche Prozesse approximiert werden. In den Untersuchungen wurde besonderes Augenmerk auf solche Effekte gelegt, die durch Neutronen insbesondere distal des Braggpeaks hervorgerufen werden. Wir zeigen, dass nur eine kleine Zahl von Neutronen während der Simulation erzeugt wird. Die im Braggpeak deponierte Energie der neutroneninduzierten Sekundärprotonen ist um Größenordnungen kleiner als diejenige von protoneninduzierten Sekundärprotonen. Es zeigt sich, dass die durch Neutronen hervorgerufenen dosimetrischen Effekte vernachlässigbar sind.