Low-energy photons in high-energy photon fields – Monte Carlo generated spectra and a new descriptive parameter

The varying low-energy contribution to the photon spectra at points within and around radiotherapy photon fields is associated with variations in the responses of non-water equivalent dosimeters and in the water-to-material dose conversion factors for tissues such as the red bone marrow. In addition, the presence of low-energy photons in the photon spectrum enhances the RBE in general and in particular for the induction of second malignancies. The present study discusses the general rules valid for the low-energy spectral component of radiotherapeutic photon beams at points within and in the periphery of the treatment field, taking as an example the Siemens Primus linear accelerator at 6 MV and 15 MV. The photon spectra at these points and their typical variations due to the target system, attenuation, single and multiple Compton scattering, are described by the Monte Carlo method, using the code BEAMnrc/EGSnrc. A survey of the role of low energy photons in the spectra within and around radiotherapy fields is presented.In addition to the spectra, some data compression has proven useful to support the overview of the behaviour of the low-energy component. A characteristic indicator of the presence of low-energy photons is the dose fraction attributable to photons with energies not exceeding 200 keV, termed PD200keV. Its values are calculated for different depths and lateral positions within a water phantom. For a pencil beam of 6 or 15 MV primary photons in water, the radial distribution of PD200keV is bellshaped, with a wide-ranging exponential tail of half value 6 to 7 cm. The PD200keV value obtained on the central axis of a photon field shows an approximately proportional increase with field size. Out-of-field PD200keV values are up to an order of magnitude higher than on the central axis for the same irradiation depth. The 2D pattern of PD200keV for a radiotherapy field visualizes the regions, e.g. at the field margin, where changes of detector responses and dose conversion factors, as well as increases of the RBE have to be anticipated. Parameter PD200keV can also be used as a guidance supporting the selection of a calibration geometry suitable for radiation dosimeters to be used in small radiation fields.

ZusammenfassungDer unterschiedliche niederenergetische Anteil der Photonenspektren an Aufpunkten innerhalb und außerhalb von Bestrahlungsfeldern beeinflusst die Ansprechvermögen von nicht wasseräquivalenten Dosimetern sowie die Dosisumrechnungsfaktoren zwischen Wasser und Geweben wie dem roten Knochenmark. Auch eine Erhöhung der RBW, besonders für die Induktion von Zweitkarzinomen, ist auf niederenergetische Photonen zurückzuführen. Diese Arbeit beschäftigt sich mit den Gesetzmäßigkeiten der niederenergetischen Komponente der Spektren von Photonenstrahlungen an Punkten innerhalb und außerhalb des Bestrahlungsfeldes am Beispiel eines Siemens-Primus-Linearbeschleunigers bei 6 MV und 15 MV. Mithilfe des BEAMnrc/EGSnrc Monte-Carlo-Programms werden die Photonenspektren und deren Änderungen durch das Target-System, durch Schwächung sowie durch einfache und mehrfache Comptonstreuung studiert. Die Rolle der niederenergetischen Photonen in Spektren innerhalb oder außerhalb des Feldes wird untersucht.Zusätzlich zu den Spektren erweist sich eine Datenkompression als nützlich, um die Gesetzmäßigkeiten der niederenergetischen Komponente zu beschreiben. Ein typischer Indikator für niederenergetische Photonen ist der Parameter PD200keV, der prozentuale Dosisbeitrag von Photonen mit Energien unter 200 keV. Dieser Parameter wurde für unterschiedliche Tiefen und laterale Positionen in einem Wasserphantom berechnet. Für einen Nadelstrahl bei 6 oder 15 MV ist das radiale Profil von PD200keV glockenförmig, mit einem weiten Ausläufer mit Halbwertsradius 6 bis 7 cm. Auf der Achse eines Photonenfeldes nimmt PD200keV annähernd linear mit dem Feldradius zu. Die Werte von PD200keV außerhalb des Feldes sind um eine Größenordnung höher als innerhalb des Feldes. In zweidimensionalen Darstellungen von PD200keV erkennt man Bereiche, z.B. am Feldrand, wo Änderungen der Ansprechvermögen von Detektoren und der Dosisumrechnungsfaktoren sowie erhöhte RBW-Werte zu erwarten sind. PD200keV ist auch ein nützliches Kriterium für die Auswahl der Kalibrierbedingungen für die Dosimetrie von schmalen Photonenfeldern.