محاسبه حساسيت سيستم تصويربرداري پروتون با استفاده از كد Geant4

Computing The Sensitivity of a Proton Imaging System using Geant4 Code

در اين مطالعه دو روش راديوگرافي مبتني بر تضعيف و از‌دست‌دادن انرژي پروتون با استفاده از كد Geant4، بررسي شده است. ابتدا، راديوگرافي يك قطعه استيل با ضخامت mm33، توسط پروتون با انرژي MeV 160 و پرتوايكس با انرژي keV 140 انجام گرفته و رزولوشن چگالي سطحي بر اساس تغيير ميكروني ضخامت هدف به‌دست آمد. نتايج نشان داد كه در راديوگرافي تضعيف پروتون، دقت تفكيك تغييرات چگالي سطحي در حدود 60 برابر بهتر از راديوگرافي با پرتوايكس مي‏باشد. در نتيجه براي كاهش نوسانات آماري داده‏ها، شار يا دوز بيشتري از پرتوايكس به ازاي كنتراست برابر تصوير حاصل از پروتون مورد نياز است كه مزيت مهمي براي پروتون به‌ويژه در راديوگرافي اجسام ضخيم مي‌باشد. در ادامه، برش‌نگاري رايانه‏اي پروتون (pCT) فانتوم استوانه‌اي با حفره‌هاي هوا با استفاده از محاسبه انتگرال انرژي نهشت شده پروتون در طول مسير عبوري از شي، تهيه شد. با استفاده از pCT، مي‌توان نقشه سه‌بعدي چگالي الكترون و توان توقف پروتون در داخل جسم را ترسيم نمود. همچنين از pCT در كاهش خطاي تخمين برد در سيستم‏هاي طراحي درمان پروتون‏تراپي و انجام آزمون‌هاي غيرمخرب جهت بررسي عيوب ساختاري و داخلي اجسام و قطعات صنعتي به‌ويژه تيغه‏هاي توربين هواپيما و هيدروتستينگ استفاده مي‏شود.

In this study, two proton radiography methods based on proton attenuation and energy loss have been investigated using Geant4 code. First, radiography of a steel slab with a thickness of 33 mm was performed by 160 MeV proton and 140 keV X-ray energy. The areal density resolution is obtained by varying the target thickness. The results show that the variation of areal density resolution is about 60 times better for the attenuation proton radiography in comparison with X-ray radiography. Therefore, for X-ray radiography, in order to obtain same data’s statistical fluctuations as for proton radiography, the flux or doses of X-rays should be increased. This is crucial for thick targets with low density variations. Further, Proton computed tomography (pCT) of a cylindrical phantom with air holes was performed using the integral calculation of the proton energy deposited along the object s path. Using pCT, three-dimensional maps of electron density and proton stopping power in the object are obtained. The pCT is also used to reduce the range estimation error in the proton therapy treatment planning systems and perform non-destructive tests for structural and internal defects evaluation in industrial equipment, especially airplane turbine blades and hydrotesting.