iii

ABSTRAK

KONTAMINASI ELEKTRON DAN NEUTRON PADA

BERKAS FOTON VARIAN TRILOGY CLINAC iX

Oleh

Sitti Yani

NIM : 30212004

(Program Studi Doktor Fisika)

Partikel kontaminasi berupa elektron dan neutron yang diproduksi oleh head

linear accelerator (Linac), akibat interaksi antara foton dengan komponen

penyusun head Linac dan udara di antara pasien dan head Linac. Partikel

kontaminasi ini memberikan kontribusi secara signifikan terhadap dosis

permukaan pada pasien yang diradiasi. Tiga metode yang dapat digunakan untuk

menghitung dosis akibat partikel kontaminasi pada head Linac yakni pengukuran

langsung dengan menggunakan magnet, metode analitik dan simulasi Monte

Carlo (MC). Di antara ketiga metode tersebut, simulasi MC dapat memberikan

hasil yang paling akurat. Untuk mengetahui karakteristik partikel kontaminasi

yang dihasilkan, informasi material dan geometri setiap komponen head Linac

memegang peranan penting dalam metode MC. Oleh karena itu, penelitian ini

bertujuan untuk mengkarakteriasi partikel kontaminasi dari berkas foton yang

diproduksi oleh Varian Clinac iX 6, 10 dan 15 MV dengan metode simulasi MC

untuk ukuran medan paparan yang luas dan sempit. Dalam penelitian ini, proses

validasi dari hasil simulasi dilakukan dengan membandingkan hasil yang

diperoleh dari simulasi dengan data hasil pengukuran dan hasil-hasil penelitian

lain yang relevan.

Penelitian ini terdiri atas empat tahapan. Tahap pertama adalah proses

commissioning yang dilakukan dengan menghitung deviasi distribusi dosis hasil

simulasi MC terhadap data pengukuran di Tan Tock Seng Hospital (TTSH)

Singapura. Tujuan dari proses commissioning ini adalah menentukan energi awal

elektron dalam menyimulasikan berkas foton 6 and 10 MV. Commisioning

dilakukan dengan tiga langkah yakni pemodelan head Linac melalui BEAMnrc,

karakterisasi model melalui BEAMDP dan analisis deviasi percent depth dose

(PDD) serta profil dosis antara hasil simulasi dan pengukuran dengan

DOSXYZnrc. Head Linac dibagi menjadi 2 bagian (komponen patient-dependent

dan patient-independent) agar waktu simulasi dapat direduksi. Pembentukan

ukuran medan paparan melalui penggunaan millennium MLC 120 leaf Varian

Clinac iX. Energi elektron datang divariasikan pada energi 6,1; 6,2; 6,3 dan 6,4

MeV untuk berkas foton 6 MV serta 10,1; 10,2; 10,3 dan 10,4 MeV untuk 10 MV

dengan FWHM (full width at half maximum) 1,0 mm. Energi elektron datang hasil

commissioning dipilih berdasarkan deviasi PDD dan profil dosis yang memiliki

nilai ≤ 5%. Berdasarkan hasil analisis deviasi diperoleh energi elektron awal yang

iv

digunakan untuk simulasi berkas foton 6 dan 10 MV masing-masing sebesar 6,4

dan 10,3 MeV. Pengaturan dimensi voxel pada simulasi EGSnrc dibedakan

berdasarkan peruntukannya agar memberikan hasil dan waktu simulasi yang lebih

tepat. Pengaturan dimensi voxel pada perhitungan PDD dan profil dosis berbeda

dengan memperhatikan daerah build-up dan fall-off.

Tahap berikutnya adalah simulasi kontaminasi elektron yang dilakukan dengan

EGSnrc-code untuk berkas foton 6 dan 10 MV. Data file phase space (phsp) pada

akhir simulasi tahapan awal penelitian dianalisis untuk membedakan jenis partikel

di dalamnya (semua partikel, foton dan elektron). Informasi partikel dalam file ini

juga diinvestigasi untuk menghitung jumlah elektron yang dihasilkan oleh head

Linac dengan ukuran medan paparan yang berbeda. Perhitungan PDD dan profil

dosis yang menggunakan sumber semua partikel dan foton disimulasikan pada

phantom air berukuran 40×40×40 cm3. Dosis akibat keberadaan elektron dihitung

berdasarkan selisih dosis yang dihasilkan oleh kedua sumber partikel yang

berbeda tersebut. Dosis akibat kontribusi elektron kontaminasi meningkat dengan

penambahan ukuran medan paparan dan menurun seiring dengan bertambahnya

kedalaman. Dosis akibat kontaminasi untuk berkas foton 6 MV ini sebesar 39,3%;

28,2% dan 16,4% masing-masing pada kedalaman 0,3; 0,5 dan 0,7 cm dari

permukaan phantom untuk medan paparan 10×10 cm2. Nilai ini diperoleh dengan

membandingkan dosis akibat kontaminasi elektron terhadap dosis semua partikel.

Dosis akibat kontaminasi elektron pada ukuran medan paparan yang kecil (kurang

dari 6×6 cm2) memiliki nilai yang kecil. Besar dosis akibat kontaminasi elektron

yang diterima oleh permukaan phantom air adalah 2,14% pada ukuran medan

paparan 4×4 cm2 untuk Linac 6 MV.

Lebar penumbra pada ukuran medan paparan yang sempit berkisar antara 0,4 –

0,6 cm untuk berkas foton head Linac 10 MV. Hal menarik dari hasil ini diperoleh

bahwa kedalaman yang memiliki dosis maksimum (dmaks) mengalami pergeseran

ke arah kedalaman yang lebih besar untuk medan paparan yang lebih luas. dmaks

untuk medan paparan 1×1 dan 5×5 cm2 masing-masing berada pada kedalaman

2,1 dan 2,7 cm.

EGSnrc memiliki keterbatasan jenis partikel yang dapat disimulasikan. Neutron

tidak dapat disimulasikan menggunakan perangkat lunak ini sehingga simulasi

kontaminasi neutron pada berkas foton 6 dan 10 MV dilakukan dengan MCNPX-

code. Perangkat lunak MCNPX-code terlebih dahulu dibandingkan dengan

EGSnrc-code untuk geometri yang sederhana sehingga proses commissioning

head Linac tidak dilakukan lagi.

Tahap ketiga, hasil-hasil simulasi MC dengan EGSnrc-code dibandingkan dengan

hasil-hasil simulasi MCNPX-code. Simulasi dilakukan untuk membandingkan

distribusi spektrum, ketidakpastian statistik dan waktu simulasi pada geometri

sederhana (target sinar-X berkas foton 6 MV). Distribusi spektrum yang diperoleh

menunjukkan bahwa spektrum yang dihasilkan tidak persis sama (deviasi kurang

dari 5%) terutama pada daerah build-up. Namun,. Puncak 100% pada EGSnrc dan

MCNPX masing-masing berada pada energi 0,245 dan 0,250 MeV. Sedangkan

pada bagian fall-off, bentuk dan nilai spektrumnya serupa dengan perbedaan

v

kurang dari 2%. Dengan nilai deviasi yang kecil, proses commissioning tidak

dilakukan. Simulasi dengan MCNPX-code menggunakan energi elektron awal

yang sama dengan hasil pada tahapan awal penelitian.

Tahap terakhir adalah simulasi kontaminasi neutron pada berkas foton Varian

Clinac iX 6, 10 dan 15 MV dengan MCNPX-code. Head Linac berkas foton 6

MV tidak menghasilkan kontaminasi neutron. Kontaminan ini hanya dihasilkan

oleh head Linac berkas foton 10 dan 15 MV. Kontaminasi neutron diproduksi

terutama pada komponen target, kolimator primer, JAWS X dan Y dan MLC.

Kontaminasi neutron memberikan kontribusi pada berkas foton Linac Varian.

Sebagian besar neutron yang dihasilkan mengalami hamburan ke ruang treatment

yang dapat membahayakan pasien dan pekerja radiasi. Energi neutron pada

scoring plane yang berjarak 100 cm dari target pada berkas foton 10 dan 15 MV

masing-masing sebesar 2,239 dan 4,467 MeV. Neutron dengan energi tersebut

berbahaya karena memiliki nilai bobot radiasi lebih tinggi dibandingkan dengan

foton berenergi sama sehingga tidak dapat diabaikan.

Simulasi kontaminasi elektron dan neutron pada berkas foton Varian Clinac iX 6,

10 dan 15 MV dengan EGSnrc dan MCNPX-code memberikan hasil yang akurat.

Kontaminan tidak dapat diabaikan terutama pada Linac dengan energi tinggi dan

ukuran medan paparan yang besar. Kontaminasi elektron memegang peranan

penting terhadap dosis permukaan pada ukuran medan paparan yang luas maupun

sempit.

Kata kunci: Radioterapi, Monte Carlo, Kontaminasi elektron, Kontaminasi

Neutron

vi

vii

ABSTRACT

ELECTRON AND NEUTRON CONTAMINATION IN VARIAN

TRILOGY CLINAC iX PHOTON BEAM

By

Sitti Yani

NIM : 30212004

(Doctoral Program in Physics)

Contaminating particles (electrons and neutrons) can be produced in a head

linear accelerator (Linac) due to interactions between photon and head Linac

components. The particles affect the dose distribution in the target and become

the major contributor in the surface dose. To investigate the characteristics of

contamination particles, the detailed information about the geometry and material

from each component in the head Linac should be provided. From some

literatures, there are three methods to determine electron contamination, e.g.

direct measurement with a magnet, analytical method and Monte Carlo (MC)

simulation. Nowadays, MC simulation provides an accurate and good method to

investigate the particle contamination. Therefore, the aim of this study is to

determine the characteristics of contaminant electrons and neutrons from head of

Varian Clinac iX 6 MV photon beam using MC simulation for small and large

field sizes.

This research consists of 4 steps. The first step was the commissioning process.

This process was to compare the dose distribution between simulation and

measurement data from Tan Tock Seng Hospital (TTSH) Singapore to obtain the

incident electron energy for 6 and 10 MV photon beam. MC simulation for

commissioning head Linac was divided into three stages. Those stages are head

Linac modelling using BEAMnrc, characterization of modeled head Linac using

BEAMDP and calculation of the difference between simulation and measurement

data using DOSXYZnrc. In the first step, to reduce simulation time, a virtual head

linac was built in two parts (patient-dependent components and patient-

independent components). The incident electron energies were varied to 6,1; 6,2;

6,3 and 6,4 MeV for 6 MV photon beam and 10,1; 10,2; 10,3 and 10,4 MeV for 10

MV with 1 mm FWHM (full width at half maximum) of source. Phase-space files

from the virtual model were characterized using BEAMDP. Percent depth doses

(PDDs) and beam profiles at 10 cm depth resulted from MC calculations using

DOSXYZnrc in water phantom were compared to measurement results. This

process cycle was finished if the dose difference of measured and calculated

PDDs and beam profiles was less than 5%. Results of the virtual model were

close to the measurements from incident electron energy of 6.4 MeV and 10.3

MeV which were 6 and 10 MV, respectively. The MC model developed in this

study accurately represents the Varian Clinac iX with millennium MLC 120 leaf

and can be used for reliably patient dose calculations.

viii

The second step was to simulate electron contamination using EGSnrc code

system. Electron contamination plays an important role in surface dose. The dose

of contamination for 6 MV photon beam was 39,3%; 28,2% and 16,4%

respectively at depths 0,3; 0,5 and 0,7 cm measured from phantom surface for

field size 10×10 cm2. This value was obtained by comparing the dose of electrons

contamination to dose of all particles from phsp file. Doses due to contamination

of electrons in cases of small fields (less than 6 cm) were small. The simulation on

4×4 cm2 field showed that the dose of the contamination was 7.96% on the water

phantom surface for 6 MV photon beam.

The penumbra width (region at the edge of field size which dose rate changed

rapidly from 80% to 20%) for all small field sizes of 10 MV photon beam was

around 0,4 to 0,6 cm. It is important to point out that the depth with dose

maximum (dmaks) for PDD curve has a little bit shifted. For the smallest field size

1×1 cm2, dmaks was 2,7 cm, while dmaks has increased to 2,1 cm for the largest field

size 5×5 cm2. This dmaks shifting correspond to the number of scattered particle.

The next step was comparing the spectral distribution, statistical uncertainty and

simulation time between EGSnrc and MCNPX code system on simple geometry

(X-ray target 6 MV photon beam). The output particles analyzed in this simulation

was photon. The results showed that the spectrum from EGSnrc and MCNPX was

not well-matched in which the difference was under 5% in build-up region and

2% in fall-off region. The spectral distribution curve was a visual representation

of the X-ray spectrum produced by a 6 MV photon beam target. The 100% peak of

EGSnrc and MCNPX spectral distribution were 0,245 and 0,250 MeV,

respectively. Based on these results, the commissioning process was unnecessary

for MCNPX-code. Therefore, incident electron energy used in MCNPX-code was

configured using same energy with the energy resulted in EGSnrc-code

commissioning process.

lastly, simulation of neutron contamination for Varian Clinac iX 6, 10 dan 15 MV

photon beam was performed using MCNPX. Neutron contamination was not

found in 6 MV photon beam. These contaminants were found only in 10 and 15

MV formed mainly on X-ray target, primary collimator, vacuum window,

flattening filter (FF), JAWS X and Y and MLC components. Contamination

neutrons contributed to the photon beam despite most of them were scattered

around in the treatment room. Neutrons energy in scoring plane located 100 cm

from the target were 2,239 and 4,467 MeV for 10 and 15 MV photon beam,

respectively. Neutrons at these levels of energy are dangerous for patients and

radiation workers since they have a high relative biological effectiveness (RBE)

and cannot be ignored.

This study increased our knowledge of the clinical photon beams and associated

contaminant electrons and neutrons for large and small field sizes. It

demonstrated the accuracy of the Monte Carlo technique in simulating these

contaminations. The higher head Linac energy and field sizes provide the large