О возможности мультигруппы Больцмана.

Научные отчеты, том 13, Номер статьи: 1310 (2023) Цитировать эту статью

1068 Доступов

1 Альтметрика

Подробности о метриках

Устаревшие решатели Больцмана для ядерных реакторов начинают клиническое внедрение в качестве альтернативы кодам Монте-Карло (MC) и полуэмпирическим моделям Ферми-Эйгеса при планировании лечения радиационной онкологии. Сегодняшние сертифицированные клинические решатели ограничены пучками фотонов. В этой статье ELECTR, современный модуль генерации многогрупповых электронных сечений в NJOY, представлен и проверен на соответствие калориметрическим измерениям Локвуда, EGS-nrc и GEANT-4 для однонаправленных электронных пучков с энергией 1–20 МэВ. Решатель ядерного реактора ДРАКОН-5 модернизирован для доступа к библиотеке и решения уравнения Больцмана-Фоккера-Планка (БФП). В целях валидации использовались различные конфигурации гетерогенных радиотерапевтических и радиохирургических фантомов. Тематические исследования включают в себя контрольные показатели грудной клетки, типичную интраоперационную лучевую терапию молочной железы и контрольные показатели, подобные пациентам с высокой гетерогенностью. Для всех лучей \(100\%\) водных вокселей удовлетворяли критерию точности Американской ассоциации физиков в медицине для ошибки дозы BFP-MC ниже \(2\%\). По крайней мере, \(97,0\%\) вокселей жировой ткани, мышц, костей, легких, опухолей и молочной железы удовлетворяют критерию \(2\%\). Средняя относительная ошибка BFP-MC составила около \(0,56%\) для всех вокселов, балок и материалов вместе взятых. Облучая однородные пластины от \(Z=1\) (водород) до \(Z=99\) (эйнштейний), мы сообщили о работоспособности и дефектах режима CEPXS [US. Sandia National Lab., SAND-89-1685] в ELECTR для всей таблицы Менделеева. Для всех тестов Локвуда прогнозы дозы NJOY-DRAGON находятся в пределах точности экспериментальных данных для \(98\%\) вокселей.

Система обработки ядерных данных NJOY широко используется для обработки точечных и многогрупповых сечений нейтронов и фотонов из файлов оцененных ядерных данных (ENDF)1. Действующее ограничение на оценки, вызванные нейтральными частицами, ограничивает сферу применения системы для проектирования реакторов деления, лицензирования и анализа безопасности, моделирования управления запасами, сравнительного анализа критичности, радиационной защиты и обращения с ядерными отходами2,3,4.

Необходимость. Транспорт легких заряженных частиц необходим, в частности, в ультрамасштабных электронных устройствах5 (например, кремниевых микроэлектронных устройствах6), управлении термоядерной плазмой низкого давления7, газоразрядной плазме8, транспортировке пучков ускорителей (например, (e\(^-\) , e\(^+\)) ​​коллайдеры)9,10, пучково-пучковое взаимодействие5, радиационная онкология и медицинская физика11,12,13. Использование кодов/моделей транспорта электронов уже широко распространено в повседневной клинической практике радиационной онкологии. Чтобы избежать стохастического характера расчетов Монте-Карло (MC), которые, как известно, очень точны, но требуют больших вычислительных затрат и отнимают много времени, медицинские физики прибегли к так называемым ядерным полуэмпирическим моделям (SEM). Модифицированные алгоритмы MC, например, модификация транспорта электронов, ограничение отслеживания маловероятных событий или реализация методов транспорта на основе вокселей14, а также алгоритмы, основанные на методах уменьшения дисперсии15, существуют в некоторых клинических процедурах16,17 и не будут обсуждаться здесь.

Точечное ядро18, карандашный луч19,20,21, свертка свернутого конуса22 и свертка/суперпозиция23,24 — это модели, которые обычно используются в системах планирования клинического лечения (TPS). Основные предположения основаны на использовании теории малоуглового рассеяния Ферми-Эйгеса25,26 для переноса излучения, которая утверждает, что (i) многократное рассеяние заряженных частиц включает лишь очень небольшие изменения в направлении распространения, (ii) электроны имеют небольшую угол полета, т. е. их траектории заключены в конусе, предотвращающем отклонение от мест образования, и (iii) все электроны на глубине x имеют заданную энергию E(x). Следовательно, такие приближения неправильно приравнивают длину пути частицы к ее глубине, игнорируют эффекты рассеяния, катастрофические потери энергии и отклонения на большие углы. В 1981 г. Хогстрем и др.27 предложили первую адаптацию этой теории для электронных пучков (несвязанный транспорт). Из-за зависимости заданного ядра от глубины модель может учитывать только стратифицированные неоднородности28. Последнее аппроксимируется перемасштабированием диффузионных ядер. Эта модель карандашного пучка была обобщена 13 лет спустя Густавссоном29 и Ульмером30 для фотонных пучков. С самого начала в этих исследованиях сообщалось о значительных неудачах, начиная от простых неоднородностей и заканчивая сложными конфигурациями. Поправочные коэффициенты и усовершенствования SEM — например, теория многократного рассеяния второго порядка Джетте и Белажева31, ингредиент угловой тормозной способности Сторчи и Хуйзенги32, Bruinvis et al. разбросанная модель33, алгоритм переопределения Шиу и Хогстрома34, Ю и др. многолучевая модель35, Ahnesjö et al. (фотонные пучки)21 и Knoos et al. (электронные пучки)36 поправки на частичную неоднородность, Ulmer et al. латеральное масштабирование37 или модели построения Tillikainen et al.38 — были необходимы, но не предотвратили повторное возникновение типичных ошибок \(22\%\) (после возмущения плотности)39 или \(40\%\) (около неоднородностей)40 . Хенсель и др.28 объясняют, что проблема в том, что гипотеза многократного рассеяния Ферми-Эйгеса верна в астрофизике, но не может быть верна для тканей человека. Другими словами, даже если упругое рассеяние Мотта и неупругое рассеяние Мёллера и Бабхи имеют прямой максимум, кумулятивный эффект многократного рассеяния приводит к значительному изменению угла, для которого теория Ферми-Эйгеса не была разработана. Клиницисты знают об этих ограничениях41,42,43.