Forward Scatter Dose Effect at Metallic Interfaces Irradiated by X and Gamma Ray Therapy Beams

Aim:

In this study forward scattering effects near different metallic interfaces are measured for Co-60 gamma and 6 and 18 MV photon beams. The studied effects are the transport of secondary electrons across the metallic interface and the scattering of photons by the metallic inhomogeneity.

Materials and Methods: All measurements were carried out with a PTW thin-window, parallel plate ionisation chamber (B 23344-036) and an RDM-1F electrometer with digital readout. Thin sheets of aluminium, mild steel, copper, cadmium and lead were used as inhomogeneities. The inhomogeneities were placed between the polystyrene phantom and the front window of the chamber which was maintained at 100 cm SSD.

Results: It was noticed that for a high energy photon beam (18 MV) the forward scatter dose factor (FSDF) increases rapidly as the thickness of the metallic inhomogeneity increases. For low energy photons, there is a sharp initial decrease of the FSDF until a minimum value is reached followed by a slow increase with increasing thickness of the inhomogeneity. It was also noted that the FSDF variation at off-axis distances has slightly mor slope compared with the ionization ratio (IR) curves for both 6 MV and 18 MV photons. However, the variation in slope is prominent for 18 MV compared with 6 MV photon beam.

Conclusion: The sharp dose decrease observed downstream of a metallic inhomogeneity at relatively low photon energy (Co-60, 6 MV) is attributed to the internal scattering of secondary electrons within the metal. The dose enhancement observed for high energy photon beams is attributed to the domination of the pair production process, increasing with atomic number. Since FSDF is dependent on the photon beam spectra, it can be used as a measure of beam quality across the beam.

Ziel:

Messung der Vorwärtsstreueffekte von Co-60-Gamma- sowie 6- und 18-MV-Photonenstrahlen in der Umgebung unterschiedlicher Metallgrenzflächen. Untersuchung des Transports von Sekundärelektronen durch die Metallgrenzfläche und die Streuung von Photonen infolge der Metallinhomogenität.

Material und Methode: Alle Messungen wurden mit einer PTW-Parallelplatten-Ionisationskammer (B 23344-036) und einem RDM-1F-Elektrometer mit Digitalanzeige durchgeführt. Es wurden als Grenzflächen dünne Platten aus Aluminium, Weicheisen, Kupfer, Kadmium und Blei eingesetzt. Die Metallplatten wurden platziert zwischen dem Polystyrolphantom und der Vorderwand der Ionisationskammer, die sich in einem Fokus-Haut-Abstand von 100 cm befand.

Ergebnisse: Für 18-MV-Photonenstrahlen wurde ein mit der Dicke der Metallplatte stark zunehmender Vorwärtsstreudosisfaktor (FSDF) festgestellt. Bei Photonenstrahlen niedrigerer Energie kam es initial zu einem steilen Abfallen des Vorwärtsstreudosisfaktors bis zu einem Minimalwert, der mit zunehmender Stärke der Metallplatte langsam wieder anstieg. Außerdem zeigten sich sowohl für 6- als auch für 18-MV-Photonen bei lateralem Achsabstand (off-axis) für die FSDF-Variabilität geringfügig steilere Kurven im Vergleich zu dem Effekt im Zentralstrahl. Dabei war die Veränderung der Kurvensteigung ausgeprägter bei 18-MV- als beim 6-MV-Photonenstrahl.

Schlussfolgerung: Der starke Abfall der Vorwärtsstreudosis infolge einer Metallgrenzfläche bei relativ niedriger Photonenenergie (Co-60, 6 MV) wird der Streuung von Sekundärelektronen innerhalb des Metalls zugeschrieben. Die beobachtete Steigung der Dosis bei hoher Photonenenergie wird mit der Zunahme des Paarbildungseffekts erklärt, der proportional zur Kernladungszahl steigt. Da der Vorwärtsstreudosisfaktor von den Photonenspektren abhängt, kann er als Maß der Photonenstrahlqualität in Abhängigkeit vom Divergenzwinkel betrachtet werden.