Monte Carlo track structure simulation is a powerful method for estimating damage induced by water radiolysis products for cell killing. To investigate the influence of multiple ionization for the formation of water radiolysis products under 1H+, 4He2+, and 12C6+ ion beams, a Monte Carlo simulation based on Geant4-DNA was carried out. The G-value of H2O2 increased monotonically with increasing linear energy transfer up to 200 eV/nm. Above 200 eV/nm, the G-value of H2O2 began dropping, but only when the influence of multiple ionization was considered. This trend is in good agreement with the experimental results. Furthermore, we successfully reproduce the experimental results of G-values of HO2 + O2•−. The role of the multiple ionization in the production of H2O2, HO2, O2•−, and O2 is also discussed.

1.
E.
Scifoni
,
W.
Tinganelli
,
W. K.
Weyrather
,
M.
Durante
,
A.
Maier
, and
M.
Krämer
,
Phys. Med. Biol.
58
,
3871
(
2013
).
3.
Y.
Furusawa
,
K.
Fukutsu
,
M.
Aoki
,
H.
Itsukaichi
,
K.
Eguchi-Kasai
,
H.
Ohara
,
F.
Yatagai
,
T.
Kanai
, and
K.
Ando
,
Radiat. Res.
154
,
485
496
(
2000
).
4.
K.
Ando
,
S.
Koike
,
C.
Ohira
,
Y. J.
Chen
,
K.
Nojima
,
S.
Ando
,
T.
Ohbuchi
,
N.
Kobayashi
,
W.
Shimizu
, and
M.
Urano
,
Int. J. Radiat. Biol.
75
,
505
(
1999
).
5.
R.
Hirayama
,
A.
Uzawa
,
N.
Takase
,
Y.
Matsumoto
,
M.
Noguchi
,
K.
Koda
,
M.
Ozaki
,
K.
Yamashita
,
H.
Li
,
Y.
Kase
,
N.
Matsufuji
,
S.
Koike
,
S.-i.
Masunaga
,
K.
Ando
,
R.
Okayasu
, and
Y.
Furusawa
,
Mutat. Res., Genet. Toxicol. Environ. Mutagen.
756
,
146
(
2013
).
6.
T.
Kusumoto
,
H.
Kitamura
,
S.
Hojo
,
T.
Konishi
, and
S.
Kodaira
,
RSC Adv.
10
,
38709
(
2020
).
7.
Y.
Lai
,
X.
Jia
, and
Y.
Chi
,
Phys. Med. Biol.
66
,
025004
(
2021
).
8.
G.
Pratx
and
D. S.
Kapp
,
Phys. Med. Biol.
64
,
185005
(
2019
).
9.
G.
Adrian
,
E.
Konradsson
,
M.
Lempart
,
S.
Bäck
,
C.
Ceberg
, and
K.
Petersson
,
Br. J. Radiol.
93
,
20190702
(
2020
).
10.
J.
Meesungnoen
,
A.
Filali-Mouhim
,
N. S. N.
Ayudhya
,
S.
Mankhetkorn
, and
J.-P.
Jay-Gerin
,
Chem. Phys. Lett.
377
,
419
(
2003
).
11.
J.
Meesungnoen
and
J.-P.
Jay-Gerin
,
J. Phys. Chem. A
109
,
6406
(
2005
).
12.
B.
Gervais
,
M.
Beuve
,
G. H.
Olivera
, and
M. E.
Galassi
,
Radiat. Phys. Chem.
75
,
493
(
2006
).
13.
K.
Baba
,
T.
Kusumoto
,
S.
Okada
,
R.
Ogawara
,
S.
Kodaira
,
Q.
Raffy
,
R.
Barillon
,
N.
Ludwig
,
C.
Galindo
,
P.
Peaupardin
, and
M.
Ishikawa
,
Sci. Rep.
11
,
1
(
2021
).
14.
S.
Agostinelli
,
J.
Allison
,
K.
Amako
,
J.
Apostolakis
,
H.
Araujo
,
P.
Arce
,
M.
Asai
,
D.
Axen
,
S.
Banerjee
,
G.
Barrand
,
F.
Behner
,
L.
Bellagamba
,
J.
Boudreau
,
L.
Broglia
,
A.
Brunengo
,
H.
Burkhardt
,
S.
Chauvie
,
J.
Chuma
,
R.
Chytracek
,
G.
Cooperman
,
G.
Cosmo
,
P.
Degtyarenko
,
A.
Dell'Acqua
,
G.
Depaola
,
D.
Dietrich
,
R.
Enami
,
A.
Feliciello
,
C.
Ferguson
,
H.
Fesefeldt
,
G.
Folger
,
F.
Foppiano
,
A.
Forti
,
S.
Garelli
,
S.
Giani
,
R.
Giannitrapani
,
D.
Gibin
,
J. J.
Gómez Cadenas
,
I.
González
,
G.
Gracia Abril
,
G.
Greeniaus
,
W.
Greiner
,
V.
Grichine
,
A.
Grossheim
,
S.
Guatelli
,
P.
Gumplinger
,
R.
Hamatsu
,
K.
Hashimoto
,
H.
Hasui
,
A.
Heikkinen
,
A.
Howard
,
V.
Ivanchenko
,
A.
Johnson
,
F. W.
Jones
,
J.
Kallenbach
,
N.
Kanaya
,
M.
Kawabata
,
Y.
Kawabata
,
M.
Kawaguti
,
S.
Kelner
,
P.
Kent
,
A.
Kimura
,
T.
Kodama
,
R.
Kokoulin
,
M.
Kossov
,
H.
Kurashige
,
E.
Lamanna
,
T.
Lampén
,
V.
Lara
,
V.
Lefebure
,
F.
Lei
,
M.
Liendl
,
W.
Lockman
,
F.
Longo
,
S.
Magni
,
M.
Maire
,
E.
Medernach
,
K.
Minamimoto
,
P.
Mora de Freitas
,
Y.
Morita
,
K.
Murakami
,
M.
Nagamatu
,
R.
Nartallo
,
P.
Nieminen
,
T.
Nishimura
,
K.
Ohtsubo
,
M.
Okamura
,
S.
O'Neale
,
Y.
Oohata
,
K.
Paech
,
J.
Perl
,
A.
Pfeiffer
,
M. G.
Pia
,
F.
Ranjard
,
A.
Rybin
,
S.
Sadilov
,
E.
Di Salvo
,
G.
Santin
,
T.
Sasaki
,
N.
Savvas
,
Y.
Sawada
,
S.
Scherer
,
S.
Sei
,
V.
Sirotenko
,
D.
Smith
,
N.
Starkov
,
H.
Stoecker
,
J.
Sulkimo
,
M.
Takahata
,
S.
Tanaka
,
E.
Tcherniaev
,
E.
Safai Tehrani
,
M.
Tropeano
,
P.
Truscott
,
H.
Uno
,
L.
Urban
,
P.
Urban
,
M.
Verderi
,
A.
Walkden
,
W.
Wander
,
H.
Weber
,
J. P.
Wellisch
,
T.
Wenaus
,
D. C.
Williams
,
D.
Wright
,
T.
Yamada
,
H.
Yoshida
, and
D.
Zschiesche
,
Nucl. Instrum. Methods Phys. Res., Sect. A
506
,
250
(
2003
).
15.
J.
Allison
,
K.
Amako
,
J.
Apostolakis
,
H.
Araujo
,
P.
Arce Dubois
,
M.
Asai
,
G.
Barrand
,
R.
Capra
,
S.
Chauvie
,
R.
Chytracek
,
G. A. P.
Cirrone
,
G.
Cooperman
,
G.
Cosmo
,
G.
Cuttone
,
G. G.
Daquino
,
M.
Donszelmann
,
M.
Dressel
,
G.
Folger
,
F.
Foppiano
,
J.
Generowicz
,
V.
Grichine
,
S.
Guatelli
,
P.
Gumplinger
,
A.
Heikkinen
,
I.
Hrivnacova
,
A.
Howard
,
S.
Incerti
,
V.
Ivanchenko
,
T.
Johnson
,
F.
Jones
,
T.
Koi
,
R.
Kokoulin
,
M.
Kossov
,
H.
Kurashige
,
V.
Lara
,
S.
Larsson
,
F.
Lei
,
O.
Link
,
F.
Longo
,
M.
Maire
,
A.
Mantero
,
B.
Mascialino
,
I.
McLaren
,
P.
Mendez Lorenzo
,
K.
Minamimoto
,
K.
Murakami
,
P.
Nieminen
,
L.
Pandola
,
S.
Parlati
,
L.
Peralta
,
J.
Perl
,
A.
Pfeiffer
,
M. G.
Pia
,
A.
Ribon
,
P.
Rodrigues
,
G.
Russo
,
S.
Sadilov
,
G.
Santin
,
T.
Sasaki
,
D.
Smith
,
N.
Starkov
,
S.
Tanaka
,
E.
Tcherniaev
,
B.
Tome
,
A.
Trindade
,
P.
Truscott
,
L.
Urban
,
M.
Verderi
,
A.
Walkden
,
J. P.
Wellisch
,
D. C.
Williams
,
D.
Wright
, and
H.
Yoshida
,
IEEE Trans. Nucl. Sci.
53
,
270
(
2006
).
16.
J.
Allison
,
K.
Amako
,
J.
Apostolakis
,
P.
Arce
,
M.
Asai
,
T.
Aso
,
E.
Bagli
,
A.
Bagulya
,
S.
Banerjee
,
G.
Barrand
,
B. R.
Beck
,
A. G.
Bogdanov
,
D.
Brandt
,
J. M. C.
Brown
,
H.
Burkhardt
,
P.
Canal
,
D.
Cano-Ott
,
S.
Chauvie
,
K.
Cho
,
G. A. P.
Cirrone
,
G.
Cooperman
,
M. A.
Cortés-Giraldo
,
G.
Cosmo
,
G.
Cuttone
,
G.
Depaola
,
L.
Desorgher
,
X.
Dong
,
A.
Dotti
,
V. D.
Elvira
,
G.
Folger
,
Z.
Francis
,
A.
Galoyan
,
L.
Garnier
,
M.
Gayer
,
K. L.
Genser
,
V. M.
Grichine
,
S.
Guatelli
,
P.
Guèye
,
P.
Gumplinger
,
A. S.
Howard
,
I.
Hřivnáčová
,
S.
Hwang
,
S.
Incerti
,
A.
Ivanchenko
,
V. N.
Ivanchenko
,
F. W.
Jones
,
S. Y.
Jun
,
P.
Kaitaniemi
,
N.
Karakatsanis
,
M.
Karamitros
,
M.
Kelsey
,
A.
Kimura
,
T.
Koi
,
H.
Kurashige
,
A.
Lechner
,
S. B.
Lee
,
F.
Longo
,
M.
Maire
,
D.
Mancusi
,
A.
Mantero
,
E.
Mendoza
,
B.
Morgan
,
K.
Murakami
,
T.
Nikitina
,
L.
Pandola
,
P.
Paprocki
,
J.
Perl
,
I.
Petrović
,
M. G.
Pia
,
W.
Pokorski
,
J. M.
Quesada
,
M.
Raine
,
M. A.
Reis
,
A.
Ribon
,
A.
Ristić Fira
,
F.
Romano
,
G.
Russo
,
G.
Santin
,
T.
Sasaki
,
D.
Sawkey
,
J. I.
Shin
,
I. I.
Strakovsky
,
A.
Taborda
,
S.
Tanaka
,
B.
Tomé
,
T.
Toshito
,
H. N.
Tran
,
P. R.
Truscott
,
L.
Urban
,
V.
Uzhinsky
,
J. M.
Verbeke
,
M.
Verderi
,
B. L.
Wendt
,
H.
Wenzel
,
D. H.
Wright
,
D. M.
Wright
,
T.
Yamashita
,
J.
Yarba
, and
H.
Yoshida
,
Nucl. Instrum. Methods Phys. Res., Sect. A
835
,
186
(
2016
).
17.
S.
Incerti
,
I.
Kyriakou
,
M. A.
Bernal
,
M. C.
Bordage
,
Z.
Francis
,
S.
Guatelli
,
V.
Ivanchenko
,
M.
Karamitros
,
N.
Lampe
,
S. B.
Lee
,
S.
Meylan
,
C. H.
Min
,
W. G.
Shin
,
P.
Nieminen
,
D.
Sakata
,
N.
Tang
,
C.
Villagrasa
,
H. N.
Tran
, and
J. M. C.
Brown
,
Med. Phys.
45
,
e722
(
2018
).
18.
S.
Incerti
,
G.
Baldacchino
,
M.
Bernal
,
R.
Capra
,
C.
Champion
,
Z.
Francis
,
P.
GuÈye
,
A.
Mantero
,
B.
Mascialino
,
P.
Moretto
,
P.
Nieminen
,
C.
Villagrasa
, and
C.
Zacharatou
,
Int. J. Model. Simul. Sci. Comput.
1
,
157
(
2010
).
19.
S.
Incerti
,
A.
Ivanchenko
,
M.
Karamitros
,
A.
Mantero
,
P.
Moretto
,
H. N.
Tran
,
B.
Mascialino
,
C.
Champion
,
V. N.
Ivanchenko
,
M. A.
Bernal
,
Z.
Francis
,
C.
Villagrasa
,
G.
Baldacchino
,
P.
Guèye
,
R.
Capra
,
P.
Nieminen
, and
C.
Zacharatou
,
Med. Phys.
37
,
4692
(
2010
).
20.
M. A.
Bernal
,
M. C.
Bordage
,
J. M. C.
Brown
,
M.
Davídková
,
E.
Delage
,
Z.
El Bitar
,
S. A.
Enger
,
Z.
Francis
,
S.
Guatelli
,
V. N.
Ivanchenko
,
M.
Karamitros
,
I.
Kyriakou
,
L.
Maigne
,
S.
Meylan
,
K.
Murakami
,
S.
Okada
,
H.
Payno
,
Y.
Perrot
,
I.
Petrovic
,
Q. T.
Pham
,
A.
Ristic-Fira
,
T.
Sasaki
,
V.
Štěpán
,
H. N.
Tran
,
C.
Villagrasa
, and
S.
Incerti
,
Phys. Med.
31
,
861
(
2015
).
21.
M.
Karamitros
,
A.
Mantero
,
S.
Incerti
,
W.
Friedland
,
G.
Baldacchino
,
P.
Barberet
,
M.
Bernal
,
R.
Capra
,
C.
Champion
,
Z.
El Bitar
,
Z.
Francis
,
P.
Guèye
,
A.
Ivanchenko
,
V.
Ivanchenko
,
H.
Kurashige
,
B.
Mascialino
,
P.
Moretto
,
P.
Nieminen
,
G.
Santin
,
H.
Seznec
,
H. N.
Tran
,
C.
Villagrasa
, and
C.
Zacharatou
,
Prog. Nucl. Sci. Technol.
2
,
503
(
2011
).
22.
M.
Karamitros
,
S.
Luan
,
M. A.
Bernal
,
J.
Allison
,
G.
Baldacchino
,
M.
Davidkova
,
Z.
Francis
,
W.
Friedland
,
V.
Ivantchenko
,
A.
Ivantchenko
,
A.
Mantero
,
P.
Nieminem
,
G.
Santin
,
H. N.
Tran
,
V.
Stepan
, and
S.
Incerti
,
J. Comput. Phys.
274
,
841
(
2014
).
23.
M. E.
Rudd
,
Radiat. Prot. Dosim.
31
,
17
(
1990
).
24.
V.
Cobut
,
Y.
Frongillo
,
J. P.
Patau
,
T.
Goulet
,
M.-J.
Fraser
, and
J.-P.
Jay-Gerin
,
Radiat. Phys. Chem.
51
,
229
(
1998
).
25.
C.
Champion
,
Nucl. Instrum. Methods Phys. Res., Sect. B
205
,
671
(
2003
).
26.
J.
Meesungnoen
and
J.-P.
Jay-Gerin
,
Radiat. Res.
164
,
688
(
2005
).
27.
J.
Meesungnoen
and
J.-P.
Jay-Gerin
,
Radiat. Res.
171
,
379
(
2009
).
28.
Y.
Hatano
,
Y.
Katsumura
, and
A.
Mozumder
,
Charged Particle and Photon Interactions with Matter: Recent Advances, Applications, and Interfaces
(
CRC Press
,
2011
).
29.
I.
Plante
,
Radiat. Environ. Biophys.
50
,
389
(
2011
).
30.
W. G.
Shin
,
J.
Ramos-Mendez
,
B.
Faddegon
,
H. N.
Tran
,
C.
Villagrasa
,
Y.
Perrot
,
S.
Okada
,
M.
Karamitros
,
D.
Emfietzoglou
,
I.
Kyriakou
,
M. C.
Bordage
,
D.
Sakata
,
S.
Guatelli
,
H. J.
Choi
,
C. H.
Min
,
S. B.
Lee
, and
S.
Incerti
,
J. Appl. Phys.
126
,
114301
(
2019
).
31.
A. R.
Anderson
and
E. J.
Hart
,
Radiat. Res.
14
,
689
(
1961
).
32.
A.
Appleby
and
H. A.
Schwarz
,
J. Phys. Chem.
73
,
1937
(
1969
).
33.
W. G.
Burns
and
H. E.
Sims
,
J. Chem. Soc., Faraday Trans. 1
77
,
2803
(
1981
).
34.
B.
Pastina
and
J. A.
LaVerne
,
J. Phys. Chem. A
103
,
1592
(
1999
).
35.
J. A.
LaVerne
, in
Proceedings of 11th International Congress of Radiation Research, Dublin, Ireland, 18–23 July 1999
, edited by
M.
Moriarty
,
C.
Mothersill
,
C.
Seymour
,
M.
Edington
,
J. F.
Ward
, and
R. J. M.
Fry
(
Allen Press
,
Lawrence, KS
,
2000
), Vol. 2.
36.
V.
Wasselin-Trupin
,
G.
Baldacchino
,
S.
Bouffard
, and
B.
Hickel
,
Radiat. Phys. Chem.
65
,
53
(
2002
).
37.
M.
Taguchi
and
T.
Kojima
,
Nucl. Sci. Tech.
18
,
35
(
2007
).
38.
G.
Baldacchino
,
D.
Le Parc
,
B.
Hickel
,
M.
Gardes-Albert
,
Z.
Abedinzadeh
,
D.
Jore
,
S.
Deycard
,
S.
Bouffard
,
V.
Mouton
, and
E.
Balanzat
,
Radiat. Res.
149
,
128
(
1998
).
39.
G.
Baldacchino
,
S.
Bouffard
,
E.
Balanzat
,
M.
Gardès-Albert
,
Z.
Abedinzadeh
,
D.
Jore
,
S.
Deycard
, and
B.
Hickel
,
Nucl. Instrum. Methods Phys. Res., Sect. B
146
,
528
(
1998
).
40.
M. P. R.
Waligórski
,
R. N.
Hamm
, and
R.
Katz
,
Int. J. Radiat. Appl. Instrum.
11
,
309
(
1986
).
41.
T.
Kusumoto
,
Y.
Mori
,
M.
Kanasaki
,
R.
Ikenaga
,
K.
Oda
,
S.
Kodaira
,
H.
Kitamura
,
R.
Barillon
, and
T.
Yamauchi
,
Radiat. Meas.
87
,
35
(
2016
).
You do not currently have access to this content.