Conclusion des comparaisons
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Laboratoire de physique corpusculaire de Caen La fragmentation du 12C à 95 MeV/u appliquée au domaine de la hadronthérapie Rencontre Jeunes Chercheurs 2010 Benjamin Braunn DSM/IRFU/SPhN CEA Saclay Mardi 14 décembre 2010 1 Sommaire de la présentation • Contexte de l’étude • Expérience E566 • Expérience vs Simulations avec GEANT4 • Conclusions et perspectives 2 • Contexte de l’étude • Expérience • Comparaisons • Conclusion et perspectives Radiothérapie : les différentes familles 3 • Contexte de l’étude • Expérience • Comparaisons • Conclusion et perspectives avantages balistiques • Pic de Bragg • Faible diffusion angulaire Conformation à la tumeur Intérêt des ions carbone 12 (1) 12C- Ions 250 MeV/u 18 MeV photons 4 4 • Contexte de l’étude • Expérience • Comparaisons • Conclusion et perspectives avantages biologiques Intérêt des ions carbone 12 (2) Efficacité Biologique Relative RBE Effet Oxygène OER RBE élevé = Dégâts importants Pour des dégâts biologiques identiques. Pour des dégâts biologiques identiques et pour un même type d’irradiation. OER faible = Faible résistance des cellules hypoxiques 5 Contexte de l’étude • Expérience • Comparaisons • Conclusion et perspectives Intérêt des ions carbone 12 (3) (u.a) • Inconvénient : fragmentation Compromis à faire entre des dégâts biologiques élevés et une bonne localisation de la dose Carbone : bon candidat 6 • Contexte de l’étude • Expérience • Comparaisons • Conclusion et perspectives Influence de la fragmentation sur la dose Simulation GEANT4 • 12C à E= 290MeV/u dans l’eau Consommation du projectile • 50% à 165 mm • Baisse du dépôt d’énergie au pic de Bragg. Contribution des fragments • Apparition d’une “queue de fragmentation” due aux interactions nucléaires 7 • Contexte de l’étude • Expérience • Comparaisons • Conclusion et perspectives Cartographie de dose Objectif : dose uniforme à ± 3% proton ± 3% Calcul de dose • nombre • position projectile • énergie + RBE + • nombre • position • énergie fragments 8 • Contexte de l’étude • Expérience • Comparaisons • Conclusion et perspectives Collaboration GDR MI2B (IN2P3,CEA) Expérience E566 au GANIL Objectif : Obtenir le nombre et l’énergie des fragments émis à un angle donné, et après une épaisseur donnée de matière afin de tester différents modèles nucléaires avec GEANT4 • LPC Caen : G.Ban, E. Batin, B. Braunn, J. Colin, D. Cussol, J.M. Fontbonne, M. Labalme, F.R. Lecolley, C. Pautard. • IPN Lyon : M. Chevallier, D. Dauvergne, F. Le Foulher, C. Ray, E. Testa, M. Testa. • IPHC Strasbourg : F. Haas, D. Lebhertz, M. Rousseau, L. Stuttge. • CEA Saclay : M.D. Salsac. • IRSN : V. Lacoste, F. Trompier. 9 Plan • Contexte de l’étude • Expérience E566 – Présentation du dispositif expérimental – Etalonnage et analyse des résultats • Expérience vs Simulations avec GEANT4 • Conclusions et perspectives 10 • Contexte de l’étude • Expérience • Comparaisons • Conclusion et perspectives Expérience : mesure de fragmentation sur cible épaisse Cible : PMMA (C5H8O2)n Matériau équivalent tissu Parcours du carbone = 20 mm 12C 40 mm à 95 MeV/u 25 20 15 10 5 Les télescopes sont placés sur des bras rotatifs Couverture angulaire de 0 à 70° 11 • Contexte de l’étude • Expérience • Comparaisons • Conclusion et perspectives Montage expérimental – ligne G22 Porte-cibles Détecteurs à particules chargées Monitorage faisceau Chambre ECLAN Faisceau 12C à 94,5MeV/u I : 104 à 108 pps 12 • Contexte de l’étude • Expérience • Comparaisons • Conclusion et perspectives Dispositif « particules chargées » ΔE1 ΔE2 ΔE3 Schéma télescope 5 Télescopes à particules chargées 3 étages : ΔE1-ΔE2- ΔE3 • ΔE1 : Si (80 μm) • ΔE222/04/2017 : Si (500 μm) • ΔE3 : BGO (7,6 cm) ou CsI ( 7,5 cm) 13 Plan • Contexte de l’étude • Expérience E566 – Présentation du dispositif expérimental – Etalonnage et analyse des résultats • Expérience vs Simulations avec GEANT4 • Conclusions et perspectives 14 • Contexte de l’étude • Expérience • Comparaisons • Conclusion et perspectives Energie (Canal) échelle logarithmique Mesures : taux de production Épaisseur 1 cm Cartes d’identification ΔE1–ΔE2 et ΔE2–ΔE3 + Sélection = Taux de production par fragment pour un angle et pour une épaisseur donnés La Lesdispersion Z=1 et 2est sont d’autant plus prépondérants importante que la La production charge est petitede Z=2 est plus importante à Les charges plus faible angleles que Z=1 lourdes après 2 cm ne sont plus détectées 15 • Contexte de l’étude • Expérience • Comparaisons • Conclusion et perspectives Mesures : spectres en énergie Energie (Canal) Cartes d’identification ΔE1–ΔE2 et ΔE2–ΔE3 + Sélection + Étalonnage en énergie = Spectres en énergie 16 • Contexte de l’étude • Expérience • Comparaisons • Conclusion et perspectives PMMA 15 5 mm mm Perte d’énergie dans la cible Énergie du faisceau L’énergie moyenne par nucléon des fragments est proche de l’énergie moyenne par nucléon du projectile. La dynamique de la réaction est importante : les particules légères peuvent avoir une énergie cinétique jusqu’à deux fois celle du projectile. L’énergie des fragments diminue en fonction de l’épaisseur. 17 Plan • Contexte de l’étude • Expérience E566 • Expérience vs Simulations avec GEANT4 – Caractéristiques de la simulation – Description des modèles – Comparaisons • Conclusions et perspectives 18 • Contexte de l’étude • Expérience • Comparaisons • Conclusion et perspectives Caractéristiques de la simulation Dispositif entier Arrêt avant propagation dans les détecteurs Temps de calcul 106 évènements 1 à 6 heures Temps de calcul 106 évènements 2 à 5 jours - ferme de calcul + Test de l’efficacité de détection Coupure des Z=1 à haute énergie 22/04/2017 19 Objectif : évaluer les modèles nucléaires au sein de Geant4 19 • Contexte de l’étude • Expérience • Comparaisons • Conclusion et perspectives Projectile Modèles nucléaires Quasi-projectile Cascade binaire intra-nucléaire BIC Evaporation EVAP Evaporation Généralisée GEM FermiFragments Break-up FBU Multifragmentation Statistique b Dynamique moléculaire quantique S JQMD Cible Quasi-Cible Partie dynamique de la collision Voie d’entrée Partie statistique de la collision Voie de sortie 20 Plan • Contexte de l’étude • Expérience E566 • Expérience vs Simulations avec GEANT4 – Caractéristiques de la simulation – Description des modèles – Comparaisons • Conclusions et perspectives 21 • Contexte de l’étude • Expérience • Comparaisons • Conclusion et perspectives Comparaisons modèles nucléaires – GEANT4 particule chargée Modèles nucléaires testés avec GEANT4 : « LPC » et « BIC » cascade binaire intra-nucléaire « QMD » dynamique moléculaire quantique p d, t, α Autres Ions LPC modèles inélastiques et de désexcitation BIC QMD BIC EVAP BIC EVAP BIC EVAP BIC EVAP JQMD GEM BIC EVAP JQMD GEM < 100 MeV > 80 MeV modèle optique evap* BIC EVAP BIC EVAP 22 Plan • Contexte de l’étude • Expérience E566 • Expérience vs Simulations avec GEANT4 – Caractéristiques de la simulation – Description des modèles – Comparaisons – Distributions en charge – Distributions angulaires – Distributions énergétiques • Conclusions et perspectives 23 Distributions en charge PMMA 5 mm Distributions angulaires Distributions en énergie Échelle logarithmique Résultats pour une simulation de 106 12C incidents LPC ≈ BIC≠QMD Sous-évaluation des données Écarts d’un facteur 2 Surévaluation de BIC d’autant plus que le fragment a une charge élevée 1 coup simulé obtenus pour 106 12C Pas de Z=5,6 avec QMD par manque de statistique Erreurs statistiques seules 24 Distributions en charge Distribution Distributions angulaires Distributions en énergie en charge PMMA 25 mm Après le pic de Bragg 0° Mesure à 0°possible LPC ≈ BIC ≈ QMD Sous-estimation Surestimation Pas de Z=6 : entièrement stoppés dans la cible Écarts d’un facteur 2 à un facteur 10 25 Plan • Contexte de l’étude • Expérience E566 • Expérience vs Simulations avec GEANT4 – Caractéristiques de la simulation – Description des modèles – Comparaisons – Distributions en charge – Distributions angulaires – Distributions énergétiques • Conclusions et perspectives 26 Distributions en charge Distributions angulaires Z=1 Distributions angulaires Distributions en énergie Manque le point à 0° PMMA 5 mm PMMA 25 mm La forme générale de la distribution est reproduite BIC < QMD à petit angle 27 Distributions en charge Distributions angulaires Z=2 Distributions angulaires Distributions en énergie Manque le point à 0° PMMA 5 mm Forme de la distribution reproduite PMMA 25 mm Forte surévaluation de la pente par BIC 28 Distributions en charge Distributions angulaires Z=4 Distributions angulaires Idem pour Z=3, 5 et 6 Distributions en énergie Manque le point à 0° PMMA 5 mm PMMA 25 mm Mauvaise reproduction de la forme de la distribution pour les Z=3, 4, 5 et 6 29 Plan • Contexte de l’étude • Expérience E566 • Expérience vs Simulations avec GEANT4 – Caractéristiques de la simulation – Description des modèles – Comparaisons – Distributions en charge – Distributions angulaires – Distributions énergétiques • Conclusions et perspectives 30 Distributions en charge Distributions angulaires PMMA 5 mm Distributions en énergie Énergie moyenne avec BIC Energie moyenne bien reproduite Les distributions ne sont pas assez étalées autour de l’énergie moyenne Z=2 Partie basse énergie mieux reproduite par QMD L’énergie moyenne ne diminue pas pour BIC 31 Distributions en charge Distributions angulaires PMMA 25 mm 0° Distributions en énergie Z=2 Non reproduction de l’énergie moyenne 32 Plan • Contexte de l’étude • Expérience E566 • Expérience vs Simulations avec GEANT4 • Conclusions et perspectives 33 • Contexte de l’étude • Expérience • Comparaisons • Conclusion et perspectives Bilan expérimental – Les taux de production des Z=1 et 2 sont prépondérants par rapport aux taux de production des fragments plus lourds – Le taux de production de l’hélium est supérieur au taux de production de l’hydrogène à petit angle – Les fragments sont essentiellement issus du projectile – L’énergie des fragments peut être élevée (contraintes sur les dispositif expérimental) 34 • Contexte de l’étude • Expérience • Comparaisons • Conclusion et perspectives Bilan comparaison – L’influence des modèles de désexcitation statistique est faible (petit système ; E < 100 MeV/u) – Les modèles testés BIC et QMD ne reproduisent pas les données écart d’un facteur 2 à 10 sur les taux de production Pshenichnov et al. (NIM B 268) arrive à la même conclusion à 200 et 400 MeV/u avec BIC BIC ne semble pas adapté pour reproduire le mécanisme de fragmentation en hadronthérapie 35 • Contexte de l’étude • Expérience • Comparaisons • Conclusion et perspectives Conclusion générale Nécessité de valider un modèle nucléaire pour la Hadronthérapie – Tester d’autres modèles – Faire des comparaisons à d’autres énergies (ex : QMD) – Tester d’autres environnements MC (ex: Fluka, MCNPX) – Développer un modèle dédié Nécessité de réaliser des mesures (peu de données expérimentales) – sur cible épaisses (consommation du projectile, mesure de dose, taux de production de fragments) – sur cible minces (sections efficaces de réaction, déconvolution entre le transport des ions et les interactions nucléaires) 36 • Contexte de l’étude • Expérience • Comparaisons • Conclusion et perspectives • GANIL Perspectives Mesures de sections efficaces – C+PMMA (cible épaisse) à 95 MeV/u (2008) (Analyse finalisée) – C+(C,CH2,O,Al2O3,Al, Ti, Au) à 95 MeV/u (2010-2011) – C +(C,CH2,O,Al2O3,Al, Ti, Au) à 95 MeV/u mesures complémentaires à 0° (2012-2013) • GSI (Projet FIRST) – O+C, C+C, C+Au à 200 et 400 MeV/u (2011) • LNS Catane – C+C, C+Au à 32 et 62 MeV/u (analyse en cours 2010) – C+C, C+Au, C+CH2 à 80 MeV/u (2010-2011) Mesures réalisées en concertation Difficultés pour obtenir du temps de faisceau • Archade (2015) salle d’expérience dédiée aux mesures physiques et biologiques – Etude de la fragmentation avec des faisceaux de H, He et C entre 80 et 400 MeV/u 37 Collaborateurs • LPC Caen : J.C. Angelique, G.Ban, E. Batin, J. Colin, C. Courtois, D. Cussol, J.M. Fontbonne, M. Labalme, F.R. Lecolley, C. Pautard. • IPN Lyon : M. Chevallier, D. Dauvergne, F. Le Foulher, C. Ray, E. Testa, M. Testa. • IPHC Strasbourg : F. Haas, M. Rousseau, L. Stuttge. • CEA Saclay : M. D. Salsac, P. Kaitaniemi. • GANIL : D. Lebhertz, M.G. Saint Laurent. Merci de votre attention ! 38 39 • Contexte de l’étude • Expérience • Comparaisons • Conclusion et perspectives Désexcitation statistique séquentielle résidu n p He résidu E* A>4 t γ Photo-évaporation Émission statistique de particules légères « froides » Gem = émission jusqu’au 28Mg 22/04/2017 Evap= émission jusqu’au 4He 40 40 • Contexte de l’étude • Expérience • Comparaisons • Conclusion et perspectives Fermi Break-Up p He A>4 etnA<17 et Z<9 E* t Émission statistique simultanée de particules légères « froides » 22/04/2017 41 41 • Contexte de l’étude • Expérience • Comparaisons • Conclusion et perspectives SMM t n résidu n fragment n Freeze-out E*fragment p MeV nucléon > 3 n t p n fragment He 22/04/2017 42 42 Monitorage faisceau Ge Émission de rayon X par fluorescence transition K-LII (21.99 KeV) transition K-M (25 KeV) Le nombre de photons détectés est proportionnel au nombre de carbones traversant la feuille d’argent Vers la chambre à réaction Axe du faisceau Feuille d’argent Si(li) 22/04/2017 43 43 Distribution angulaire de l’hydrogène Deux mécanismes de production ? 22/04/2017 44 44 Comparaison – efficacité de détection Écart entre les deux types de simulations 10 à 20% Résultats identiques 22/04/2017 45 45 Comparaison – efficacité de détection 22/04/2017 46 46 Reconstruction de l’énergie du projectile Traversée du télescope Interactions EM 22/04/2017 Interactions EM et nucléaires 47 47 Erreur de sélection et donc d’identification 22/04/2017 48 48 Parcours des ions Comparaisons mesures (GSI) – G4 Ecart lié à la section efficace de fragmentation du carbone 200 Décalage lié au l’énergie d’ionisation I Pour l’eau, I=78,5 eV 22/04/2017 49 49 Haettner et al. Rad. Prot. Dosim. (2006), Vol. 122, No. 1-4, pp. 485-487 Laboratoire de physique corpusculaire de Caen Le groupe « APPLI » vous invite cordialement à assister à la Soutenance de thèse de Benjamin Braunn Vendredi 5 novembre 2010 à 10h en salle G. Iltis. La fragmentation du 12C à 95 MeV/u appliquée au domaine de la hadronthérapie Etude expérimentale et simulations sur cibles épaisses de PMMA Un pot sera offert à l’issue de la présentation. 50 Cascade binaire noyau - noyau Nucléons projectile « Spectateurs » P Zone participante Nucléons cible « spectateurs » P + 1 Particules émises 2 « spectateurs » C Quasi cible Quasi projectile 3 + « spectateurs » C 51 (JAERI)QMD •Résolution de l’équation de transport Landau-Vlasov (LV, VUU, BUU) Partie Vlasov • potentiel du champ moyen Partie Landau • terme de collision à 2 corps nucléonnucléon • blocage de Pauli (mécanique quantique) On suppose que : •Nucléons = fonctions d’onde gaussiennes Akira Ohnishi, Proceedings of the fifth symposium on simulation of hadronic many-body system； March 3-4， 1998， JAERI， Tokai， Japan •Fonction densité totale = somme des fonctions densité •Interaction effective = Coulomb+ Skyrme+Symétrie 52 • Contexte de l’étude • Expérience • Comparaisons • Conclusion et perspectives Test des voies de Sortie Voie d’entrée fixée : QMD + EVAP_FBU_SMM = Si E*nucl>3 MeV Si A,Z<16,9 Sinon SMM FBU EVAP EVAP_FBU = Si E*nucl>3 MeV Si A,Z<16,9 Sinon SMM FBU EVAP EVAP_SMM = SMM FBU EVAP EVAP = Si E*nucl>3 MeV Si A,Z<16,9 Sinon SMM FBU EVAP Si E*nucl>3 MeV Si A,Z<16,9 Sinon Même chose avec GEM à la place de EVAP 8 couplages testés 53 • Contexte de l’étude • Expérience • Comparaisons • Conclusion et perspectives Très faible modification des taux de production PMMA 15 mm Conclusion : Les modèles de voie de sortie n’ont pas d’influence notable sur les taux de production simulés. 54 • Contexte de l’étude • Expérience • Comparaisons • Conclusion et perspectives Dose totale mesurée dans le premier étage PMMA 5 mm Si Si BGO/CsI Estimation de la dose déposée dans le silicium fin (80 µm) La dose varie sur 3 ordres de grandeurs en fonction de l’angle. 10-10 Gy/12C correspond à 10 µGy pour 1 Gy carbone déposé à la tumeur. 55 PMMA 20 mm • Contexte de l’étude • Expérience • Comparaisons • Conclusion et perspectives Estimation de la dose Dose mesurée dans le premier étage des télescopes (Silicium 80 µm) PMMA 5 mm PMMA 20 mm L’écart entre les simulations et l’estimation de la dose est au maximum d’un facteur 2 L’erreur sur la dose est donc moins importante que pour les taux de production A 22/04/2017 0° pour 20 mm, 10-7 Gy/12C correspond à 10 mGy pour 1 Gy déposé par les carbones au niveau de la tumeur, soit 1% de la dose carbone déposée à la tumeur 56 • Contexte de l’étude • Expérience • Comparaisons • Conclusion et perspectives Modèles de désexcitation statistique Modèles d’émission statistique séquentielle Modèles d’émission statistique explosive GEM = émission jusqu’au 28Mg EVAP= émission jusqu’au 4He FBU = explosion en fragments SMM = expansion du noyau puis explosion ( Si A ≤ 4 pas d’évaporation => directement photo-évaporation ) 57 • Contexte de l’étude • Expérience • Comparaisons • Conclusion et perspectives Différentes armes contre le cancer 45% guérison 55% d’échec 58 • Contexte de l’étude • Expérience • Comparaisons • Conclusion et perspectives Radiothérapie Radiothérapie : 150 000 patients /an (France) 59 59 • Contexte de l’étude • Expérience • Comparaisons • Conclusion et perspectives Protonthérapie Protonthérapie : 50 000 patients (Monde) 60 • Contexte de l’étude • Expérience • Comparaisons • Conclusion et perspectives Hadronthérapie : carbone Carbone 5 000 patients (Monde) Outil complémentaire aux techniques existantes La hadronthérapie demande de gros investissements Technique encore peu développée 61 • Contexte de l’étude • Expérience • Comparaisons • Conclusion et perspectives Centres de thérapie par ions carbone 62 • Contexte de l’étude • Expérience • Comparaisons • Conclusion et perspectives Bilan- données expérimentales Les taux de production et l’énergie des fragments en fonction de l’angle et de l’épaisseur de PMMA traversé ont été mesurés. Effets attendus : – La dispersion des fragments est d’autant plus grande que la charge est petite. – Les charges les plus élevées (Z=5 et 6) disparaissent après 20 mm de PMMA (parcours des carbone=20mm). – L’énergie des fragments diminue en fonction de l’épaisseur de cible. Observations : –Le nombre d’hélium produit est plus important que celui d’hydrogène à petit angle. –L’énergie moyenne par nucléon des fragments est proche de l’énergie moyenne par nucléon du projectile. Les fragments proviennent majoritairement du projectile. – L’énergie cinétique des particules est très grande (jusqu’à deux fois l’énergie du faisceau pour les Z=1). Cela se révèle être une contrainte pour l’identification ainsi que pour l’électronique d’acquisition. 63 • Contexte de l’étude • Expérience • Comparaisons • Conclusion et perspectives Conclusion des comparaisons Les modèles de voie d’entrée BIC et QMD ne reproduisent pas les données expérimentales L’écart sur les taux de production varie d’un facteur 2 à 10 L’évolution angulaire des taux de production n’est pas bonne pour l’ensemble des épaisseurs BIC surévalue la dispersion pour l’ensemble des charges (sauf Z=1) Les spectres en énergie de Z=2 ne sont pas reproduits par BIC ni par QMD 64
