1 La fragmentation du 12 C à 95 MeV/u appliquée au domaine de la hadronthérapie Laboratoire de physique corpusculaire de Caen Rencontre Jeunes Chercheurs 2010 Benjamin Braunn DSM/IRFU/SPhN CEA Saclay Mardi 14 décembre 2010

2 Contexte de l’étude Expérience E566 Expérience vs Simulations avec GEANT4 Conclusions et perspectives Sommaire de la présentation

3 Radiothérapie : les différentes familles Contexte de l’étude Expérience Comparaisons Conclusion et perspectives

4 4 Intérêt des ions carbone 12 (1) avantages balistiques Pic de Bragg Faible diffusion angulaire Conformation à la tumeur Contexte de l’étude Expérience Comparaisons Conclusion et perspectives 18 MeV photons 12 C- Ions 250 MeV/u

5 avantages biologiques Intérêt des ions carbone 12 (2) Contexte de l’étude Expérience Comparaisons Conclusion et perspectives RBE élevé = Dégâts importants OER faible = Faible résistance des cellules hypoxiques Efficacité Biologique Relative RBE Effet Oxygène OER Pour des dégâts biologiques identiques. Pour des dégâts biologiques identiques et pour un même type d’irradiation.

6 Intérêt des ions carbone 12 (3) Contexte de l’étude Expérience Comparaisons Conclusion et perspectives Inconvénient : fragmentation Compromis à faire entre des dégâts biologiques élevés et une bonne localisation de la dose Carbone : bon candidat (u.a )

7 Influence de la fragmentation sur la dose Simulation GEANT4 12 C 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 Contexte de l’étude Expérience Comparaisons Conclusion et perspectives

8 proton Cartographie de dose Contexte de l’étude Expérience Comparaisons Conclusion et perspectives Objectif : dose uniforme à ± 3% Calcul de dose nombre position projectile énergie nombre position fragments énergie ± 3% RBE + +

9 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. 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 Contexte de l’étude Expérience Comparaisons Conclusion et perspectives

10 Contexte de l’étude Expérience E566 –Présentation du dispositif expérimental –Etalonnage et analyse des résultats Expérience vs Simulations avec GEANT4 Conclusions et perspectives Plan

° 25° 17° 60° 40° mm Expérience : mesure de fragmentation sur cible épaisse 12 C à 95 MeV/u Cible : PMMA (C 5 H 8 O 2 )n Matériau équivalent tissu Parcours du carbone = 20 mm Contexte de l’étude Expérience Comparaisons Conclusion et perspectives Les télescopes sont placés sur des bras rotatifs Couverture angulaire de 0 à 70°

12 Montage expérimental – ligne G22 Faisceau 12 C à 94,5MeV/u I : 10 4 à 10 8 pps Chambre ECLAN Porte-cibles Détecteurs à particules chargées Ge Monitorage faisceau Si(Li) 3 m Contexte de l’étude Expérience Comparaisons Conclusion et perspectives Axe du faisceau

13 21/09/ Télescopes à particules chargées 3 étages : ΔE1-ΔE2- ΔE3 ΔE1 : Si (80 μm) ΔE2 : Si (500 μm) ΔE3 : BGO (7,6 cm) ou CsI ( 7,5 cm) Dispositif « particules chargées » Contexte de l’étude Expérience Comparaisons Conclusion et perspectives Axe du faisceau ΔE1 ΔE2ΔE3 Schéma télescope

14 Contexte de l’étude Expérience E566 –Présentation du dispositif expérimental –Etalonnage et analyse des résultats Expérience vs Simulations avec GEANT4 Conclusions et perspectives Plan

15 Energie (Canal) Cartes d’identification ΔE1–ΔE2 et ΔE2–ΔE3 Sélection + = Taux de production par fragment pour un angle et pour une épaisseur donnés Mesures : taux de production Contexte de l’étude Expérience Comparaisons Conclusion et perspectives La dispersion est d’autant plus importante que la charge est petite Les charges les plus lourdes après 2 cm ne sont plus détectées Les Z=1 et 2 sont prépondérants La production de Z=2 est plus importante à faible angle que Z=1 échelle logarithmique Épaisseur 1 cm

16 Energie (Canal) Cartes d’identification ΔE1–ΔE2 et ΔE2–ΔE3 Sélection + Mesures : spectres en énergie Contexte de l’étude Expérience Comparaisons Conclusion et perspectives + Étalonnage en énergie = Spectres en énergie

17 7° PMMA 5 mm PMMA 15 mm Contexte de l’étude Expérience Comparaisons Conclusion et perspectives L’énergie moyenne par nucléon des fragments est proche de l’énergie moyenne par nucléon du projectile. L’énergie des fragments diminue en fonction de l’épaisseur. La dynamique de la réaction est importante : les particules légères peuvent avoir une énergie cinétique jusqu’à deux fois celle du projectile. Énergie du faisceau Perte d’énergie dans la cible

18 Contexte de l’étude Expérience E566 Expérience vs Simulations avec GEANT4 –Caractéristiques de la simulation –Description des modèles –Comparaisons Conclusions et perspectives Plan

19 21/09/ Caractéristiques de la simulation Contexte de l’étude Expérience Comparaisons Conclusion et perspectives Dispositif entier Temps de calcul 10 6 évènements 1 à 6 heures Temps de calcul 10 6 évènements 2 à 5 jours - ferme de calcul + Test de l’efficacité de détection Coupure des Z=1 à haute énergie Objectif : évaluer les modèles nucléaires au sein de Geant4 Arrêt avant propagation dans les détecteurs

20 b Partie dynamique de la collision Voie d’entrée Projectile Cible Quasi-Cible Quasi-projectile Contexte de l’étude Expérience Comparaisons Conclusion et perspectives Partie statistique de la collision Voie de sortie Modèles nucléaires Cascade binaire intra-nucléaire BIC Dynamique moléculaire quantique JQMD Evaporation EVAP Evaporation Généralisée GEM Fermi Break-up FBU Multifragmentation Statistique SMM Fragments

21 Plan Contexte de l’étude Expérience E566 Expérience vs Simulations avec GEANT4 –Caractéristiques de la simulation –Description des modèles –Comparaisons Conclusions et perspectives

22 Comparaisons modèles nucléaires – GEANT4 « LPC » et « BIC » cascade binaire intra-nucléaire Contexte de l’étude Expérience Comparaisons Conclusion et perspectives « QMD » dynamique moléculaire quantique Modèles nucléaires testés avec GEANT4 :

23 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

24 PMMA 5 mm 7° 17° Distributions en charge Distributions angulaires Distributions en énergie Erreurs statistiques seules Résultats pour une simulation de C incidents LPC ≈ BIC≠QMD Surévaluation de BIC d’autant plus que le fragment a une charge élevée Sous-évaluation des données Pas de Z=5,6 avec QMD par manque de statistique Échelle logarithmique Écarts d’un facteur 2 1 coup simulé obtenus pour C

25 PMMA 25 mm 0° 17° Distribution en charge Distributions en charge Distributions angulaires Distributions en énergie Après le pic de Bragg Mesure à 0°possible Sous-estimation Surestimation Pas de Z=6 : entièrement stoppés dans la cible LPC ≈ BIC ≈ QMD Écarts d’un facteur 2 à un facteur 10

26 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

27 Distributions angulaires Z=1 Distributions en charge Distributions angulaires Distributions en énergie Manque le point à 0° BIC < QMD à petit angle PMMA 25 mm PMMA 5 mm La forme générale de la distribution est reproduite

28 Distributions angulaires Z=2 Distributions en charge Distributions angulaires Distributions en énergie Forme de la distribution reproduiteForte surévaluation de la pente par BIC PMMA 5 mm PMMA 25 mm Manque le point à 0°

29 Distributions angulaires Z=4 Distributions en charge Distributions angulaires Distributions en énergie Mauvaise reproduction de la forme de la distribution pour les Z=3, 4, 5 et 6 Idem pour Z=3, 5 et 6 Manque le point à 0° PMMA 5 mm PMMA 25 mm

30 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 Plan

31 PMMA 5 mm 7° 10° Distributions en charge Distributions angulaires Distributions en énergie Energie moyenne bien reproduite Les distributions ne sont pas assez étalées autour de l’énergie moyenne Partie basse énergie mieux reproduite par QMD L’énergie moyenne ne diminue pas pour BIC 20° Z=2 Énergie moyenne avec BIC

32 PMMA 25 mm 0° Distributions en charge Distributions angulaires Distributions en énergie Non reproduction de l’énergie moyenne Z=2

33 Plan Contexte de l’étude Expérience E566 Expérience vs Simulations avec GEANT4 Conclusions et perspectives

34 –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) Bilan expérimental Contexte de l’étude Expérience Comparaisons Conclusion et perspectives

35 –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 Bilan comparaison Contexte de l’étude Expérience Comparaisons Conclusion et perspectives

36 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) Conclusion générale Contexte de l’étude Expérience Comparaisons Conclusion et perspectives

37 GANIL –C+PMMA (cible épaisse) à 95 MeV/u (2008) (Analyse finalisée) –C+(C,CH 2,O,Al 2 O 3,Al, Ti, Au) à 95 MeV/u ( ) –C +(C,CH 2,O,Al 2 O 3,Al, Ti, Au) à 95 MeV/u mesures complémentaires à 0° ( ) 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+CH 2 à 80 MeV/u ( ) 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 Perspectives Mesures de sections efficaces Contexte de l’étude Expérience Comparaisons Conclusion et perspectives

38 Merci de votre attention ! 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. Collaborateurs

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40 21/09/ E * A > 4 résidu t Émission statistique de particules légères « froides » résidu n He p γ Désexcitation statistique séquentielle Gem = émission jusqu’au 28 Mg Evap= émission jusqu’au 4 He Contexte de l’étude Expérience Comparaisons Conclusion et perspectives Photo-évaporation

41 21/09/ A>4 et A<17 et Z<9 E * t Émission statistique simultanée de particules légères « froides » n He p Fermi Break-Up Contexte de l’étude Expérience Comparaisons Conclusion et perspectives

42 21/09/ E* nucléon > 3 MeV t n He p SMM Freeze-out fragment résidu n n n t p Contexte de l’étude Expérience Comparaisons Conclusion et perspectives n

43 21/09/ Monitorage faisceau Feuille d’argent Ge Si(li) Axe du faisceau Vers la chambre à réaction Émission de rayon X par fluorescence transition K-L II (21.99 KeV) transition K-M (25 KeV) Le nombre de photons détectés est proportionnel au nombre de carbones traversant la feuille d’argent

44 21/09/ Distribution angulaire de l’hydrogène Deux mécanismes de production ?

45 21/09/ Comparaison – efficacité de détection Écart entre les deux types de simulations 10 à 20% Résultats identiques

46 21/09/ Comparaison – efficacité de détection

47 21/09/ Reconstruction de l’énergie du projectile Interactions EM Interactions EM et nucléaires Traversée du télescope

48 21/09/ Erreur de sélection et donc d’identification

49 21/09/ Parcours des ions Comparaisons mesures (GSI) – G4 Ecart lié à la section efficace de fragmentation du carbone Décalage lié au l’énergie d’ionisation I Pour l’eau, I=78,5 eV 200 Haettner et al. Rad. Prot. Dosim. (2006), Vol. 122, No. 1-4, pp

50 La fragmentation du 12 C à 95 MeV/u appliquée au domaine de la hadronthérapie Etude expérimentale et simulations sur cibles épaisses de PMMA 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. Un pot sera offert à l’issue de la présentation.

51 « Spectateurs » P « spectateurs » C Zone participante 1 2 Nucléons projectile + « spectateurs » C 3 « spectateurs » P + Nucléons cible Quasi projectile Quasi cible Particules émises Cascade binaire noyau - noyau

52 Partie Vlasov potentiel du champ moyen Partie Landau terme de collision à 2 corps nucléon- nucléon blocage de Pauli (mécanique quantique) (J AERI )QMD Résolution de l’équation de transport Landau-Vlasov (LV, VUU, BUU) On suppose que : Nucléons = fonctions d’onde gaussiennes Fonction densité totale = somme des fonctions densité Interaction effective = Coulomb+ Skyrme+Symétrie Akira Ohnishi, Proceedings of the fifth symposium on simulation of hadronic many-body system ； March 3-4 ， 1998 ， JAERI ， Tokai ， Japan

53 Test des voies de Sortie Contexte de l’étude Expérience Comparaisons Conclusion et perspectives EVAP_FBU_SMM = Si E* nucl >3 MeV SMM Si A,Z<16,9 FBU Sinon EVAP EVAP_FBU = Si E* nucl >3 MeV SMM Si A,Z<16,9 FBU Sinon EVAP EVAP_SMM = Si E* nucl >3 MeV SMM Si A,Z<16,9 FBU Sinon EVAP EVAP = Si E* nucl >3 MeV SMM Si A,Z<16,9 FBU Sinon EVAP Voie d’entrée fixée : QMD Même chose avec GEM à la place de EVAP 8 couplages testés +

54 PMMA 15 mm 17° Contexte de l’étude Expérience Comparaisons Conclusion et perspectives Conclusion : Les modèles de voie de sortie n’ont pas d’influence notable sur les taux de production simulés. Très faible modification des taux de production

55 Contexte de l’étude Expérience Comparaisons Conclusion et perspectives PMMA 5 mm PMMA 20 mm Dose totale mesurée dans le premier étage Estimation de la dose déposée dans le silicium fin (80 µm) Si BGO/CsI Gy/ 12 C correspond à 10 µGy pour 1 Gy carbone déposé à la tumeur. La dose varie sur 3 ordres de grandeurs en fonction de l’angle.

56 21/09/2016 Contexte de l’étude Expérience Comparaisons Conclusion et perspectives Dose mesurée dans le premier étage des télescopes (Silicium 80 µm) 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 0° pour 20 mm, Gy/ 12 C 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 PMMA 5 mm PMMA 20 mm Estimation de la dose

57 Modèles de désexcitation statistique Contexte de l’étude Expérience Comparaisons Conclusion et perspectives ( Si A ≤ 4 pas d’évaporation => directement photo-évaporation ) Modèles d’émission statistique explosive FBU = explosion en fragments SMM = expansion du noyau puis explosion Modèles d’émission statistique séquentielle GEM = émission jusqu’au 28 Mg EVAP= émission jusqu’au 4 He

58 Différentes armes contre le cancer 55% d’échec 45% guérison Contexte de l’étude Expérience Comparaisons Conclusion et perspectives

59 Radiothérapie Radiothérapie : patients /an (France) Contexte de l’étude Expérience Comparaisons Conclusion et perspectives

60 Protonthérapie Contexte de l’étude Expérience Comparaisons Conclusion et perspectives Protonthérapie : patients (Monde)

61 Hadronthérapie : carbone Outil complémentaire aux techniques existantes La hadronthérapie demande de gros investissements Technique encore peu développée Contexte de l’étude Expérience Comparaisons Conclusion et perspectives Carbone patients (Monde)

62 Centres de thérapie par ions carbone Contexte de l’étude Expérience Comparaisons Conclusion et perspectives

63 Bilan- données expérimentales Contexte de l’étude Expérience Comparaisons Conclusion et perspectives 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.

64 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 Conclusion des comparaisons Contexte de l’étude Expérience Comparaisons Conclusion et perspectives