New capabilities of the INCL4.6 model implemented into high-energy transport codes

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Double di ffential fragmentation cross sections measurements of 95 MeV/u 12C on thin targets for hadrontherapy

During therapeutic treatment with heavy ions like carbon, the beam undergoes nuclear fragmentation and secondary light charged particles, in particular protons and alpha particles, are produced. To estimate the dose deposited into the tumors and the surrounding healthy tissues, an accurate prediction on the fluences of these secondary fragments is necessary. Nowadays, a very limited set of double di ffential carbon fragmentation cross sections are being measured in the energy range used in hadrontherapy (40 to 400 MeV/u). Therefore, new measurements are performed to determine the double di ffential cross section of carbon on di erent thin targets. This work describes the experimental results of an experiment performed on May 2011 at GANIL. The double di ffential cross sections and the angular distributions of secondary fragments produced in the 12C fragmentation at 95 MeV/u on thin targets (C, CH2, Al, Al2O3, Ti and PMMA) have been measured. The experimental setup will be precisely described, the systematic error study will be explained and all the experimental data will be presented.Comment: Submitted to PR

Comparison of two analysis methods for nuclear reaction measurements of 12C +12C interactions at 95 MeV/u for hadrontherapy

During therapeutic treatment with heavier ions like carbon, the beam undergoes nuclear fragmentation and secondary light charged particles, in particular protons and alpha particles, are produced. To estimate the dose deposited into the tumors and the surrounding healthy tissues, the accuracy must be higher than ($\pm$3% and$\pm$1 mm). Therefore, measurements are performed to determine the double differential cross section for different reactions. In this paper, the analysis of data from 12C +12C reactions at 95 MeV/u are presented. The emitted particles are detected with \DeltaEthin-\DeltaEthick-E telescopes made of a stack of two silicon detectors and a CsI crystal. Two different methods are used to identify the particles. One is based on graphical cuts onto the \DeltaE-E maps, the second is based on the so-called KaliVeda method using a functional description of \DeltaE versus E. The results of the two methods will be presented in this paper as well as the comparison between both

12C nuclear reaction measurements for hadrontherapy

International audienceHadrontherapy treatments require a very high precision on the dose deposition ( 2.5% and 1-2mm) in order to keep the benefits of the precise ions' ballistic. The largest uncertainty on the physical dose deposition is due to ion fragmentation. Up to now, the simulation codes are not able to reproduce the fragmentation process with the required precision. To constraint the nuclear models and complete fragmentation cross sections databases; our collaboration has performed an experiment on May 2008 at GANIL with a 95 MeV/u 12C beam. We have measured the fluence, energy and angular distributions of charged fragments and neutrons coming from nuclear reactions of incident 12C on thick water-like PMMA targets. Preliminary comparisons between GEANT4 (G4BinaryLightIonReaction) simulations and experimental data show huge discrepancies

La fragmentation du 12C à 95 MeV par nucléon appliquée au domaine de la hadronthérapie. Etude expérimentale et simulations sur cibles épaisses de PMMA.

A study of the 12C fragmentation at 95 MeV per nucleon on thick PMMA targets is presented on this document. This study is motivated by the development of a new technique for irradiation of malignant tumours: the carbon ion therapy. The purpose of this work is to compare experimental data against nuclear models used in GEANT4 toolkit. The aim is to determine if the models are sufficiently predictive to the criteria of hadrontherapy. To achieve this goal, a first experiment was performed at GANIL with a 12C beam at 95 MeV/u and thick PMMA targets. This experiment has achieved the production rates, angular and energy distributions of different fragments produced in nuclear collisions. Comparisons between experimental data and simulated results obtained using the binary intra-nuclear cascade (BIC) and quantum molecular dynamics model (QMD) available in GEANT4 have been performed. These comparisons show the inability of the tested models to reproduce carbon fragmentation at 95 MeV per nucleon with the accuracy required in hadrontherapy.Le travail de thèse présenté dans ce manuscrit porte sur l'étude de la fragmentation du 12C à 95 MeV par nucléon par collision nucléaire avec des cibles épaisses de PMMA. Cette étude est motivée par le développement d'une nouvelle technique d'irradiation des tumeurs cancéreuses : la thérapie par ions carbone ou hadronthérapie. L'objectif est de comparer des mesures expérimentales de fragmentation avec des simulations GEANT4 afin de tester différents modèles nucléaires. Le but recherché est de déterminer si les modèles sont suffisamment prédictifs au regard des critères exigés en hadronthérapie : 3% d'incertitude sur le dépôt de dose en fin de parcours. Pour atteindre cet objectif, une première expérience a été réalisée au GANIL avec un faisceau de 12C à 95 MeV par nucléon et des cibles épaisses de PMMA. Cette expérience a permis d'obtenir les taux de production, les distributions angulaires et énergétiques des différents fragments produits lors des collisions nucléaires. Des comparaisons entre ces données expérimentales et les résultats simulés obtenus par le modèle de cascade binaire intra-nucléaire (BIC) et le modèle de dynamique moléculaire quantique (QMD) disponibles dans GEANT4 ont été effectuées. Ces comparaisons font ressortir l'inaptitude des modèles testés à reproduire la fragmentation du carbone à 95 MeV par nucléon avec la précision requise en hadronthérapie

Mesures de fragmentation du carbone 12 pour l'hadronthérapie.

L'hadronthérapie consiste en l'irradiation de tumeurs cancéreuses avec un faisceau d'ions légers (principalement des protons et des carbones 12). L'énergie des ions est comprise entre quelques dizaines et quelques centaines de MeV/u, dépendant de la profondeur de la tumeur. Les principaux avantages de cette technique de thérapie sont une balistique précise : pic de Bragg et une faible diffusion latérale ainsi qu'une meilleure efficacité biologique (en comparaison avec la radiothérapie photon) pour les 12C. Afin de garder ces bénéfices, une bonne précision sur la localisation du dépôt d'énergie est requise. Une des principales sources d'incertitude est la fragmentation des ions au cours de leur passage dans la matière. En effet, cette fragmentation n'est pas bien prise en compte dans les codes de simulation et il n'existe pas de données sur la fragmentation du carbone avec des matériaux légers entre 30 et 100 MeV/u. Pour répondre à ce manque de données et de précision, nous avons préparé et réalisé une expérience au GANIL en mai 2008. Nous avons mesuré les taux de production et les distributions angulaires des fragments résultant de l'interaction entre un faisceau de carbone 12 à 95 MeV/u et des cibles de PMMA (cible plastique équivalente à l'eau) de 0,5 à 4 cm d'épaisseur. L'objectif de cette expérience est d'obtenir les flux de ces fragments après différentes épaisseurs de PMMA afin de les comparer à ceux utilisés dans des codes MC, notamment GEANT4

Extension of the Liège Intra Nuclear Cascade model to light ion-induced collisions for medical and space applications

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Extensions of the INCL model to light ion induced reactions for medical and space applications

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