Investigation of the uncertainties involved in the low energy proton interactions in Geant4

One of the main concerns in proton therapy applications is the production of secondary neutrons causing secondary cancer especially in children and young adults. Different Monte Carlo codes such as Geant4 and MCNP6 have been used to investigate the production of secondary particles. However, there is no cross section and valid physical model in Geant4 for handling low energy protons below 200 MeV. The aim of this study was to investigate the uncertainties involved in the low energy proton interactions in Geant4 and MCNP6 for proton therapy applications. In this study, TENDL-2012 library was added to the default version of Geant4.10.00 and MCNP6, hereafter referred to as Geant4-TENDL and MCNP6-TENDL for a more correct handling of particles with energies below 200 MeV. For each version of the codes two geometry setups were simulated: The first setup was a proton irradiation of a simple water phantom, the second setup was the implementation of an experimental in-phantom proton depth-dose measurement performed at The Svedberg Laboratory (TSL) in Uppsala, Sweden. The depth-dose curve, primary and secondary particle fluence were scored inside the water phantom. The results obtained with Geant4 and MCNP6 were compared with results calculated with Geant4-TENDL and MCNP6-TENDL. The depth-dose calculation was compared with measurement performed at TSL. In Geant4, the secondary particles fluence was filtered by all physics processes to find the physics process that causes the difference between Geant4 and Geant4-TENDL. Despite good agreement in depth-dose curve and proton fluence, significant discrepancy was observed in fluence of secondary gam- mas and neutrons. Thermal neutron energy fluence calculated with Geant4-TENDL, MCNP6 and MCNP6-TENDL was 80.4%, 222.6% and 617.4% higher than Geant4 respectively, while for fast neutrons (6.3 MeV) the results obtained with Geant4- TENDL and MCNP6-TENDL were 122.9% and 124.2% higher than Geant4 while MCNP6 gave 20.6% lower value than Geant4. Regarding secondary gammas, at ener- gies above 10 MeV, Geant4-TENDL and MCNP6-TENDL had higher gamma fluence comparing to Geant4 and MCNP6 while at energies below 10 MeV, Geant4-TENDL and MCNP6-TENDL had lower gamma fluence. The main difference between the results from the model-based simulation and TENDL cross sections based simulation in Geant4 was due to proton inelastic process. Therefore, further experimental stud- ies are needed to find the most accurate cross section/models for handling nuclear interactions for low energy protons in Geant4.Une des principales préoccupations en proton-thérapie est la production de neutrons secondaires, qui peuvent potentiellement être la cause de cancers secondaires, notamment chez les enfants et jeunes adultes. Divers codes Monte Carlo tels que Geant4 et MCNP6 ont été utilisés dans le but d'étudier la production de particules secondaires. Cependant, il n'existe pas de sections efficaces et de modèle physique valide dans Geant4 pour simuler les protons de basse énergie sous 200 MeV. Le but de ce travail est d'étudier les incertitudes reliées aux protons de basse énergie dans Geant4 et MCNP6 pour la proton-thérapie. Dans cette étude, la librairie TENDL-2012 à été ajoutée aux versions de base de Geant4.10.00 et MCNP6 (renommés Geant4-TENDL ainsi que MCNP6-TENDL, pour référence future) dans le but d'obtenir une précision accrue dans le transport de particules d'énergie inférieure à 200 MeV. Pour chaque version des codes, deux modèles géométriques ont été simulés : la simulation de l'irradiation d'un simple volume d'eau et la simulation d'une expérience effectuée au Laboratoire Svedberg (TSL, Uppsala, Suède). Les courbes de déposition de dose en profondeur ainsi que les fluences des particules primaires et secondaires ont été calculées à l'intérieur d'un fantôme d'eau. Les résultats obtenus avec Geant4-TENDL et avec MCNP6- TENCL ont été comparés avec ceux obtenus avec les versions de base de Geant4 et MCNP6. Les courbes de déposition de dose en profondeur ont aussi été comparées à des mesures expérimentales prises au TSL. Dans Geant4, les particules secondaires ont été triées par processus physique pour comparer Geant4 et Geant4-TENDL. Les résultats démontrent que malgré un bon accord pour les courbes de déposition de dose en profondeur et de fluence de protons, les fluences d'énergie calculées avec Geant4-TENDL, MCNP6 et MCNP6-TENDL sont respectivement 80.4%, 222.6% et 617.4 % plus grandes qu'avec Geant4 pour les neutrons thermalisés. Pour les neutrons rapides (6.3 MeV), les résultats obtenus avec Geant4-TENDL et MCNP6-TENDL sont 122.9% et 124.2% plus grands qu'avec Geant4, tandis que MCNP6 donne des valeurs de 20.6% plus basses que Geant4. En ce qui concerne les rayons gammas secondaires à des énergies supérieures à 10 MeV, Geant4-TENDL et MCNP6-TENDL une fluence plus élevée comparativement à Geant4 et MCNP6. Pour des énergies inférieures à 10 MeV, Geant4-TENDL et MCNP6-TENDL ont produit des fluences de rayons gammas inférieures à Geant4 et MCNP6. La principale différence entre les sections efficaces des modèles de Geant4 et celles de la librairie TENDL est due aux interactions inélastiques des protons. Conséquemment, des études expérimentales additionnelles sont nécessaires afin de déterminer des modèles et sections efficaces plus précis dans le but de simuler les interactions nucléaires pour les protons de basse énergie dans Geant4