S ysteemianalyysin Laboratorio Teknillinen korkeakoulu Gillis Danielsen Systeemitieteiden kandidaattiseminaari – Syksy 2009 Simulation of carbon beam fragmentation in water phantom with GEANT4 Presentation Gillis Danielsen Handledare: FT Aatos Heikkinen Övervakare: prof. Harri Ehtamo

S ysteemianalyysin Laboratorio Teknillinen korkeakoulu Gillis Danielsen Systeemitieteiden kandidaattiseminaari – Syksy 2009 Arbetet i korthet  Simulering av fragmentering av en stråle kolatomer som träffar en vattenfantom. –Med tillämpning inom medicinsk fysik för strålterapier av cancersjuka.  Att föreslå en standarduppställning för att producera jämförbara simulationer med andra koder för internationella atomenergiorganet IAEA.

S ysteemianalyysin Laboratorio Teknillinen korkeakoulu Gillis Danielsen Systeemitieteiden kandidaattiseminaari – Syksy 2009 Motivering - problemställning  Strålterapier har gjorts sedan början av 1900-talet med gammakvanta. –Mycket har förbättrats, men fysikens lagar gör kontrollbarheten begränsad.

S ysteemianalyysin Laboratorio Teknillinen korkeakoulu Gillis Danielsen Systeemitieteiden kandidaattiseminaari – Syksy 2009 Motivering - lösning  Användning av hadroner –Hadroner växelverkar olika till gammakvanta och kan därför deponeras mycket nogrannare i vävnaden. –Tekniken ansenligt dyrare, nyare och okändare. Varav behov för pålitliga simulationer.

S ysteemianalyysin Laboratorio Teknillinen korkeakoulu Gillis Danielsen Systeemitieteiden kandidaattiseminaari – Syksy 2009

S ysteemianalyysin Laboratorio Teknillinen korkeakoulu Gillis Danielsen Systeemitieteiden kandidaattiseminaari – Syksy 2009 Motivering - lösning  Detta arbete specificerar sig på användning av kolkärnor, istället för de vanligare använda protonerna. –Positivt: Skapar mera efekt i själva tumören och skingras mindre i sidled. –Negativt: fragmenteras till mindre kärnor, efekten av dessa svårbedömd.

S ysteemianalyysin Laboratorio Teknillinen korkeakoulu Gillis Danielsen Systeemitieteiden kandidaattiseminaari – Syksy 2009 Från experiment till simulation  Data från E. Haettners diplomarbete vid GSI Darmstadt för KTH 2006.

S ysteemianalyysin Laboratorio Teknillinen korkeakoulu Gillis Danielsen Systeemitieteiden kandidaattiseminaari – Syksy 2009 Från experiment til lsimulation  Simulationer kräver alltid simplifieringar av verkligheten.

S ysteemianalyysin Laboratorio Teknillinen korkeakoulu Gillis Danielsen Systeemitieteiden kandidaattiseminaari – Syksy 2009 Verktygen  Geant4 –GEometry ANd Tracking. Ett komplett gratis från CERN tillgängligt simulationsgränssnitt med många olika simulationsmodeller integrerade.  Binary cascade –En mycket använd hadronisk kaskadmodell för intranukleära efekter.  ROOT –Data-analysprogram som stöder skripting i C++ från CERN.

S ysteemianalyysin Laboratorio Teknillinen korkeakoulu Gillis Danielsen Systeemitieteiden kandidaattiseminaari – Syksy 2009 Geant4  En platform för analys av partiklar genom Monte-Carlo metoder. –Är ansvarig för geometrin, uppföljning av partiklarna i geometrin samt val av vilka fysikaliska modeller som kopplas in när. –Fysikmodeller kopplas in via “fysiklistor”. –Objekt-orienterad C++ ger stora kontrollmöjligheter. –Detta arbete utvecklade hadrontherapy-exempelkoden som distribueras med Geant4.

S ysteemianalyysin Laboratorio Teknillinen korkeakoulu Gillis Danielsen Systeemitieteiden kandidaattiseminaari – Syksy 2009 Binary cascade  Blir kallad med kunskap om incidentpartikel och målpartikel samt deras attribut –Genererar stokastiskt deltagarpartiklarna enligt vissa kända fysikaliska aproximationer. –Väljer slumpmässigt en impaktparameter. –Beräknar händelserna inom kärnan via växelverkan med nukleonerna. –Paserar till slut uppkomna partiklar via en evaporationsmodell tillbaka till Geant4 som sedan forsätter uppfölja dem i simulationen.

S ysteemianalyysin Laboratorio Teknillinen korkeakoulu Gillis Danielsen Systeemitieteiden kandidaattiseminaari – Syksy 2009 Mål  Bygga upp en så väl som möjligt motsvarande geometri till experimentet bakom data-setten från E.Haettner  Jämföra som funktion av vattentjockleken –Vinkelfördelning –Energifördelning –Mängdfördelning –Bragg-kurva och “fragmentsvans”

S ysteemianalyysin Laboratorio Teknillinen korkeakoulu Gillis Danielsen Systeemitieteiden kandidaattiseminaari – Syksy 2009 Resultat Allmänt väl i linje med experimentell data. Med vissa märkbara undantag.

S ysteemianalyysin Laboratorio Teknillinen korkeakoulu Gillis Danielsen Systeemitieteiden kandidaattiseminaari – Syksy 2009 Bragg-kurvan

S ysteemianalyysin Laboratorio Teknillinen korkeakoulu Gillis Danielsen Systeemitieteiden kandidaattiseminaari – Syksy 2009 Uppkomna partiklar (0-10°) Beryllium - braHelium – mindre bra

S ysteemianalyysin Laboratorio Teknillinen korkeakoulu Gillis Danielsen Systeemitieteiden kandidaattiseminaari – Syksy 2009 Energifördelning ExperimentellSimulation

S ysteemianalyysin Laboratorio Teknillinen korkeakoulu Gillis Danielsen Systeemitieteiden kandidaattiseminaari – Syksy 2009 Vinkelfördelning Väte, 27.1 cm vattenBeryllium, 30.4 cm vatten

S ysteemianalyysin Laboratorio Teknillinen korkeakoulu Gillis Danielsen Systeemitieteiden kandidaattiseminaari – Syksy 2009 Resultat: Slutsatser För få partiklar bildas vid låga vinklar för nästan alla fragment. De bildade partiklarna har korrekt energifördelning. Totala mängden partiklar som bildas är rätt så väl i linje med data.  En logisk slutsats är att då partiklarna bildas sprids de för isotropiskt.

S ysteemianalyysin Laboratorio Teknillinen korkeakoulu Gillis Danielsen Systeemitieteiden kandidaattiseminaari – Syksy 2009 Realiserad tidtabell  Installation av vertkyg och bekantande med dem, maj-juni  Uppbyggande av geometri samt optimering av parametrar, Juli  Analys av data samt rapportering, Augusti-September  Mindre korrigeringar – Oktober 2009

S ysteemianalyysin Laboratorio Teknillinen korkeakoulu Gillis Danielsen Systeemitieteiden kandidaattiseminaari – Syksy 2009 Presentationens källor  E.Haettner Experimental study on carbon ion fragmentation in water using GSI therapy beams,  Geant4 Physics manual