Classification des codes Monte Carlo 52

Conformément à la classification de Berger [123], on distingue différentes classes de codes : les codes de classe I utilisent exclusivement une méthode condensée alors que les codes de classe II, également appelés codes mixtes, associent méthode condensée et méthode détaillée. Ces deux classes de codes sont destinées à simuler la trajectoire d’électrons de haute énergie cinétique. Toutefois, il existe d’autres codes de simulation purement détaillée capables de suivre des particules de faible énergie incidente (< 100 keV), jusqu’à ce qu’elles atteignent une énergie de quelques eV. Ces codes, peu nombreux, sont mis au point et développés pour des applications très spécifiques comme la micro- et la nano-dosimétries, ou la radiobiologie. Parmi eux, on compte les codes OREC (Oak Ridge Electron transport Code) [124], MOCA (Monte-Carlo Simulator code) [125], ou encore le code CPA 100 développé au laboratoire LAPLACE [126]. Ce type de code nécessite une bonne connaissance des sections efficace aux basses énergies, ce qui n’est pas toujours possible pour tous les phénomènes physiques mis en jeu lors des interactions, en particulier pour les excitations. De plus, dans la plupart des cas, ces codes ont été mis au point pour des milieux bien particuliers (eau ou ADN, par exemple) selon l’application visée. Très performants pour ce type de problèmes spécifiques, ils sont en revanche rarement transposables à des géométries ou des milieux différents.

Dans les codes de classe I, toutes les collisions inélastiques sont regroupées et l’émission d’une particule secondaire n’affecte pas directement la trajectoire de l’électron primaire. Dans cette catégorie, le code ETRAN (Electron TRANsport), créé en 1963, fut le premier à intégrer une méthode de simulation condensée [123]. Jusqu’aux années 90, ce code a subi de nombreuses modifications notamment concernant la distribution des pertes d’énergie [127] [128]. Sa dernière version, qui date de 1991 [129], a été utilisée pour établir des données de base nécessaires pour l’estimation de la dose absorbée en médecine nucléaire (§ II.4.1). Elle utilise la théorie de la diffusion multiple de Goudsmit and Saunderson [130] reconnue pour être la plus précise. L’éventualité d’une perte d’énergie élevée générée par la création d’une particule secondaire est prise en compte à chaque étape, par l’échantillonnage de la distribution des pertes d’énergie moyennes résultant des théories de Landau et de Blunck- Leisegang.

D’autres codes ont été développés à partir de la physique de ETRAN, à l’exemple des séries de codes ITS (Integrated Tiger Series) [131]. Cet ensemble de trois codes dérivés traite différentes natures de géométries : TIGER pour des surfaces planes et infinies, CYLTRAN pour les géométries à symétrie cylindrique et ACCEPT, pour des géométries combinatoires tridimensionnelles.

Le code MCNP (Monte-Carlo N-Particles) [132], également de classe I, a été initialement élaboré pour simuler le transport des particules non chargées. Il a subi une extension (MCNP4), par incorporation des algorithmes de ITS, pour intégrer les électrons et les positons. Plus récemment, une autre version de ce code (MCNPX [133]), a été développée, pour simuler le transport de certaines particules lourdes chargées.

Dans les codes de classe II, les évènements engendrant une perte d’énergie et/ou déflexion angulaire inférieures à des valeurs seuils préétablies (qualifiés d’évènements faibles) sont traités par méthode condensée, tandis que les collisions fortes, dites « catastrophiques » de part la perte d’énergie et/ou la déflexion angulaire élevées qu’ils produisent, sont simulées par la méthode détaillée [134]. Parmi les codes de cette catégorie, on distingue les codes EGS (Electron Gamma Shower), le code GEANT (GEometry ANd Tracking), et le code PENELOPE (PENetration and Energy LOss of Positrons and Electrons).

Les codes EGS, développés au Stanford Linear Accelerator Center [135] bénéficient depuis leur apparition en 1978, d’un grand développement essentiellement orienté vers la dosimétrie interne. Une des grandes modifications apportées à ces codes est l’introduction du module PRESTA (Parameter Reduced Electron Step Algorithm) [136] à partir de la version EGS4, pour mieux gérer les déplacements spatiaux et les problèmes d’interfaces entre milieux liés à l’utilisation de la théorie de diffusion multiple de Molière [137]. Encore aujourd’hui, les codes EGS ne cessent d’évoluer et les deux dernières versions sont connues sous les noms de EGS5 [138] et EGSnrc [139]. Cette dernière a été développée par Kawrakow and Rogers du

National Research Council au Canada et offre à l’utilisateur le choix entre différents modèles

de diffusion. Par rapport à EGS4-PRESTA, EGSnrc incorpore des méthodes démontrées plus efficaces, notamment concernant le regroupement des déplacements spatiaux des électrons et le transport des photons de basse énergie [140].

Le code GEANT développé au Centre Européen pour la Recherche Nucléaire (CERN), a subi de nombreuses améliorations depuis sa première version. Ses domaines d’application sont très variés : du milieu médical à l’astrophysique ou encore l’aéronautique. En médecine nucléaire, GATE, plateforme de simulation générique basée sur GEANT4 est très utilisée pour modéliser les systèmes d’imagerie [141]. Il se présente sous la forme d’une banque de données et d’outils que l’utilisateur peut assembler selon ses besoins (utilisation de technologie orientée objet). La dernière version (GEANT 4) est écrite en langage C++ au lieu du Fortran, habituellement employé dans les autres codes.

Par rapport aux codes précédemment cités, PENELOPE est le plus récent. Il a été développé au début des années 90 par une équipe de physiciens de l’Université de Barcelone [117].

Comme le code ETRAN et ses dérivés, son modèle de diffusion est basé sur la théorie de Goudsmit and Saunderson. Initialement conçu pour les électrons et les positons, PENELOPE a été adapté pour permettre la simulation de la trajectoire de photons incidents à partir de 2001. L’intégration de ce code en tant qu’outil de simulation pour les calculs de grandeurs physiques (fractions d’énergie transmise, absorbée, rétrodiffusée…) [142] est bien établie, cependant à notre connaissance, son utilisation se limite jusqu’à présent aux études dosimétriques en radiothérapie externe [143] [144] ou en curiethérapie [145] [146].