CHAPITRE II ÉTABLISSEMENT DES REFERENCES DOSIMETRIQUES :
II. 4.1] Présentation du code PENELOPE
Le code PENELOPE (PENetration and ENergy LOss of Positrons and Electrons) a été développé, dans les années 90, par l'équipe du professeur Salvat de l'Université de Barcelone. Il permet la simulation des photons, des électrons et des positons ayant une énergie comprise entre 100 eV et 1 GeV dans des matériaux simples (Z=1 à 92) ou composites. Le transport des photons est simulé de manière détaillée : chaque interaction est simulée de manière individuelle jusqu'à ce que le photon sorte du milieu d'intérêt ou ait une énergie inférieure à une énergie de coupure prédéfinie. La simulation du transport des électrons et des positons est mixte : les événements catastrophiques (c'est-à-dire caractérisés par une perte d'énergie ou une déflexion angulaire supérieure à des seuils prédéfinis) sont simulés de manière détaillée alors que la simulation des autres événements est condensée et suit la théorie de la diffusion multiple.
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La simulation du transport des particules est gérée par un ensemble de programmes en langage FORTRAN 77 (figure II.14) :- le programme PENGEOM prend en charge la géométrie et facilite la localisation des interactions ;
- le programme PENELOPE contient les algorithmes d'interaction des particules ;
- le programme PENDOSE contrôle les trajectoires des particules et réalise le stockage des valeurs d'intérêt. Il fait appel aux programmes PENGEOM et PENELOPE.
L’utilisateur fournit au code PENELOPE trois fichiers d’entrée au format texte :
le fichier Pen.geo contient les données relatives à la géométrie modélisée ;
le fichier Pen.mat contient les sections efficaces d'interaction des matériaux rencontrés ;
le fichier Pen.in contient les paramètres de simulation tels que le nombre de particules primaires à simuler et les énergies de coupure des particules.
figure II.14_structure générale du code Monte Carlo PENELOPE : programmes et fichiers d’entrée.
Les programmes utilisés lors de cette étude sont basés sur la version 2004 du code PENELOPE. Ils ont été adaptés pour la modélisation de l’accélérateur Saturne 43 du LNHB par L. Blazy-Aubignac [BLAZY- AUBIGNAC, 2007] sur l’exemple des travaux réalisés par J. Mazurier pour une version antérieure du code [MAZURIER, 1999].
II.4.2]
Méthodologie
L’établissement des références dosimétriques requiert le calcul de la dose absorbée dans 4 configurations (cf. II.2) :
- Dose dans l’absorbeur du calorimètre graphite placé dans le fantôme graphite ; - Dose dans le volume sensible du dosimètre de transfert placé dans le graphite ;
Pen.geo géométrie Pen.mat matériaux Pen.in paramètres de simulation PENELOPE Algorithmes d’interactions PENDOSES programme principal PENGEOM géométrie Pen.out fichiers résultats Fichiers d’entrée simulation
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- Dose dans le volume sensible du dosimètre de transfert placé dans l’eau ;- Dose dans un volume d’eau placé dans l’eau et centré au point de référence.
Pour réduire les temps de calculs, la simulation du transport des particules est divisée en plusieurs étapes : une première étape commune aux quatre configurations et les autres étapes spécifiques à chaque configuration. C’est la méthode dite « d’espace des phases » (figure II.15). Dans notre cas, les particules sont suivies depuis la fenêtre en titane située à la sortie de la chambre de déviation jusqu’à la sortie de la tête d’irradiation (avec prise en compte du collimateur additionnel pour le champ 2 x 2 cm²). Les caractéristiques des particules sont alors enregistrées dans le fichier d’espace des phases (PSF) lorsqu’elles traversent le plan situé à 90 cm de la cible. Ce fichier est utilisé, dans un second temps, comme source d'irradiation secondaire et les particules sont alors suivies au sein du fantôme et du détecteur.
De plus, une parallélisation « manuelle » des simulations a été mise en place : il s’agit de scinder la simulation de N électrons primaires en N/x simulations indépendantes. Pour cela des nombres aléatoires indépendants sont utilisés comme « germes » pour les N/x simulations permettant la création du fichier d’espace des phases. Les PSFs ainsi obtenus sont supposés être suffisamment différents pour être traités de la même façon lors de l'étape dosimétrique suivante (c’est-à-dire en utilisant des « germes » identiques pour les N/x PSFs).
figure II.15_Simulation du transport des particules en 2 étapes (représentation schématique – en champ 2 x 2 cm², le PSF est enregistré après le collimateur additionnel non représenté ici).
Les électrons sortant de la chambre de déviation jouent le rôle de source primaire pour les simulations. Les caractéristiques spatiales et énergétiques de ces électrons n’étant pas aisément accessibles
fantôme et détecteur
Étape 1:
Simulation des particules dans la tête d’irradiation
Étape 2:
Simulation des particules dans le fantôme et le détecteur Plan d’espace des phases
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expérimentalement, une étape d’ajustement de ces paramètres est indispensable avant de réaliser le calcul de la dose absorbée dans les détecteurs.Les trois paramètres considérés pour définir la source d’électrons primaires sont :
l’énergie moyenne, E0 ;
la largeur à mi-hauteur de la distribution en énergie supposée gaussienne FWHME ;
la distribution spatiale des électrons au niveau de la fenêtre en titane.
Dans cette étude, la distribution spatiale des électrons a été prise identique à celle choisie par L. Blazy- Aubignac [BLAZY-AUBIGNAC, 2007]. Il s’agit d’une distribution circulaire dont le profil selon un diamètre est présenté sur la figure II.16. Ainsi pour les 9 faisceaux étudiés, seules l’énergie moyenne et la largeur à mi-hauteur ont été ajustées.
figure II.16_distribution spatiale des électrons au niveau de la surface d'entrée de la cible
L’ajustement est réalisé en comparant les distributions de dose mesurées dans un fantôme d’eau à celles obtenues par simulation Monte Carlo. Nous utilisons à cet effet, la distribution de dose en profondeur sur l’axe du faisceau (rendement en profondeur) et les profils de dose à 10 cm de profondeur selon les axes Y et Z.
Dans ce chapitre, nous avons présenté la méthode avec laquelle sont établies les références dosimétriques ainsi que le matériel utilisé pour les irradiations et les simulations au cours de cette thèse, à savoir l’accélérateur Saturne 43 et le code Monte Carlo PENELOPE.
Dans le chapitre suivant, nous décrivons les instruments de mesure utilisés pour la mise en œuvre de cette méthodologie en insistant sur le choix et le développement de détecteurs adaptés à des mesures en champs 4 x 4 et 2 x 2 cm².