Etude de la fragmentation lors de la réaction 12C+12C à 95 MeV/n et 400MeV/n dans le cadre de la hadronthérapie

par Didier Juliani

Thèse de doctorat en Physique des particules élémentaires

Sous la direction de Christian Finck.

Le président du jury était Benoît Gall.

Les rapporteurs étaient Gérard Montarou, Daniel Cussol.


  • Résumé

    La hadronthérapie est une méthode de radiothérapie utilisant des ions (ici le carbone) comme faisceau plutôt que des rayons X plus conventionnels pour le traitement des cancers. Étant donné le parcours spécifique des ions dans la matière, ils permettent de traiter des tumeurs profondes dans des zones délicates telles que le cerveau par exemple. Ceci est complémentaire à tout ce qui existe depuis des dizaines d’années (intervention chirurgicale, rayons X, chimiothérapie). Deux futurs centres de traitement et de recherche (ARCHADE à Caen et ETOILE à Lyon) seront opérationnels en France à partir de 2018 en ce qui concerne ARCHADE afin de profiter des avancées récentes et de poursuivre les recherches sur cette méthode. La perte d’énergie des ions carbone dans la matière suit la loi de Bethe-Bloch, le maximum de dépôt d’énergie se situant dans une zone restreinte appelée « pic de Bragg ». En modulant la position et l’énergie du faisceau, il est possible d’irradier l’ensemble du volume de la tumeur. Cependant, les réactions nucléaires de l’ion carbone dans les tissus entrainent la production de fragments plus légers (H, He, Li etc.) qui déposent leur énergie au-delà du pic de Bragg. Les modèles implémentés dans les codes de simulation couramment utilisés en hadronthérapie (FLUKA, GEANT4 etc.) sont incapables de reproduire en même temps les distributions angulaires des fragments générés ainsi que les distributions en énergie. Le fait de ne pas reproduire fidèlement ce phénomène de fragmentation nuit à la précision des systèmes de planification de traitement utilisés cliniquement. En effet, une mauvaise estimation du processus de fragmentation entraine un biais dans le calcul de la dose déposée dans les cellules saines en arrière du pic de Bragg. Ainsi, afin de mieux contraindre les modèles, deux expériences de mesure de sections efficaces de fragmentation du carbone ont été menées. La première en mai 2011 avec un faisceau à 95MeV/n au GANIL à CAEN avec les collaborateurs du LPC Caen et la seconde en août 2011 avec un faisceau à 400 MeV/n au GSI à Darmstadt, avec la collaboration FIRST. L’expérience E600 étudie la fragmentation des ions du faisceau de carbone à 95 MeV/n dans différentes cibles minces (Au, C, , Ti etc.) correspondant aux différents constituants élémentaires du corps humain. Les différents fragments sont détectés à l’aide de cinq télescopes. Chacun d’eux est constitué de 3 étages (2 détecteurs silicium et un scintillateur CsI) afin de faire des mesures de perte d’énergie et d’énergie totale permettant une identification par la méthode du ΔE-E. Ces télescopes étaient disposés sur des raquettes pilotées à distance afin de pouvoir modifier leur position angulaire par rapport à la position de la cible. Ainsi, les taux de production des différents fragments permettent de remonter aux sections efficaces de fragmentation doublement différentielles (en énergie et en angle). [...]

  • Titre traduit

    Study of fragmentation cross-sections for 12C+12C reaction at 95 MeV/u and 400 MeV/u for hadrontherapy


  • Résumé

    The hadrontherapy is a radiotherapy method using ions (carbon ions here) instead of the more conventional X-rays for cancer treatment. Deep radioresistant tumour areas, as brain carcinoma for example, can be treated thanks to the specific dosedeposition at the end of the ion path. This is an additional method to older classic ones (surgery, X-rays, chemotherapy). Two hadrontherapy centres for treatment and research are planned in France from 2018 (ARCHADE) in order to benefit from the newest progress and to keep improving this method. Carbon ions energy loss in the matter follows the Bethe-Bloch law. The maximum of energy depth is located in a limited area called “Bragg peak”. By adjusting the beam position and energy, the whole volume of the tumor can be irradiated. Nevertheless, nuclear reactions of carbon ion in tissues generate the production of lighter fragments (H, He, Li etc.) that deposit their energy beyond the Bragg peak. Models implemented in hadrontherapy simulation codes (FLUKA, GEANT4 etc.) cannot reproduce angular distributions of the lighter fragments and energy distributions at the same time. These poor estimations affect the treatment planning systems accuracy that are clinically used.Indeed, a bad estimation of fragmentation process induces a bias in the dose calculation concerning healthy cells beyond the Bragg peak. In order to better constraint models, two experiments based on fragmentation cross-sections measurements have been performed. The first one in may 2011 with a beam at 95 MeV/u (GANIL) in collaboration with the LPC Caen and the second one in august 2011 with a beam at 400 MeV/u (GSI) with the FIRST collaboration. E600 experiment is devoted to the study of carbon ions fragmentation at 95 MeV/u in several thin targets (Au, C, , Ti etc.) corresponding to the basic building blocks of human body. Five telescopes are designed for the fragments detection. Each one is a three-stage detector (2 silicon detectors and one CsI scintillator) that allows energy loss and total energy measurements for the ΔE-E identification method.Telescopes were disposed two by two in the reaction chamber with a remote control of the angular position. From the production rate measurements, the double differential fragmentation cross-sections (energy and angle) can be computed.From the experimental data for + reaction at 95 MeV/u on a 250 μm thick carbon target, all cross-sections were deduced.FIRST experiment uses a very different set-up. It is composed of: a beam monitoring, a vertex detector (CMOS), a calorimeter(KENTROS), a magnet (ALADIN), MUSIC (3 ionization chambers and 4 proportional counters) and a TOF-wall. Generated particles trajectory is reconstructed thanks to the vertex detector + TOF-wall for all fragments emitted with an angle lower than 5° and thanks to the vertex detector + KENTROS for higher angles. In the first case, the ALADIN magnet deflects the trajectory of the particles (MUSIC detector ran out). One 8 mm thick target has been used here. Preliminary results concerning production rates of the different charges, angular distributions and reconstruction efficiencies have been obtained. Heavier fragments mass identification is quite difficult because of the non-working MUSIC detector; it degrades the fragments momentumaccuracy.[...]


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