La fragmentation du 12C à 95 MeV par nucléon appliquée au domaine de la hadronthérapie : étude expérimentale et simulations sur cibles épaisses de PMMA

par Benjamin Braunn

Thèse de doctorat en Constituants élémentaires et physique théorique

Sous la direction de Jean Colin.

Soutenue en 2010

à Caen .

mots clés

• Réactions de fragmentation
• Carbone
• Sections efficaces (physique nucléaire)
• Modèles nucléaires
• Simulation par ordinateur

Résumé

Le travail de thèse présenté dans ce manuscrit porte sur l’étude de la fragmentation du 12C à 95 MeV par nucléon par collision nucléaire avec des cibles épaisses de PMMA. Cette étude est motivée par le développement d’une nouvelle technique d’irradiation des tumeurs cancéreuses : la thérapie par ions carbone ou hadronthérapie. L'objectif est de comparer des mesures expérimentales de fragmentation avec des simulations GEANT4 afin de tester différents modèles nucléaires. Le but recherché est de déterminer si les modèles sont suffisamment prédictifs au regard des critères exigés en hadronthérapie : 3% d’incertitude sur le dépôt de dose en fin de parcours. Pour atteindre cet objectif, une première expérience a été réalisée au GANIL avec un faisceau de 12C à 95 MeV par nucléon et des cibles épaisses de PMMA. Cette expérience a permis d’obtenir les taux de production, les distributions angulaires et énergétiques des différents fragments produits lors des collisions nucléaires. Des comparaisons entre ces données expérimentales et les résultats simulés obtenus par le modèle de cascade binaire intra-nucléaire (BIC) et le modèle de dynamique moléculaire quantique (QMD) disponibles dans GEANT4 ont été effectuées. Ces comparaisons font ressortir l'inaptitude des modèles testés à reproduire la fragmentation du carbone à 95 MeV par nucléon avec la précision requise en hadronthérapie.

Titre traduit

12C fragmentation at 95 MeV per nucleon for hadrontherapy : experimental study and simulation with thick PMMA targets

Résumé

A study of the 12C fragmentation at 95 MeV per nucleon on thick PMMA targets is presented on this document. This study is motivated by the development of a new technique for irradiation of malignant tumours: the carbon ion therapy. The purpose of this work is to compare experimental data against nuclear models used in GEANT4 toolkit. The aim is to determine if the models are sufficiently predictive to the criteria of hadrontherapy. To achieve this goal, a first experiment was performed at GANIL with a 12C beam at 95 MeV/u and thick PMMA targets. This experiment has achieved the production rates, angular and energy distributions of different fragments produced in nuclear collisions. Comparisons between experimental data and simulated results obtained using the binary intra-nuclear cascade (BIC) and quantum molecular dynamics model (QMD) available in GEANT4 have been performed. These comparisons show the inability of the tested models to reproduce carbon fragmentaton at 95 MeV per nucleon with the accuracy required in hadrontherapy.