Implémentation de la base de données électrons-photons EPICS2017 dans Geant4 : développements et applications

Implementation of the EPICS2017 electron-photon database in Geant4 : developments and applications

• Auteur / Autrice : Zhuxin Li
• Direction : Sébastien Incerti, Claire Michelet
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Astrophysique, Plasmas, nucléaire
• Date : Soutenance le 06/07/2023
• Etablissement(s) : Bordeaux
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des sciences physiques et de l’ingénieur (Talence, Gironde ; 1995-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de Physique des Deux Infinis (Bordeaux ; 2022-....)
• Jury : Président / Présidente : Jean-François Giovannelli
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Vladimir Ivantchenko, Susanna Guatelli, Hao Shen
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Lydia Maigne, Ziad El Bitar

Mots clés

Mots clés contrôlés

Rayons X

Microtomographie

Sciences -- Bases de données

Simulation, Méthodes de

Mots clés libres

Simulation Geant4

Epics2017

Livermore

Micro-Tomographie protonique

Correction d’atténuation X

Geant4 simulation

Epics2017

Livermore

Proton micro-Tomography

Correction of X-Ray attenuation

Résumé

Geant4 propose des modèles de physique complémentaires pour simuler les interactions des photons et des électrons avec la matière, en fonction de l’énergie. Un ensemble important de modèles à basse énergie (inférieure à 1 GeV) appelé « modèles Livermore » est disponible dans Geant4. Jusqu'à la version Geant4 10.6 (2021), ces modèles étaient basés sur trois bases de données du Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) pour les éléments de numéro atomique Z = 1-100, conçues dans les années 1990. Ces bases de données ont fait l'objet d'une mise à jour majeure sous l'égide de l'Agence Internationale de l'Energie Atomique (AIEA), aboutissant à une nouvelle version, EPICS2017 (Electron-Photon Interaction Cross Sections/Sections efficaces d'interaction électrons et photons).Le premier objectif de cette thèse est de mettre à jour les modèles Livermore pour les photons et les électrons dans Geant4 avec la base de données EPICS2017. Après une introduction à la base de données EPICS2017 et aux modèles Livermore, présentés dans le chapitre 1, nous expliquons dans les chapitres 2 et 3 le travail réalisé pour les modèles Livermore photons et électrons, respectivement. Pour les photons, quatre processus ont été pris en compte : la création de paires/triplets, la diffusion Compton, l'effet photoélectrique et la diffusion Rayleigh. De nouvelles paramétrisations basées sur EPICS2017 ont été effectuées pour les fonctions de diffusion pour l'effet Compton, les sections efficaces des sous-couches pour l'effet photoélectrique et les facteurs de forme pour la diffusion Rayleigh. Une étude comparative entre la version Geant4 10.6, basée sur la base de données précédente, et Geant4 11.0, mis à jour avec EPICS2017, a montré que notre mise en œuvre améliorait la précision des paramétrisations considérées. De plus, les coefficients d'atténuation massique calculés à partir des simulations Geant4 pour l'interaction totale des photons, et pour chaque processus, ont été comparés à la base de données XCOM et cette comparaison confirme la bonne concordance des résultats. Pour les électrons, une possible mise à jour du modèle décrivant l'ionisation et l'excitation a été considérée. Les études comparatives réalisées sur les sections efficaces et les pouvoirs d'arrêt n'ont pas montré de différences significatives entre EPICS2017 et les modèles Livermore existants. Par conséquent, l'implémentation pour les électrons EPICS2017 s’est révélée non nécessaire.Les modèles de basse énergie de Geant4 jouent un rôle important dans la modélisation des expériences de caractérisation des matériaux, notamment pour les expériences basées sur l'émission de rayons X, telles que l'imagerie par micro-tomographie protonique réalisée au LP2I Bordeaux. Dans ce contexte, le deuxième objectif de la thèse a été d’utiliser Geant4 pour simuler les expériences d’imagerie 3D par micro-tomographie protonique et quantifier la précision des méthodes de reconstruction. Le chapitre 4 décrit les simulations d'imagerie tomographique sur différents fantômes numériques, comprenant la partie supérieure d'un nématode C. elegans et une cible de fusion par confinement inertiel. La géométrie, la masse volumique et la composition de ces fantômes ont été dérivées de données expérimentales. La comparaison entre les images reconstruites, basées sur les résultats de simulation et les fantômes originaux, pris comme référence, nous a permis d'évaluer l’exactitude des différentes méthodes de reconstruction testées et de vérifier les corrections d'atténuation des rayons X mises en œuvre dans le logiciel de reconstruction. Une précision ≤ 4% pour le phosphore, qui était l'élément le plus atténué, a été obtenue.

Geant4 provides complementary and alternative physics models for the interaction of photons and electrons with matter, according to the energy range. An important set of models in the low energy (below 1 GeV) sub-package is the so-called Livermore models. Up to Geant4 10.6 version (2021), these models were based on three evaluated data libraries of the Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) for elements with atomic number Z = 1–100, designed in the 1990′ s. These libraries have undergone a major updating process under the auspices of the International Atomic Energy Agency (IAEA), resulting in a new version, EPICS2017 (Electron-Photon Interaction Cross Sections).The first objective of this PhD is to update Geant4 Livermore photon and electron models with the EPICS2017 database. After an introduction to the EPICS2017 database and Livermore models presented in chapter 1, we will explain in chapter 2 and 3 the implementation carried out for Livermore photon and electron models respectively. For photons, four processes were considered: gamma conversion, Compton scattering, photoelectric effect and Rayleigh scattering. New parameterizations based on EPICS2017 were performed for scattering functions of Compton effect, subshell cross-sections of the photoelectric effect and form factors of Rayleigh scattering. A comparative study between Geant4 10.6, based on the previous database, and Geant4 11.0, updated with EPICS2017 showed that our implementation improved the precision of the considered parameterizations. Moreover, the mass attenuation coefficients calculated from Geant4 simulations for both total photon interaction and each process were compared with XCOM database and found in good agreement. For electrons, the possible update of the ionisation and excitation model was considered. Comparative studies carried-out on cross-sections and stopping powers do not showed a significant difference between EPICS2017 and the existing Livermore models. Consequently, the implementation for EPICS2017 electron is not required.The low energy models of Geant4 play an important role in modelling the experiments of material characterization, especially for the experiments based on X-ray emission, such as proton micro-tomography imaging carried-out at LP2IB, France. In this context, the second objective of my PhD is to apply Geant4 to simulate 3D proton micro-tomography experiments and quantify the accuracy of reconstruction methods. Chapter 4 describes tomography-imaging simulations on different phantoms including the upper part of a C. elegans nematode and an inertial confinement fusion target. The geometry, mass density and composition of the phantoms were derived from experimental data. The comparison between reconstructed images based on simulation results and original phantoms, taken as a reference, allowed us to assess the accuracy of the different reconstruction methods tested and to verify the X-ray attenuation corrections implemented in the reconstruction software package. An accuracy ≤ 4% for phosphorus, which was the most attenuated element, was obtained.