Faculté des sciences de base SB, Section de physique, Institut de physique de l'énergie et des particules IPEP (Laboratoire de physique des réacteurs et de comportement des systèmes LRS)

Development and validation of data sets and Monte Carlo methods for electron/positron transport at low and medium energies

Negreanu, Cezarina Elena ; Chawla, Rakesh (Dir.)

Thèse sciences Ecole polytechnique fédérale de Lausanne EPFL : 2005 ; no 3403.

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    Summary
    When exposed to ionising radiation, living tissue can potentially suffer somatic and genetic damage - effects depending mainly on the radiation dose or energy absorbed, the type of radiation, and the type and mass of cells affected. It is well known that large doses of radiation lead to high damage of the cell nucleus and additional cell structures, which results in harmful somatic effects, and even rapid death of the individual exposed, while at low doses, cancer is by far the most important possible consequence. Understanding the mechanisms by which low doses of radiation cause cell damage is thus of great significance, not only from this viewpoint but also from that of practical medical physics applications such as radiotherapy treatment planning. Ionising radiation, such as electrons and positrons, begins to cause damage to the genome of a living cell by direct ionisation of atoms, thus depositing energy in the DNA double helix itself. The energy threshold for inducing strand-breaks by electrons, however, is around 7 eV, well below the energy levels required for direct ionization. The low-energy electrons that are set in motion around the tracks of energetic charged particles, for example, are responsible for a multitude of low-energy events (energy transfer of the order of 10 eV), which play a significant role in inducing molecular damage. Assessing the spatial configuration of energy transfer events and the deposited energy spectra, in regions of cellular and sub-cellular dimensions, can be aimed at via the application of appropriate Monte Carlo simulation tools. Such calculations depend primarily on an accurate knowledge of the production and subsequent slowing down of secondary electrons that form the basic structure of the charged particle track. In the above context, an important requirement is the provision of detailed quantitative information concerning the interaction cross sections of electrons over an energy range extending down to low energies, i.e. including the sub-excitation domain. In addition, developing fast particle-transport simulation algorithms to cover the entire slowing down process efficiently is a key aspect. Thus, the present doctoral research has, as global goal, the development and validation of new Monte Carlo calculational tools for electron and positron transport in biological materials, both at high and low energies. More specifically, it aims at providing (i) a comprehensive and accurate set of appropriate cross section data, and (ii) a fast and reliable algorithm for the simulation of charged particle transport. Thus, the first part of the thesis concerns the assessment, further development and validation of standard theoretical models for generating electron and positron cross sections to cover the main interactions of these particles with matter, in particular with the basic atomic components of biomaterials (water, bio-polymers, etc.). This has been done for bremsstrahlung, and both elastic and inelastic scattering, considering a wide range of atomic numbers and high up to thermal incident particle energies. In particular, the excitation cross sections for medium and low energies (down to 1 eV) have been derived by using a new formalism based on many-body field theory. The accuracy of the presently obtained data sets are assessed against other theoretical models, as also a large experimental database for each type of interaction, so that both a comprehensive coverage and adequate accuracies have been ensured for the cross section data sets generated. In the second part of the thesis, an extension of the Monte Carlo code system PENELOPE is first undertaken such that use can be made of elastic scattering differential cross sections which have been made available in numerical form. Thereby, new computational routines (incorporated into the new code PENELAST) prepare the cross sections, needed for a given energy and scattering angle, by applying a fast and accurate sampling technique to a provided data set. The present development will allow various electron and positron cross section data libraries, appropriately formatted, to be used with PENELOPE for benchmarking purposes. The development of a high calculation-speed (Class I) Monte Carlo tool for charged particle transport in biological materials has then been addressed. Thereby, a numerical algorithm for calculating the multiple-scattering angular distributions of high energy electrons and positrons is developed, based on the multiple-scattering theory of Lewis which accounts for energy losses within the continuous slowing down approximation. Partial-wave elastic scattering differential cross sections made available in numerical form, as indicated above, are used for the calculations, the inelastic scattering differential cross sections being obtained from the Sternheimer-Liljequist generalized oscillator strength model implemented in PENELOPE. The new code LEWIS has been used to calculate multiple-scattering angular distributions for given path lengths and can be readily adopted for Class I Monte Carlo simulations. The simultaneous generation of a large number of Legendre expansion coefficients is rendered possible, both rapidly and accurately. Results from LEWIS have been found to be in satisfactory agreement, both with detailed simulations carried out using PENELAST and with various sets of experimental data for high to medium energy electrons. In brief, the present research represents a significant improvement in the quality of Monte Carlo modelling of charged particle slowing down processes, thus contributing to understanding the. role of low-energy secondary electrons in radiation protection studies. It will also allow the further development of a complete Class I Monte Carlo code, which can then be reliably used in practical applications such as radiation treatment planning.
    Résumé
    Un tissu vivant exposé au rayonnement ionisant peut potentiellement subir des dommages somatiques et génétiques qui dépendent principalement de la dose de rayonnement ou de l'énergie absorbée, du type de rayonnement, ainsi que du type et de la masse des cellules affectées. Il est bien connu que de fortes doses de rayonnement provoquent des dommages massifs du noyau et des structures additionnelles de la cellule, entraînant des effets somatiques importants qui peuvent aller jusqu'au décès rapide de l'individu exposé. A moindre doses, c'est le cancer qui est la conséquence la plus importante d'une exposition dans la majeure partie des cas. La compréhension des mécanismes par lesquels les faibles doses de rayonnement causent des dommages aux cellules est donc primordiale de ce point de vue, mais aussi dans l'optique d'applications médicales pratiques, telles que la planification des traitements radiothérapeutiques. Le rayonnement ionisant, tel que les électrons et les positrons, commence par causer des dommages au génome d'une cellule vivante par ionisation directe des atomes et dépôt d'énergie dans la double spirale d'ADN elle-même. Cependant, le seuil d'énergie pour induire des ruptures de la chaîne d'ADN par les électrons (environs 7 eV) se situe largement en dessous les niveaux d'énergie requis pour une ionisation directe. Par exemple, les électrons de faible énergie, qui sont mis en mouvement aux abords des trajectoires des particules énergétiques chargées, induisent une multitude d'événements d'énergie réduite (transfert d'énergie de l'ordre de 10 eV), qui jouent un rôle significatif dans l'induction de dommages au niveau moléculaires. La caractérisation spatiale des phénomènes de transfert d'énergie et des dépôts énergétiques spectralement distribués, dans les régions de dimension cellulaire et sub-cellulaire, peut être obtenue à travers la réalisation de simulations de Monte Carlo appropriées. De tels calculs sont principalement dépendants de la connaissance exacte de la production et du ralentissement des électrons secondaires, ces derniers représentant la majorité des particules chargées. Dans ce contexte, une condition importante est la production d'informations quantitatives précises et complètes en rapport avec les sections efficaces d'interaction des électrons sur une gamme d'énergie englobant les basses énergies, c'est-à-dire incluant le domaine de "surexcitation". Le développement des algorithmes rapides pour la simulation du transport des particules, est également essentiel pour pouvoir couvrir avec efficience le processus de ralentissement dans sa globalité. Par conséquent, ce travail de recherche doctoral a pour objectif général le développement et la validation de nouveaux outils de calculs stochastiques devant servir à la simulation du transport des électrons et des positrons de hautes et basses énergies dans des matériaux biologiques. Plus spécialement, il vise à fournir (i) un ensemble complet et précis de données des sections efficaces, et, (ii) un algorithme rapide et fiable pour la simulation du transport de particules chargées. La première partie de la thèse concerne donc l'évaluation, le développement plus poussé et la validation des modèles théoriques standards permettant le calcul des sections efficaces associées au transport des électrons et des positrons. Ces investigations concernent la caractérisation des interactions principales de ces particules avec la matière, en particulier les composants atomiques de base des matières biologiques (eau, biopolymères, etc.). Ceci aussi bien pour le rayonnement de freinage ("Bremsstrahlung") que pour les réactions de diffusion élastique et inélastique en considérant un large éventail d'isotopes et de particules incidentes allant des basses aux hautes énergies. En particulier, les sections efficaces d'excitation pour des moyennes et basses énergies (jusqu'à 1 eV) ont été déduites en employant un formalisme inédite basé sur la théorie des champs à multi-corps. L'exactitude des bases de données obtenues dans cette recherche a été évaluée par comparaison avec d'autres modèles théoriques ainsi qu'avec une large base de données expérimentales, ceci pour chaque type d'interaction. Dans ces conditions, une évaluation appropriée des incertitudes des sections efficaces générées a été assurée. Dans la deuxième partie de la thèse, une extension du code de Monte Carlo PENELOPE a d'abord été établie pour permettre l'utilisation des sections efficaces différentielles de diffusion élastiques disponibles sous forme numérique. Ainsi, de nouvelles routines (incorporées au nouveau code PENELAST) préparent les sections efficaces nécessaires, à une énergie et un angle de dispersion donnés, en appliquant une technique d'échantillonnage rapide et précise d'une base de données existante. En permettant l'emploi de différentes libraries de sections efficaces sous une forme adaptée pour le code PENELOPE, ce schéma de calcul pouvant dès lors être utilisé pour des exercices de validation ("Benchmarking"). Finalement, le développement d'un outil de calcul de type Monte Carlo de haute rapidité (outil de classe I) pour le transport des particules chargées dans des matériaux biologiques a été proposé. Dans ce but, un algorithme numérique pour calculer les distributions angulaires de diffusion multiple des électrons et des positrons de haute énergie a été développé. Cet algorithme est basé sur la théorie de diffusion-multiple de Lewis, qui prend en considération les pertes énergétiques dans l'approximation de ralentissement continu. Tandis que les sections efficaces différentielles de diffusion d'onde partielle sont entrées pour les calculs sous forme de données numériques adaptées, celles de diffusion inélastique sont obtenues à partir du modèle d'oscillateur généralisé de Sternheimer-Liljequist. Ce modèle est celui implémenté dans le code PENELOPE. Le nouveau code LEWIS a été utilisé pour calculer des distributions angulaires de diffusion multiple pour des longueurs de trajectoire données et peut, par conséquent, aisément être adopté pour des simulations Monte Carlo de classe I. La génération simultanée d'un grand nombre de coefficients d'expansion de Legendre est ainsi possible de manière rapide et précise. Les résultats provenant du code LEWIS ont présentés des accords satisfaisants avec des simulations détaillées utilisant des sections efficaces résultant du module PENELAST ainsi qu'avec différents groupes de données expérimentales pour des électrons allant des hautes jusqu'aux moyennes énergies. En résumé, ce travail de recherche représente une amélioration significative pour la simulation par méthode de Monte Carlo des processus de ralentissement des particules chargées. En particulier, des apports significatifs sur la compréhension du rôle des électrons secondaires à énergie réduite dans les études de radioprotection ont été obtenus. Ces investigations permettront également le développement futur d'un code de Monte Carlo complet de classe I, code pouvant être utilisé de manière fiable dans le cadre d'applications pratiques, comme, par exemple, la planification de la radiothérapie.