Situação Atual do Projeto IF / IEN -Geant4

L.F.A Oliveira-UFRJ

Colaboradores:J.R.T. de Mello Neto - UFRJH. Davidovich - IENL.C. Reina - IEN

Tópicos da apresentação• Uso do 18F para radiodiagnóstico e a sua produção• Caverna de produção do 18F do IEN• Descrição do problema• Nossos Objetivos• Geant 4 • Codificação• Geometria do Problema• Recursos computacionais• Reação Nuclear• Resultados preliminares• Evolução Temporal• Comparação com medidas experimentais• Perspectivas• Referências

Uso do 18F para radiodiagnóstico e sua produção

Glicosep n18O 18F+=

Água“Água + Glicose marcada”

Tumor com Glicose marcada

Glicose marcada

você + tumor

e+

+

detectort ~ 2h

18F = 18O + e+ + e

Ee = 0.635 MeV

Caverna de produção do 18F do IEN

Caverna de Experiências Físicas

Caverna do Flúor

Caverna do Iodo

AlvoComposição:96,00 % de H2

18O 3,99 % de H2

16O 0,01 % de H2

17O

Ep= 24 MeV

Ip = 10 A

Np = 6.25 x 1013 part/s

Q = -2.47 MeV

Va = 300 l

Descrição do problema

Caverna de Experiências Físicas

Caverna do Flúor

Caverna do Iodo

Principais vilões:

Fótons

Neutrons

Nossos objetivos

• Aproximar o máximo possível a geometria simulada com a real.

• Simular a produção de 18F e obter os valores de dose na vizinhança imediata da caverna.

• Comparar os valores simulados com medidas experimentais.

• Simular a produção de 18F com as possíveis soluções e determinar a melhor.

GEANT 4

• Ferramenta de simulação de partículas através da matéria,orientada a objetos, desenvolvida em c++;

• Propicia total domínio sobre a simulação de um detetor;

• Possui diversos conjuntos de dados experimentais;• Poderosos geradores de números aleatórios;• Aplicação em diversas áreas da física;• Ferramenta de vizualização poderosa.

http://www.cern.ch/geant4

Codificação

Caverna de Experiências Físicas

Caverna do Flúor

Caverna do Iodo

G4double porta_x = 2.25*cm; // Dimensoes finais da portaG4double porta_y = 47*cm; G4double porta_z = 97*cm; G4Box* box3=new G4Box("box #3", porta_x, porta_y, porta_z);

G4Tubs* cilindro=new G4Tubs("o furo",0*cm,11.25*cm,3*cm,0*deg,360*deg);G4ThreeVector translation2(0*cm,0*cm,60*cm);

G4RotationMatrix *yRot90deg=new G4RotationMatrix; yRot90deg->rotateY(90*deg);G4VSolid* portacomfuro = newG4SubtractionSolid("caixa2",box3,cilindro,yRot90deg,translation2);

G4LogicalVolume* door_w_hole_log = new G4LogicalVolume (portacomfuro,eFe,"uuuu",0,0,0);

block01Pos_x = 393.75*cm; block01Pos_y = -58.44*cm; block01Pos_z = -39*cm;

G4VPhysicalVolume* door_whole_phys = new G4PVPlacement (0,G4ThreeVector(block01Pos_x,block01Pos_y,block01Pos_z), door_w_hole_log,"porta",experimentalHall_log,true,0); G4VisAttributes* door_whole_atributos = new G4VisAttributes(G4Colour(0.5,1.0,0.0)); door_whole_atributos->SetForceSolid(true); door_w_hole_log->SetVisAttributes(door_whole_atributos);

G4double block05_pLTX = 67.5*cm;G4double block05_pZ = 272.0*cm;G4double block05_pY = 296.00*cm;G4double block05_pX = 91.0*cm; G4Trap* cavernFBlock05_trap = newG4Trap("cavFBlock05_trap",block05_pZ,block05_pY,block05_pX,block05_pLTX);G4LogicalVolume* cavernFBlock05_log = newG4LogicalVolume(cavernFBlock05_trap,ConCom,"cavFBlock05_log",0,0,0);G4double block05Pos_x = 182*cm;G4double block05Pos_y = 144.44*cm;G4double block05Pos_z = 0.0*cm;G4double phi,theta; phi = -90.0*deg; theta=0.0*deg; G4RotationMatrix MR; MR.rotateZ(phi); // Pensar depois MR.rotateX(theta);G4VPhysicalVolume* cavernFBlock05_phys = new G4PVPlacement(G4Transform3D(MR,G4ThreeVector(block05Pos_x,block05Pos_y,block05Pos_z)), "FBlock05",cavernFBlock05_log, experimentalHall_phys,false,0);

G4double raioint=0*cm;G4double raioext=1.25*cm;G4double Sphi=-90.0*deg;G4double Stheta=0.0*deg;G4double Ephi=180*deg;G4double Etheta=180.0*deg; G4Sphere* decoy_box = new G4Sphere ("decoy_box", raioint,raioext,Sphi,Ephi,Stheta,Etheta);G4LogicalVolume* decoy_log = new G4LogicalVolume (decoy_box,AE,"decoy_log",0,0,0); block09Pos_x = -50.5*cm; block09Pos_y = -19.44*cm; block09Pos_z = 0*cm; G4VPhysicalVolume* decoy_phys = new G4PVPlacement (0,G4ThreeVector(block09Pos_x,block09Pos_y,block09Pos_z),

decoy_log,"ALVO",experimentalHall_log,false, 0); G4VisAttributes* Decoy_atributos = new G4VisAttributes(G4Colour(1.0,0.5,0.5)); Decoy_atributos->SetForceSolid(true); decoy_log->SetVisAttributes(Decoy_atributos);

G4Isotope* O16 = new G4Isotope(name="O16",iz=8,n=16,a=16.00*g/mole); G4Isotope* O17 = new G4Isotope(name="O17",iz=8,n=17,a=17.00*g/mole); G4Isotope* O18 = new G4Isotope(name="O18",iz=8,n=18,a=18.00*g/mole); G4Element* OE = new G4Element(name="Oxigenio Enriquecido",symbol="Oe", ncomponents=3); OE->AddIsotope(O16,abundance=3.99*perCent); OE->AddIsotope(O17,abundance=0.01*perCent); OE->AddIsotope(O18,abundance=96.0*perCent); // Definicao da Agua Enriquecida (AE) density=1.*g/mole; G4Material* AE = new G4Material(name="Agua Enriquecida",density,ncomponents=2); AE->AddElement(OE, natoms=1); AE->AddElement(H, natoms=2);

a = 207.19*g/mole; density = 11.35*g/cm3; G4Element* Pb = new G4Element(name="Lead", symbol="Pb",z=82., a); a=1.00797*g/mole; density = 0.08375e-3*g/cm3; G4Element* H = new G4Element(name="Hidrogenio", symbol="H",z=1., a);a=15.9994*g/mole; density = 1.3318e-3*g/cm3; G4Element* O = new G4Element(name="Oxigenio", symbol="O",z=8., a);a=22.9898*g/mole; density = 0.9712*g/cm3; G4Element* Na = new G4Element(name="Sodio",symbol="Na", z=11., a);a=24.312*g/mole; density = 1.738*g/cm3; G4Element* Mg = new G4Element(name="Magnesio",symbol="Mg", z=12., a);a = 26.98*g/mole; density = 2.7*g/cm3; G4Element* Al = new G4Element(name="Aluminum",symbol="Al", z=13., a);a=28.086*g/mole; density = 2.33*g/cm3; G4Element* Si = new G4Element(name="Silicio", symbol="Si",z=14., a);a=32.064*g/mole; density = 2.07*g/cm3; G4Element* S = new G4Element(name="Enxofre", symbol="S",z=16., a);a=40.08*g/mole; density = 1.55*g/cm3; G4Element* Ca = new G4Element(name="Calcio",symbol="Ca", z=20., a);a=55.847*g/mole; density = 7.874*g/cm3; G4Element* Fe = new G4Element(name="Ferro",symbol="Fe", z=26., a);

density = 2.10*g/cm3; G4Material* ConCom = new G4Material(name="Concreto Comum", density, ncomponents=9); ConCom->AddElement(H, fractionmass=0.56*perCent); ConCom->AddElement(O, fractionmass=49.79*perCent); ConCom->AddElement(Na, fractionmass=1.7*perCent); ConCom->AddElement(Mg, fractionmass=0.23*perCent); ConCom->AddElement(Al, fractionmass=4.56*perCent); ConCom->AddElement(Si, fractionmass=31.56*perCent); ConCom->AddElement(S, fractionmass=0.13*perCent); ConCom->AddElement(Ca, fractionmass=10.23*perCent); ConCom->AddElement(Fe, fractionmass=1.24*perCent);

6400 linhas de comando + libraries

Geometria do problema

Visão da caverna a partir da porta

Visão da porta

Demonstração

Capacidade de vizualização do GEANT 4

tativo=0.01ns

tativo=0.01ns

Recursos ComputacionaisComputador paralelo Olympus

m06 2 Pentium-Pro 200MHz 256Mb 2.7Gbm07 2 Pentium-Pro 200MHz 256Mb 2.7Gbm08 2 Pentium II 453MHz 128Mb 8.0Gbm09 2 Pentium II 453MHz 128Mb 8.0Gbm10 2 Pentium II 333MHz 256Mb 36Gb

m01

m06

m07

m08

m09

m10

m11

m12L

Simulação 1

• Realizamos hipóteses sobre a reação nuclear• Simulação da colisão de 6.4x108 partículas• Resultados preliminares apresentados no XXII ENFPC - Nov. 2002

Reação nuclear

Hipóteses:

Sempre há colisão

A emissão de neutrons se dá de forma isotrópica

Simular somente a reação p-n

Regiões de detecção na simulação 1

Caverna de Experiências Físicas

Caverna do Flúor

Caverna do Iodo

x

y

Resultados preliminares (a)Fótons

Resultados preliminares (b)Fótons

Resultados preliminares (c)Neutrons

Resultados preliminares (d)Neutrons

Simulação 2

• Manutenção da hipótese sobre a reação nuclear• Simulação da colisão de 6.4x109 partículas• Adição de detetores de fótons e neutrons• Comparação das medidas simuladas com as experimentais• Resultados apresentados no XXIII Jornada de Iniciação Científica - UFRJ

Mudança na Geometria

Visão da porta com detectores

Detectores na simulação:

Eficiência: 100%Precisão: 100 %Leitura: Energia da partícula

Evolução Temporal

0 ns0,01 ns0,5 ns1,0 ns

Comparação das medidas

Ponto Dose Simulada Dose Experimental1N

2N

3N

1G

2G

3G

57±29 mSv/h

725 ± 360 mSv/h

630 ± 310 mSv/h

0 ± 1 mSv/h

30 ± 30 Sv/h

260 ± 180 Sv/h

19±1,9 mSv/h

2,5±0,25 mSv/h

150±15 Sv/h

1,72±0,19 mSv/h

225 ±11,3 Sv/h

56±2,8 Sv/h

Simulação = 1,024 ms Fator de Correção: 3.52x106

Resultados Excelentes

Perspectivas

• Averiguar quão bem o GEANT4 simula as reações nucleares;

• Seguir com os objetivos mencionados anteriormente.

Referências

• GEANT4 - User’s manual for applications developers• GEANT4 - Software reference guide• GEANT4 - Physics reference manual• Halliday & Resnick, Fundamentos de Física vol4.• American Nuclear Society neutron and gamma-ray fluence-to-dose factors• Analytical method for calculating neutron bulk shielding in a medium -energy accelerator

facility Takashi Kato• Monte Carlo Simulation of Electron Beams for Radiotherapy - EGS4, MCNP4b and

GEANT3 Intercomparison• Skyshine - A paper tiger?, A. Rind• Introduction to Nuclear Physics - H. Enge• Techniques for Nuclear and Particle Physics Experiments, A How-to Approach - W.R. Leo• Numerical Recipes in C