De la modélisation Monte-Carlo à H*(10)

Bonjour,

j'aimerais calculer H*(10) à partir d'un outil de modélisation Monte-Carlo, en l'occurence Geant4. Mais comment faire ?

Comme tout bon code Monte-Carlo, Geant4 propage des particules (chargées ou non) et permet de mesurer l'énergie déposée par chacune d'elle dans tel ou tel volume. L'outil est donc idéal pour mesurer une dose absorbée, en Gray, dans un volume donnée, mais il me semble que c'est un peu plus complèxe pour la dose équivalente...

A priori, pour calculer H*(10), j'aurais tendance à penser qu'il faut modéliser une boule ICRU de diamètre 30cm (composée d'oxygène (76.2%), carbone (11.1%), hydrogène (10.1%) et azote (2.6%)). Alors, H*(10) est le produit du spectre des particules traversant 1cm de cette boule par le coefficient W qui va bien. Est-ce exact ? Alors avec une telle géométrie de "détecteur", est-ce que je peux aussi calculer par exemple H*(3) de la même manière, à partir du spectre des particules traversant 3mm de cette même boule et est-ce que les coefficients de pondération W sont les mêmes ?

Outre le spectre d'entrée, Geant4 permet de reconstruire l'énergie déposée de l'ensemble des particules générées ou produites par interactions secondaires... Peut-être est-il une autre façon de déterminer la grandeur opérationnelle H*(10)à partir de ces informations ?

Merci pour votre aide,
Arnaud.

Bonjour,

D'expérience avec un code Monte Carlo cousin à celui que tu utilises (Fluka), pour évaluer des grandeurs opérationnelles de type H*(10), il est plus simple (notamment en termes de temps de calcul versus statistique acceptable) de calculer la fluence (en part/cm²) et convertir en H*(10) via les facteurs de conversion usuels.
Déterminer un H*(10) à partir de l'énergie déposée (quelque chose qui serait de la dimension du Gy) me paraît relever de l'acrobatie et du casse-tête, même si on voit bien que tu as déjà bien réfléchi au problème.

@+
SW

Bonjour Chaparno,

Votre méthode que je qualifierai de méthode ab-initio est effectivement recevable.
Quelques précisions toutefois :

Si vous calculez H*(10), il vous faudra modéliser sous le 1 cm un "dosimètre équivalent tissus" par exemple sphérique de rayon suffisamment petit devant 1 cm, ce qui peut poser des pb de convergence du calcul. Vous calculez ensuite l'énergie dE déposée par chaque particule  chargée qui traversent votre dosimètre. Vous sommez toutes vos énergies puis vous divisez par la masse de votre dosimètre, bref effectivement vous obtenez la dose moyenne en Gy dans votre dosimètre.

Par contre pour obtenir l'équivalent de dose sous 10 mm , soit H*(10), il faudra multiplier non pas par W (concept de dose équivalente), mais par le facteur de qualité Q moyenné sur le parcours de chaque particules chargées (voir Q "ponctuel fonction du pouvoir d'arrêt avec ICRU 57 ou CIPR 60 et 103). Pour les photons (mettant en mouvement des électrons ) et les électrons, ce facteur de qualité est globalement égal à 1 (en fait pour les électrons de faibles énergies il est un peu supérieur à 1 en toute rigueur).

Mais il est aussi possible de mettre en oeuvre une méthode qui n'est plus ab-initio. pour cela il suffit de calculer la fluence énergétique des particules primaires en un point de l'espace (donc exit la sphère ICRU mais il faut tout de même utiliser un volume élémentaire convexe pour calculer la fluence via le théorème de Chilton ) et de convoluer cette fluence par les facteurs de conversion fluence -équivalent de dose données par l'ICRU 57 (repris par la CIPR 74). je ne saurais vous dire si géant4 permet de mettre en oeuvre cette méthode fort pratique qui existe par exemple sur MCNP

Ces coefficient ayant été calculés par la méthode ab-initio précédente. 

Yaka, comme on dit

Bon courage et à très bientôt sans doute

Gluonmou

PS : vous avez des valeurs de références hautement validées sur  :
https://www.forum-rpcirkus.com/t4652-benchmarking-rayxpert-dosimex-microshield-et-autres

On s'est croisé avec SW, et nous disons je crois a peu près la même chose en des termes différents.

Merci à tous les deux pour la qualité et la rapidité de vos réponses.

Si je comprends bien, H*(10), comme toute autre grandeur opérationnelle, ne peut être calculée qu'à partir d’une grandeur physique multipliant cette dernière par des coefficients de conversion appropriés, donnés par la CIPR74. C'est la méthode qualifiée de non ab-initio par Gluonmou...

Vous citez comme grandeur physique la fluence énergétique des particules primaires. Je suppose à la lecture de vos réponses qu'il n'existe pas de telle relation liant l'équivalent de dose ambiant à la dose absorbée (triviale à déterminer avec Geant4) ?

Il me faut donc déterminer la fluence énergétique, quantité d'énergie emportée par le faisceau au travers d'une surface. Autrement dit, est-ce qu'il est exact que pour mesurer cette grandeur il me suffit de construire une surface élémentaire (par exemple une sphère de rayon 1cm -> S = pi cm2) et déterminer le nombre N de particules pénétrant dans cette sphère (sans se préoccuper du fait que les particules interagissent dedans ou non) avec une énergie E (à l'entrée de la sphère). Par suite, la fluence énergétique (en J/cm2) est phi = E*N/S ?

Je tâcherai de compléter le post "benchmarking" une fois que j'aurais les idées claires de sorte à apporter ma petite contribution, d'une part, et vérifier que je fais bien ce que je crois que je fais, d'autre part...

Arnaud.

Attention, c'est la fluence particulaire qu'il faut calculer (à une énergie donnée)

Qui se calcule de la façon suivante : on prend un volume convexe (sphère ou cylindre), on calcule la longueur de la  trajectoires de chaque particule (sans interaction), on fait la somme de ces trajectoires et on divise par le volume du volume.
marrant, non?

Dans une sphère, cela revient à faire le rapport du nombre de particules qui traversent la surface de la sphère à la surface du disque inscrit dans ladite sphère

Z'étaient balèzes, nos aînés, quand même

Gluonmou

Ok. J'implémente ça et je reviens vers vous, disons "bientôt" pour être sûr de respecter mon engagement...
Merci beaucoup,
Arnaud.

Bonjour à tous,

il se trouve que je suis dans le même cas : utilisateur de Geant4 voulant faire du calcul de débit de dose.
J'ai essayé comme chaparno de modéliser la sphère ICRU de 30cm de diamètre, sachant que dans la définition il faut des champs unidirectionnels monoénergétique : c'est bien à partir de ces mesures qu'on fabrique les étalons?
J'ai récemment "rebricolé" mon modèle pour tendre plus vers le requis de la détermination de débit d'équivalent de dose via cette sphère : si sur une modélisation de source de neutrons AmBe je trouve de bon résultats à différentes distances pour le débit de dose neutrons (comparaison avec mesures faites par l'IRSN), quand je fais des calculs en plaçant cette source dans un conteneur en PEHD ... le calcul sur-estime les mesures ...

J'avoue ne pas comprendre pourquoi ça marche dans un cas et pas dans l'autre, sachant que j'ai pu vérifier la fiabilité de Geant4 dans le transport des neutrons dans un autre contexte : coup de bol pour la source nue?

Bref je vais plancher sur le sujet à partir de ce qui a été dit ici

-Quel est le facteur de surestimation?

-Quelle est la dimension de votre boule à neutron (en espérant que ce soit une sphère)
-C'est ty quoi le PEHD ( et masse volumique)

A priori il est difficile de mettre en cause Géant4
la différence peut provenir d'une mauvaise modélisation, mais aussi de la mesure, très sensible assez souvent au spectre en énergie des neutrons incidents (si la mesure ne fait pas implicitement un spectre suffisamment détaillé pour se recaler)

Par contre il me semble préférable de déterminer la fluence neutronique et d'appliquer les coefficients fluence -dose. 

Gluonmou

Et au passage, quelle est l'activité de votre source et la distance à laquelle vous calculez

Bon ok, PEHD=polyéthylène haute densité
J'ai du le savoir un jour

j'ai fait un petit calcul avec 1Ci d'Am-Be à 1 m

Souce nue à 1 m:
DED neutrons (H*(10)= 30 µSv/h
DED gamma (Am 241)= 32 µSv/h

Avec 50 cm de PEHD à 0,95 g/cm3 j'obtient :

DED neutrons : 0,055 µSv/h
DED gamma (Am 241)= 0,07 µSv/h
DED gamma capture= 0,19 µSv/h



ça tient la route par rapport à vos calculs?

Désolé pour le jargon de "neutronicien".

les DED à 1m pour une source de 1Ci sont cohérents avec des données que j'ai trouvées dans un certificat de source AmBe.

J'utilise une source de 3Ci et les mesures par l'IRSN ont été faites avec un CRAMAL21.

avec ma méthode de calcul précédente, j'obtenais un facteur de 3 à 4 entre mesures et calculs, pour les neutrons, lorsque la source est placée dans son conteneur (épaisseur PEHD = 8cm entre source et bord).
J'ai repris la méthode en me basant sur l'ICRU103 et vos réponses, et les premiers résultats semblent beaucoup plus cohérents (moyennant les simplifications géométriques de mon modèle).
Je l'expliciterai dès validation complète sur plusieurs géométries.

le débit de dose gamma source nue à 1m est vraiment du au 60keV de 241Am?
Personnellement je ne le prends pas en compte et considère le gamma de 4438keV issu de la désexcitation de 12C.

quel code de simu utilisez vous?

Bonjour 

(attention, ce post contient des produits placés)

Avec 8 cm de PEHD, l'atténuation en dose neutron  est faible (58 %):

DED neutron : 17,5 µSV/h (toujours pour 1 Ci en alpha)
DED 59 keV : 5 µSv/h

8 cm d'un matériau hydrogéné n'est à mon sens guère efficace. Seul environ 13 % des neutrons sont thermalisé

Vous parlez d'un facteur 3 ou 4 entre mesures et calculs
mais quel est l'écart entre la mesure sans PEHD et avec PEHD?

Concernant le DED gamma :

Pour une source nue ou peu protégé, on a 1 photon gamma de 59 pour environ 3 désintégrations alpha
On a effectivement un beau gamma de 4438 keV lorsque la réaction alpha-neutron se produit, mais celle -ci ne se produit que 1 fois sur 150 000 désintégration alpha, donc elle est négligeable en terme de dose sur une source non protégé par un matériau lourd (si vous mettez 1 cm de Pb, ça change tout)

Donc effectivement je n'en tiens pas compte dans mon calcul

Ci dessous un spectre gamma (réalisé avec Visu-gamma) d'une source neutron dans sa protection biologique



De la gauche vers la droite les 3 ROI en rouge :

Le 59 keV, pas très propre mais il est là
 Le pic gamma de capture n-p à 2225 keV, à l'énergie exacte de la liaison neutron-proton (le pic gamma de référence ultime)

Et enfin le pic gamma à 4438 keV, avec son élargissement Doppler caractéristique

la surface nette de ce pic est de 800, alors qu'elle est de l'ordre de 120 000 pour le 59 keV

Sinon le code qui m'a permis de calculer c'est DOSIMEX-N, of course:



Gluonmou

Petit post pour signaler que j'ai mis à jour la page initiée par Gluommou avec les données obtenues à partir de Geant4 :
https://www.forum-rpcirkus.com/t4652-benchmarking-rayxpert-dosimex-microshield-et-autres