Monte Carlo simulation of the WENDI-2 neutron dosimeter

Il presente lavoro di tesi, sviluppato nell’arco di sei mesi presso l’Institut Supérieur Industriel de Bruxelles (ISIB) in collaborazione con Ion Beam Application Group (IBA, Louvain la Neuve), ha come principale soggetto lo studio della risposta del rem meter WENDI-2 commercializzato da Thermo Scientific. Lo studio si è basato principalmente sull’uso del codice Monte Carlo MCNPX 2.5.0, simulando la risposta del detector sia in caso di campi di radiazione neutronica monoenergetici sia in corrispondenza di spettri neutronici continui. La prima fase è stata dedicata alla modellizzazione MCNPX del rem counter, consentendo così la valutazione della sua funzione risposta. Questa è stata ricostruita interpolando 93 punti, ciascuno calcolato in corrispondenza di un singolo valore di energia di una sorgente puntiforme, compreso tra 1 meV e 5 GeV. In tal caso è stata rilevata un’ottima corrispondenza tra i risultati ottenuti e quelli riportati nella letteratura scientifica esistente. In una seconda fase, al fine di ottenere informazioni sulla risposta di WENDI II in corrispondenza di campi complessi di radiazione, simulazioni MCNPX sono state realizzate riproducendo un ambiente di lavoro esistente presso la sede IBA di Louvain la Neuve: la risposta del detector è stata valutata in corrispondenza di 9 diverse posizioni all’interno di un bunker contenente un ciclotrone PET (18 MeV H-), implicando la rilevazione di campi di radiazione neutronica continui ed estesi dalle energie termiche fino a 18 MeV. I risultati ottenuti sono stati infine comparati con i valori di dose ambiente equivalente calcolata nelle stesse condizioni di irraggiamento.

Monte-Carlo simulation of hard spherocylinders under confinement

When a liquid crystal is confined to a cavity its director field becomes subject to competing forces: on the one hand, the surface of the cavity orients the director field (``surface anchoring''), on the other hand deformations of the director field cost elastic energy. Hence the equilibrium director field is determined by a compromise between surface anchoring and elasticity. One example of a confined liquid crystal that has attracted particular interest from physicists is the nematic droplet. In this thesis a system of hard rods is considered as the simplest model for nematic liquid crystals consisting of elongated molecules. First, systems of hard spherocylinders in a spherical geometry are investigated by means of canonical Monte Carlo simulations. In contrast to previous simulation work on this problem, a continuum model is used. In particular, the effects of ordering near hard curved walls are studied for the low-density regime. With increasing density, first a uniaxial surface film forms and then a biaxial surface film, which eventually fills the entire cavity. We study how the surface order, the adsorption and the shape of the director field depend on the curvature of the wall. We find that orientational ordering at a curved wall in a cavity is stronger than at a flat wall, while adsorption is weaker. For densities above the isotropic-nematic transition, we always find bipolar configurations. As a next step, an extension of the Asakura-Oosawa-Vrij model for colloid-polymer mixtures to anisotropic colloids is considered. By means of computer simulations we study how droplets of hard, rod-like particles optimize their shape and structure under the influence of the osmotic compression caused by the presence of spherical particles that act as depletion agents. At sufficiently high osmotic pressures the rods that make up the drops spontaneously align to turn them into uniaxial nematic liquid crystalline droplets. The nematic droplets or ``tactoids'' that so form are not spherical but elongated, resulting from the competition between the anisotropic surface tension and the elastic deformation of the director field. In agreement with recent theoretical predictions we find that sufficiently small tactoids have a uniform director field, whilst large ones are characterized by a bipolar director field. From the shape and director-field transformation of the droplets we estimate the surface anchoring strength.

The XENON1T experiment: Monte Carlo background estimation and sensitivity curves study

Despite the scientific achievement of the last decades in the astrophysical and cosmological fields, the majority of the Universe energy content is still unknown. A potential solution to the “missing mass problem” is the existence of dark matter in the form of WIMPs. Due to the very small cross section for WIMP-nuleon interactions, the number of expected events is very limited (about 1 ev/tonne/year), thus requiring detectors with large target mass and low background level. The aim of the XENON1T experiment, the first tonne-scale LXe based detector, is to be sensitive to WIMP-nucleon cross section as low as 10^-47 cm^2. To investigate the possibility of such a detector to reach its goal, Monte Carlo simulations are mandatory to estimate the background. To this aim, the GEANT4 toolkit has been used to implement the detector geometry and to simulate the decays from the various background sources: electromagnetic and nuclear. From the analysis of the simulations, the level of background has been found totally acceptable for the experiment purposes: about 1 background event in a 2 tonne-years exposure. Indeed, using the Maximum Gap method, the XENON1T sensitivity has been evaluated and the minimum for the WIMP-nucleon cross sections has been found at 1.87 x 10^-47 cm^2, at 90% CL, for a WIMP mass of 45 GeV/c^2. The results have been independently cross checked by using the Likelihood Ratio method that confirmed such results with an agreement within less than a factor two. Such a result is completely acceptable considering the intrinsic differences between the two statistical methods. Thus, in the PhD thesis it has been proven that the XENON1T detector will be able to reach the designed sensitivity, thus lowering the limits on the WIMP-nucleon cross section by about 2 orders of magnitude with respect to the current experiments.

Sviluppo e convalida di un modello Monte Carlo per ottenere le curve isodose all'interno di una sala a raggi x nell'ospedale clinico Universitario di Valencia

Per prevedere i campi di dose attorno a dispositivi radiologici, vengono sviluppati e validati, per mezzo di misure sperimentali, modelli Monte Carlo (utilizzando MCNP5). Lo scopo di questo lavoro è quello di valutare le dosi ricevute da persone che operano all'interno della sala di raggi X, mentre il tubo è in funzione. Il tubo utilizzato è un DI-1000/0.6-1.3 della azienda svizzera COMET AG. Per prima cosa si è ottenuto lo spettro di emissione dei raggi X con la Tally F5 simulando l'interazione di un fascio di elettroni contro un anodo di tungsteno. Successivamente, con una F4MESH, si è ricavato il flusso di fotoni in ogni cella della mesh tridimensionale definita sulla sala; la conversione a dose equivalente è ottenuta per mezzo di fattori di conversione estratti dal NIST. I risultati della Tally FMESH vengono confrontati con i valori di dose misurati con una camera di ionizzazione Radcal 1800 cc. I risultati sono ottenuti per le seguenti condizioni operative: 40 kVp, 100 mA, 200 mAs, fuoco fine e filtro in alluminio di spessore 0,8 mm. Confrontando con le misure sperimentali si osserva che tali valori differiscono da quelli simulati di circa un 10%. Possiamo quindi prevedere con buona approssimazione la distribuzione di dose mentre il tubo è in funzione. In questo modo è possibile ridurre al minimo la dose ricevuta dall'operatore.

Variational Monte Carlo study of the hydrogen electronic structure at ultra-high pressure

Die causa finalis der vorliegenden Arbeit ist das Verständnis des Phasendiagramms von Wasserstoff bei ultrahohen Drücken, welche von nichtleitendem H2 bis hin zu metallischem H reichen. Da die Voraussetzungen für ultrahohen Druck im Labor schwer zu schaffen sind, bilden Computersimulationen ein wichtiges alternatives Untersuchungsinstrument. Allerdings sind solche Berechnungen eine große Herausforderung. Eines der größten Probleme ist die genaue Auswertung des Born-Oppenheimer Potentials, welches sowohl für die nichtleitende als auch für die metallische Phase geeignet sein muss. Außerdem muss es die starken Korrelationen berücksichtigen, die durch die kovalenten H2 Bindungen und die eventuellen Phasenübergänge hervorgerufen werden. Auf dieses Problem haben unsere Anstrengungen abgezielt. Im Kontext von Variationellem Monte Carlo (VMC) ist die Shadow Wave Function (SWF) eine sehr vielversprechende Option. Aufgrund ihrer Flexibilität sowohl lokalisierte als auch delokalisierte Systeme zu beschreiben sowie ihrer Fähigkeit Korrelationen hoher Ordnung zu berücksichtigen, ist sie ein idealer Kandidat für unsere Zwecke. Unglücklicherweise bringt ihre Formulierung ein Vorzeichenproblem mit sich, was die Anwendbarkeit limitiert. Nichtsdestotrotz ist es möglich diese Schwierigkeit zu umgehen indem man die Knotenstruktur a priori festlegt. Durch diesen Formalismus waren wir in der Lage die Beschreibung der Elektronenstruktur von Wasserstoff signifikant zu verbessern, was eine sehr vielversprechende Perspektive bietet. Während dieser Forschung haben wir also die Natur des Vorzeichenproblems untersucht, das sich auf die SWF auswirkt, und dabei ein tieferes Verständnis seines Ursprungs erlangt. Die vorliegende Arbeit ist in vier Kapitel unterteilt. Das erste Kapitel führt VMC und die SWF mit besonderer Ausrichtung auf fermionische Systeme ein. Kapitel 2 skizziert die Literatur über das Phasendiagramm von Wasserstoff bei ultrahohem Druck. Das dritte Kapitel präsentiert die Implementierungen unseres VMC Programms und die erhaltenen Ergebnisse. Zum Abschluss fasst Kapitel 4 unsere Bestrebungen zur Lösung des zur SWF zugehörigen Vorzeichenproblems zusammen.

Cyclotron production of 11^C: experimental assessment of saturation yield and validation with Monte Carlo simulation

Nell'ambito della Fisica Medica, le simulazioni Monte Carlo sono uno strumento sempre più diffuso grazie alla potenza di calcolo dei moderni calcolatori, sia nell'ambito diagnostico sia in terapia. Attualmente sono disponibili numerosi pacchetti di simulazione Monte Carlo di carattere "general purpose", tra cui Geant4. Questo lavoro di tesi, svolto presso il Servizio di Fisica Sanitaria del Policlinico "S.Orsola-Malpighi", è basato sulla realizzazione, utilizzando Geant4, di un modello Monte Carlo del target del ciclotrone GE-PETtrace per la produzione di C-11. Nel modello sono stati simulati i principali elementi caratterizzanti il target ed il fascio di protoni accelerato dal ciclotrone. Per la validazione del modello sono stati valutati diversi parametri fisici, tra i quali il range medio dei protoni nell'azoto ad alta pressione e la posizione del picco di Bragg, confrontando i risultati con quelli forniti da SRIM. La resa a saturazione relativa alla produzione di C-11 è stata confrontata sia con i valori forniti dal database della IAEA sia con i dati sperimentali a nostra disposizione. Il modello è stato anche utilizzato per la stima di alcuni parametri di interesse, legati, in particolare, al deterioramento dell'efficienza del target nel corso del tempo. L'inclinazione del target, rispetto alla direzione del fascio di protoni accelerati, è influenzata dal peso del corpo del target stesso e dalla posizione in cui questo é fissato al ciclotrone. Per questo sono stati misurati sia il calo della resa della produzione di C-11, sia la percentuale di energia depositata dal fascio sulla superficie interna del target durante l'irraggiamento, al variare dell'angolo di inclinazione del target. Il modello che abbiamo sviluppato rappresenta, dunque, un importante strumento per la valutazione dei processi che avvengono durante l'irraggiamento, per la stima delle performance del target nel corso del tempo e per lo sviluppo di nuovi modelli di target.

Verifica radioprotezionistica con tecniche Monte Carlo del bunker per radioterapia dell' ASMN-IRCCS di Reggio Emilia

Conoscere con dettaglio il campo di radiazione che si genera nell'utilizzo di un acceleratore lineare di elettroni durante una seduta di radioterapia è essenziale sia per i pazienti sia per gli operatori. L'utilizzo del codice Monte Carlo MCNPX 2.7.0 permette di stimare dati dosimetrici dettagliati in zone dove può essere complicato effettuare misurazioni.Lo scopo di questo lavoro è indagare il comportamento del fascio fotonico prodotto nel bunker di radioterapia dell'ASMN-IRCCS di Reggio Emilia, valutando con precisione in particolare la produzione di fotoneutroni secondari. L'obiettivo è la verifica dell'efficacia delle barriere offerte dalla struttura tenendo in considerazione anche il canale di penetrazione degli impianti di servizio che costituisce un punto di fuga per le radiazioni.

Realizzazione e convalida del modello Monte Carlo di un calibratore di attività per radiofarmaci

I calibratori di attività sono strumenti molto importanti per la pratica, diagnostica e terapeutica, in medicina nucleare, perché permettono di associare ad un radiofarmaco una misura accurata dell’attività dell’isotopo in esso contenuto; questo è fondamentale in quanto l’attività della sorgente esprime la quantità di farmaco somministrata al paziente. In questo lavoro è stato sviluppato il modello Monte Carlo di un calibratore di attività ampiamente diffuso nei laboratori di radiofarmacia (Capintec CRC-15), utilizzando il codice Monte Carlo FLUKA. Per realizzare il modello si è posta estrema attenzione nel riprodurre al meglio tutti i dettagli delle componenti geometriche della camera e dei campioni delle sorgenti radioattive utilizzati. A tale scopo, la camera di ionizzazione di un calibratore è stata studiata mediante imaging TAC. Un’analisi preliminare è stata eseguita valutando il confronto tra l’andamento sperimentale dell’efficienza della camera in funzione dell’energia dei fotoni incidenti e quello ottenuto in simulazione. In seguito si è proceduto con la validazione: si sono studiati a questo proposito la risposta del calibratore in funzione dell’altezza della sorgente e i confronti tra i fattori relativi (rispetto ad una sorgente certificata di 137Cs) e le misure di confronto sono state eseguite con diverse sorgenti certificate di 133Ba, 68Ge-68Ga, 177Lu ed uno standard tarato internamente di 99mTc. In tale modo, si è ricoperto l'intero campo di interesse dei principali radionuclidi impiegati nelle applicazioni diagnostiche e terapeutiche di Medicina Nucleare. Il modello sviluppato rappresenta un importante risultato per l’eventuale determinazione di nuovi fattori di calibrazione o per un futuro studio relativo all’ottimizzazione della risposta del calibratore.

Ricostruzione di segnali multipli del rivelatore a tempo di volo (ToF) di ALICE: confronto fra dati e Monte Carlo

La fisica delle collisioni ad alte energie è, ad oggi, uno dei campi di ricerca più interessante per la verifica di modelli teorici che spieghino la nascita e la formazione dell'universo in cui viviamo. In quest'ottica lavorano esperimenti presso i più importanti acceleratori di particelle: tra questi anche l'esperimento ALICE, presso il Large Hadron Collider LHC del CERN di Ginevra. Il suo scopo principale è quello di verificare e ampliare l'insieme delle prove sperimentali alla base sull'esistenza di un nuovo stato della materia: il Quark Gluon Plasma. La presenza della transizione di fase della materia adronica ordinaria a QGP era stata teorizzata da diversi studi termodinamici e da calcoli di QCD su reticolo: in particolare si prevedeva l'esistenza di uno stato della materia in cui i quark sono deconfinati. Il QGP è dunque un plasma colorato e densissimo di quark e gluoni, liberi di interagire tra loro. Queste condizioni sarebbero state quelle dell'universo primordiale, circa 1µs dopo il Big Bang: a seguito di una transizione di fase, si sarebbe poi formata tutta la materia adronica ordinaria. Per riprodurre le condizioni necessarie alla formazione del QGP occorrono collisioni ad energie ultrarelativistiche come quelle prodotte, negli ultimi anni, dall'acceleratore LHC. Uno dei principali rivelatori dedicati all'identificazione di particelle in ALICE è il sistema a tempo di volo TOF. Nonostante un attento processo di ottimizzazione della risoluzione delle sue componenti, persistono residui errori strumentali che limitano la qualità (già ottima) del segnale, tutt'oggi oggetto di studio. L'elaborato presentato in questa tesi è suddiviso in tre capitoli: nel primo ripercorriamo gli aspetti teorici del Modello Standard e del Quark Gluon Plasma. Nel secondo descriviamo la struttura di rivelazione di ALICE, analizzando il funzionamento delle singole componenti. Nel terzo, infine, verifichiamo le principali correzioni al TOF ad oggi note, confrontando i dati a nostra disposizione con delle simulazioni Monte Carlo: questo ci permette da un lato di approfondirne la conoscenza, dall'altro di cercarne di migliorare la descrizione del comportamento del rivelatore.

Validation of the Swiss Monte Carlo Plan for a static and dynamic 6 MV photon beam

Monte Carlo (MC) based dose calculations can compute dose distributions with an accuracy surpassing that of conventional algorithms used in radiotherapy, especially in regions of tissue inhomogeneities and surface discontinuities. The Swiss Monte Carlo Plan (SMCP) is a GUI-based framework for photon MC treatment planning (MCTP) interfaced to the Eclipse treatment planning system (TPS). As for any dose calculation algorithm, also the MCTP needs to be commissioned and validated before using the algorithm for clinical cases. Aim of this study is the investigation of a 6 MV beam for clinical situations within the framework of the SMCP. In this respect, all parts i.e. open fields and all the clinically available beam modifiers have to be configured so that the calculated dose distributions match the corresponding measurements. Dose distributions for the 6 MV beam were simulated in a water phantom using a phase space source above the beam modifiers. The VMC++ code was used for the radiation transport through the beam modifiers (jaws, wedges, block and multileaf collimator (MLC)) as well as for the calculation of the dose distributions within the phantom. The voxel size of the dose distributions was 2mm in all directions. The statistical uncertainty of the calculated dose distributions was below 0.4%. Simulated depth dose curves and dose profiles in terms of [Gy/MU] for static and dynamic fields were compared with the corresponding measurements using dose difference and γ analysis. For the dose difference criterion of ±1% of D(max) and the distance to agreement criterion of ±1 mm, the γ analysis showed an excellent agreement between measurements and simulations for all static open and MLC fields. The tuning of the density and the thickness for all hard wedges lead to an agreement with the corresponding measurements within 1% or 1mm. Similar results have been achieved for the block. For the validation of the tuned hard wedges, a very good agreement between calculated and measured dose distributions was achieved using a 1%/1mm criteria for the γ analysis. The calculated dose distributions of the enhanced dynamic wedges (10°, 15°, 20°, 25°, 30°, 45° and 60°) met the criteria of 1%/1mm when compared with the measurements for all situations considered. For the IMRT fields all compared measured dose values agreed with the calculated dose values within a 2% dose difference or within 1 mm distance. The SMCP has been successfully validated for a static and dynamic 6 MV photon beam, thus resulting in accurate dose calculations suitable for applications in clinical cases.

Macro Monte Carlo for dose calculation of proton beams

Although the Monte Carlo (MC) method allows accurate dose calculation for proton radiotherapy, its usage is limited due to long computing time. In order to gain efficiency, a new macro MC (MMC) technique for proton dose calculations has been developed. The basic principle of the MMC transport is a local to global MC approach. The local simulations using GEANT4 consist of mono-energetic proton pencil beams impinging perpendicularly on slabs of different thicknesses and different materials (water, air, lung, adipose, muscle, spongiosa, cortical bone). During the local simulation multiple scattering, ionization as well as elastic and inelastic interactions have been taken into account and the physical characteristics such as lateral displacement, direction distributions and energy loss have been scored for primary and secondary particles. The scored data from appropriate slabs is then used for the stepwise transport of the protons in the MMC simulation while calculating the energy loss along the path between entrance and exit position. Additionally, based on local simulations the radiation transport of neutrons and the generated ions are included into the MMC simulations for the dose calculations. In order to validate the MMC transport, calculated dose distributions using the MMC transport and GEANT4 have been compared for different mono-energetic proton pencil beams impinging on different phantoms including homogeneous and inhomogeneous situations as well as on a patient CT scan. The agreement of calculated integral depth dose curves is better than 1% or 1 mm for all pencil beams and phantoms considered. For the dose profiles the agreement is within 1% or 1 mm in all phantoms for all energies and depths. The comparison of the dose distribution calculated using either GEANT4 or MMC in the patient also shows an agreement of within 1% or 1 mm. The efficiency of MMC is up to 200 times higher than for GEANT4. The very good level of agreement in the dose comparisons demonstrate that the newly developed MMC transport results in very accurate and efficient dose calculations for proton beams.

Combining Monte Carlo methods with coherent wave optics for the simulation of phase-sensitive X-ray imaging

Phase-sensitive X-ray imaging shows a high sensitivity towards electron density variations, making it well suited for imaging of soft tissue matter. However, there are still open questions about the details of the image formation process. Here, a framework for numerical simulations of phase-sensitive X-ray imaging is presented, which takes both particle- and wave-like properties of X-rays into consideration. A split approach is presented where we combine a Monte Carlo method (MC) based sample part with a wave optics simulation based propagation part, leading to a framework that takes both particle- and wave-like properties into account. The framework can be adapted to different phase-sensitive imaging methods and has been validated through comparisons with experiments for grating interferometry and propagation-based imaging. The validation of the framework shows that the combination of wave optics and MC has been successfully implemented and yields good agreement between measurements and simulations. This demonstrates that the physical processes relevant for developing a deeper understanding of scattering in the context of phase-sensitive imaging are modelled in a sufficiently accurate manner. The framework can be used for the simulation of phase-sensitive X-ray imaging, for instance for the simulation of grating interferometry or propagation-based imaging.

Monte Carlo modeling of polarized light propagation: Stokes vs Jones - Part I

This bipartite comparative study aims at inspecting the similarities and differences between the Jones and Stokes–Mueller formalisms when modeling polarized light propagation with numerical simulations of the Monte Carlo type. In this first part, we review the theoretical concepts that concern light propagation and detection with both pure and partially/totally unpolarized states. The latter case involving fluctuations, or “depolarizing effects,” is of special interest here: Jones and Stokes–Mueller are equally apt to model such effects and are expected to yield identical results. In a second, ensuing paper, empirical evidence is provided by means of numerical experiments, using both formalisms.

The Utilization of Classical Spin Monte Carlo Methods to Simulate the Magnetic Behavior of Extended Three-Dimensional Cubic Networks Incorporating M(II) Ions with an S = 5/2 Ground State Spin

The numerical simulations of the magnetic properties of extended three-dimensional networks containing M(II) ions with an S = 5/2 ground-state spin have been carried out within the framework of the isotropic Heisenberg model. Analytical expressions fitting the numerical simulations for the primitive cubic, diamond, together with (10−3) cubic networks have all been derived. With these empirical formulas in hands, we can now extract the interaction between the magnetic ions from the experimental data for these networks. In the case of the primitive cubic network, these expressions are directly compared with those from the high-temperature expansions of the partition function. A fit of the experimental data for three complexes, namely [(N(CH3)4][Mn(N3)] 1, [Mn(CN4)]n 2, and [FeII(bipy)3][MnII2(ox)3] 3, has been carried out. The best fits were those obtained using the following parameters, J = −3.5 cm-1, g = 2.01 (1); J = −8.3 cm-1, g = 1.95 (2); and J = −2.0 cm-1, g = 1.95 (3).

Monte-Carlo simulation of Callisto's exosphere

We model Callisto's exosphere based on its ice as well as non-ice surface via the use of a Monte-Carlo exosphere model. For the ice component we implement two putative compositions that have been computed from two possible extreme formation scenarios of the satellite. One composition represents the oxidizing state and is based on the assumption that the building blocks of Callisto were formed in the protosolar nebula and the other represents the reducing state of the gas, based on the assumption that the satellite accreted from solids condensed in the jovian sub-nebula. For the non-ice component we implemented the compositions of typical CI as well as L type chondrites. Both chondrite types have been suggested to represent Callisto's non-ice composition best. As release processes we consider surface sublimation, ion sputtering and photon-stimulated desorption. Particles are followed on their individual trajectories until they either escape Callisto's gravitational attraction, return to the surface, are ionized, or are fragmented. Our density profiles show that whereas the sublimated species dominate close to the surface on the sun-lit side, their density profiles (with the exception of H and H-2) decrease much more rapidly than the sputtered particles. The Neutral gas and Ion Mass (NIM) spectrometer, which is part of the Particle Environment Package (PEP), will investigate Callisto's exosphere during the JUICE mission. Our simulations show that NIM will be able to detect sublimated and sputtered particles from both the ice and non-ice surface. NIM's measured chemical composition will allow us to distinguish between different formation scenarios. (C) 2015 Elsevier Inc. All rights reserved.