Local Earthquake Tomography by trans-dimensional Monte Carlo Sampling

In this study a new, fully non-linear, approach to Local Earthquake Tomography is presented. Local Earthquakes Tomography (LET) is a non-linear inversion problem that allows the joint determination of earthquakes parameters and velocity structure from arrival times of waves generated by local sources. Since the early developments of seismic tomography several inversion methods have been developed to solve this problem in a linearized way. In the framework of Monte Carlo sampling, we developed a new code based on the Reversible Jump Markov Chain Monte Carlo sampling method (Rj-McMc). It is a trans-dimensional approach in which the number of unknowns, and thus the model parameterization, is treated as one of the unknowns. I show that our new code allows overcoming major limitations of linearized tomography, opening a new perspective in seismic imaging. Synthetic tests demonstrate that our algorithm is able to produce a robust and reliable tomography without the need to make subjective a-priori assumptions about starting models and parameterization. Moreover it provides a more accurate estimate of uncertainties about the model parameters. Therefore, it is very suitable for investigating the velocity structure in regions that lack of accurate a-priori information. Synthetic tests also reveal that the lack of any regularization constraints allows extracting more information from the observed data and that the velocity structure can be detected also in regions where the density of rays is low and standard linearized codes fails. I also present high-resolution Vp and Vp/Vs models in two widespread investigated regions: the Parkfield segment of the San Andreas Fault (California, USA) and the area around the Alto Tiberina fault (Umbria-Marche, Italy). In both the cases, the models obtained with our code show a substantial improvement in the data fit, if compared with the models obtained from the same data set with the linearized inversion codes.

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.

Supernova neutrinos in AMANDA and IceCube - Monte Carlo development and data analysis

Supernovae are among the most energetic events occurring in the universe and are so far the only verified extrasolar source of neutrinos. As the explosion mechanism is still not well understood, recording a burst of neutrinos from such a stellar explosion would be an important benchmark for particle physics as well as for the core collapse models. The neutrino telescope IceCube is located at the Geographic South Pole and monitors the antarctic glacier for Cherenkov photons. Even though it was conceived for the detection of high energy neutrinos, it is capable of identifying a burst of low energy neutrinos ejected from a supernova in the Milky Way by exploiting the low photomultiplier noise in the antarctic ice and extracting a collective rate increase. A signal Monte Carlo specifically developed for water Cherenkov telescopes is presented. With its help, we will investigate how well IceCube can distinguish between core collapse models and oscillation scenarios. In the second part, nine years of data taken with the IceCube precursor AMANDA will be analyzed. Intensive data cleaning methods will be presented along with a background simulation. From the result, an upper limit on the expected occurrence of supernovae within the Milky Way will be determined.

Analysis of cone-beam ct dose in image-guided radiation therapy for brain and prostate cancer patients via gpu-based Monte Carlo simulations

La radioterapia guidata da immagini (IGRT), grazie alle ripetute verifiche della posizione del paziente e della localizzazione del volume bersaglio, si è recentemente affermata come nuovo paradigma nella radioterapia, avendo migliorato radicalmente l’accuratezza nella somministrazione di dose a scopo terapeutico. Una promettente tecnica nel campo dell’IGRT è rappresentata dalla tomografia computerizzata a fascio conico (CBCT). La CBCT a kilovoltaggio, consente di fornire un’accurata mappatura tridimensionale dell’anatomia del paziente, in fase di pianificazione del trattamento e a ogni frazione del medisimo. Tuttavia, la dose da imaging attribuibile alle ripetute scansioni è diventata, negli ultimi anni, oggetto di una crescente preoccupazione nel contesto clinico. Lo scopo di questo lavoro è di valutare quantitativamente la dose addizionale somministrata da CBCT a kilovoltaggio, con riferimento a tre tipici protocolli di scansione per Varian OnBoard Imaging Systems (OBI, Palo Alto, California). A questo scopo sono state condotte simulazioni con codici Monte Carlo per il calcolo della dose, utilizzando il pacchetto gCTD, sviluppato sull’architettura della scheda grafica. L’utilizzo della GPU per sistemi server di calcolo ha permesso di raggiungere alte efficienze computazionali, accelerando le simulazioni Monte Carlo fino a raggiungere tempi di calcolo di ~1 min per un caso tipico. Inizialmente sono state condotte misure sperimentali di dose su un fantoccio d’acqua. I parametri necessari per la modellazione della sorgente di raggi X nel codice gCTD sono stati ottenuti attraverso un processo di validazione del codice al fine di accordare i valori di dose simulati in acqua con le misure nel fantoccio. Lo studio si concentra su cinquanta pazienti sottoposti a cicli di radioterapia a intensità modulata (IMRT). Venticinque pazienti con tumore al cervello sono utilizzati per studiare la dose nel protocollo standard-dose head e venticinque pazienti con tumore alla prostata sono selezionati per studiare la dose nei protocolli pelvis e pelvis spotlight. La dose media a ogni organo è calcolata. La dose media al 2% dei voxels con i valori più alti di dose è inoltre computata per ogni organo, al fine di caratterizzare l’omogeneità spaziale della distribuzione.

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.

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.

Monte Carlo simulations of nucleation of colloidal crystals

A crystal nucleus in a finite volume may exhibit phase coexistence with a surrounding fluid. The thermodynamic properties of the coexisting fluid (pressure and chemical potential) are enhanced relative to their coexistence values. This enhancement is uniquely related to the surface excess free energy. rnA model for weakly attractive soft colloidal particles is investigated, the so called Asakura-Oosawa model. In simulations, this model allows for the calculation of the pressure in the liquid using the virial formula directly. The phase coexistence pressure in the thermodynamic limit is obtained from the interface velocity method. We introduce a method by which the chemical potential in dense liquids can be measured. There is neither a need to locate the interface nor to compute the anisotropic interfacial tension to obtain nucleation barriers. Therefore, our analysis is appropriate for nuclei of arbitrary shape. Monte Carlo simulations over a wide range of nucleus volumes yield to nucleation barriers independent from the total system volume. The interfacial tension is determined via the ensemble-switch method, hence a detailed test of classical nucleation theory is possible. The anisotropy of the interfacial tension and the resulting non-spherical shape has only a minor effect on the barrier for the Asakura-Oosawa model.

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.

Monte Carlo dose calculation improvements for low energy electron beams using eMC

The electron Monte Carlo (eMC) dose calculation algorithm in Eclipse (Varian Medical Systems) is based on the macro MC method and is able to predict dose distributions for high energy electron beams with high accuracy. However, there are limitations for low energy electron beams. This work aims to improve the accuracy of the dose calculation using eMC for 4 and 6 MeV electron beams of Varian linear accelerators. Improvements implemented into the eMC include (1) improved determination of the initial electron energy spectrum by increased resolution of mono-energetic depth dose curves used during beam configuration; (2) inclusion of all the scrapers of the applicator in the beam model; (3) reduction of the maximum size of the sphere to be selected within the macro MC transport when the energy of the incident electron is below certain thresholds. The impact of these changes in eMC is investigated by comparing calculated dose distributions for 4 and 6 MeV electron beams at source to surface distance (SSD) of 100 and 110 cm with applicators ranging from 6 x 6 to 25 x 25 cm(2) of a Varian Clinac 2300C/D with the corresponding measurements. Dose differences between calculated and measured absolute depth dose curves are reduced from 6% to less than 1.5% for both energies and all applicators considered at SSD of 100 cm. Using the original eMC implementation, absolute dose profiles at depths of 1 cm, d(max) and R50 in water lead to dose differences of up to 8% for applicators larger than 15 x 15 cm(2) at SSD 100 cm. Those differences are now reduced to less than 2% for all dose profiles investigated when the improved version of eMC is used. At SSD of 110 cm the dose difference for the original eMC version is even more pronounced and can be larger than 10%. Those differences are reduced to within 2% or 2 mm with the improved version of eMC. In this work several enhancements were made in the eMC algorithm leading to significant improvements in the accuracy of the dose calculation for 4 and 6 MeV electron beams of Varian linear accelerators.

Comparison of monte carlo collimator transport methods for photon treatment planning in radiotherapy

The aim of this work was a Monte Carlo (MC) based investigation of the impact of different radiation transport methods in collimators of a linear accelerator on photon beam characteristics, dose distributions, and efficiency. Thereby it is investigated if it is possible to use different simplifications in the radiation transport for some clinical situations in order to save calculation time.

Monte Carlo Dose Calculation on Deforming Anatomy

This article presents the implementation and validation of a dose calculation approach for deforming anatomical objects. Deformation is represented by deformation vector fields leading to deformed voxel grids representing the different deformation scenarios. Particle transport in the resulting deformed voxels is handled through the approximation of voxel surfaces by triangles in the geometry implementation of the Swiss Monte Carlo Plan framework. The focus lies on the validation methodology which uses computational phantoms representing the same physical object through regular and irregular voxel grids. These phantoms are chosen such that the new implementation for a deformed voxel grid can be compared directly with an established dose calculation algorithm for regular grids. Furthermore, separate validation of the aspects voxel geometry and the density changes resulting from deformation is achieved through suitable design of the validation phantom. We show that equivalent results are obtained with the proposed method and that no statistically significant errors are introduced through the implementation for irregular voxel geometries. This enables the use of the presented and validated implementation for further investigations of dose calculation on deforming anatomy.