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.

Exact quantum Monte Carlo methods for correlated electron systems

Thema dieser Arbeit ist die Entwicklung und Kombination verschiedener numerischer Methoden, sowie deren Anwendung auf Probleme stark korrelierter Elektronensysteme. Solche Materialien zeigen viele interessante physikalische Eigenschaften, wie z.B. Supraleitung und magnetische Ordnung und spielen eine bedeutende Rolle in technischen Anwendungen. Es werden zwei verschiedene Modelle behandelt: das Hubbard-Modell und das Kondo-Gitter-Modell (KLM). In den letzten Jahrzehnten konnten bereits viele Erkenntnisse durch die numerische Lösung dieser Modelle gewonnen werden. Dennoch bleibt der physikalische Ursprung vieler Effekte verborgen. Grund dafür ist die Beschränkung aktueller Methoden auf bestimmte Parameterbereiche. Eine der stärksten Einschränkungen ist das Fehlen effizienter Algorithmen für tiefe Temperaturen.rnrnBasierend auf dem Blankenbecler-Scalapino-Sugar Quanten-Monte-Carlo (BSS-QMC) Algorithmus präsentieren wir eine numerisch exakte Methode, die das Hubbard-Modell und das KLM effizient bei sehr tiefen Temperaturen löst. Diese Methode wird auf den Mott-Übergang im zweidimensionalen Hubbard-Modell angewendet. Im Gegensatz zu früheren Studien können wir einen Mott-Übergang bei endlichen Temperaturen und endlichen Wechselwirkungen klar ausschließen.rnrnAuf der Basis dieses exakten BSS-QMC Algorithmus, haben wir einen Störstellenlöser für die dynamische Molekularfeld Theorie (DMFT) sowie ihre Cluster Erweiterungen (CDMFT) entwickelt. Die DMFT ist die vorherrschende Theorie stark korrelierter Systeme, bei denen übliche Bandstrukturrechnungen versagen. Eine Hauptlimitation ist dabei die Verfügbarkeit effizienter Störstellenlöser für das intrinsische Quantenproblem. Der in dieser Arbeit entwickelte Algorithmus hat das gleiche überlegene Skalierungsverhalten mit der inversen Temperatur wie BSS-QMC. Wir untersuchen den Mott-Übergang im Rahmen der DMFT und analysieren den Einfluss von systematischen Fehlern auf diesen Übergang.rnrnEin weiteres prominentes Thema ist die Vernachlässigung von nicht-lokalen Wechselwirkungen in der DMFT. Hierzu kombinieren wir direkte BSS-QMC Gitterrechnungen mit CDMFT für das halb gefüllte zweidimensionale anisotrope Hubbard Modell, das dotierte Hubbard Modell und das KLM. Die Ergebnisse für die verschiedenen Modelle unterscheiden sich stark: während nicht-lokale Korrelationen eine wichtige Rolle im zweidimensionalen (anisotropen) Modell spielen, ist in der paramagnetischen Phase die Impulsabhängigkeit der Selbstenergie für stark dotierte Systeme und für das KLM deutlich schwächer. Eine bemerkenswerte Erkenntnis ist, dass die Selbstenergie sich durch die nicht-wechselwirkende Dispersion parametrisieren lässt. Die spezielle Struktur der Selbstenergie im Impulsraum kann sehr nützlich für die Klassifizierung von elektronischen Korrelationseffekten sein und öffnet den Weg für die Entwicklung neuer Schemata über die Grenzen der DMFT hinaus.

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.

„Let ´em have it – right on the chin.“ – Die Haltung der britischen Öffentlichkeit zum RAF-Flächenbombardement 1939-1945

In „’Let ‘em have it – right on the chin.’ – Die Haltung der britischen Öffentlich-keit zum RAF-Flächenbombardement 1939-1945“ wird durch die Untersuchung der vier Tageszeitungen Times, Manchester Guardian, Daily Express und Daily Mirror sowie der wöchentlichen Berichte des britischen Informationsministeriums nachgewiesen, dass 1942 ein Konsens in der britischen Öffentlichkeit für Flächenbombardements eintrat. Diese Einigkeit entstand aufgrund der Kriegssituation, sozialpsychologischer Mechanismen und realpolitischer Erwägungen und verfestigte sich 1943 und zum Teil auch 1944 deutlich. Die öffentliche Meinung kehrte sich in den drei Jahren zwischen 1940 und 1943 vollständig um und wandelte sich 1944 erneut: Während 1940 die Mehrheit gegen die Bombardierung der deutschen Zivilbevölkerung eingestellt war, fand in den folgenden drei Jahren eine Entwicklung statt, die 1943 in den Konsens, 1944 aber in die Tabuisierung des Themas mündete. Dabei verstärkten insbesondere zwei Argumente den Prozess der Konsensbildung: Nachdem bis Anfang 1941 die Bedeutung der Begrifflichkeiten so weit vereinheitlicht worden war, dass beispielsweise die Mehrheit der Briten etwas mit dem Ausdruck „Flächenbombardement“ anfangen konnte, setzte sich im Laufe des Jahres 1940 – in Presse und Bevölkerung parallel – ein Feindbild durch, das das gesamte deutsche Volk in Haftung nahm und es insofern auch für die deutschen Luftangriffe auf Großbritannien verantwortlich machte. Erst daraus erwuchs die Rechtfertigung für die Forderung nach Vergeltung, die durch diese Begründung von bloßen Rachegelüsten losgelöst werden konnte. Seit dem deutschen Angriff auf die Sowjetunion im Juni 1941 galten Flächenbombardements – hier folgten Bevölkerung und Presse der britischen Regierung – außerdem als Vorbereitung für die Westoffensive. Eine Mehrheit sprach sich schon 1941 für Flächenbombardements aus, mit den großen Angriffen 1942 und vor allem 1943 war der Konsens dann so vollständig erreicht, dass kritische Stimmen fast gänzlich verstummten. Als mit der alliierten Landung in der Normandie 1944 ein wichtiges Argument für die Notwendigkeit von Flächenbombardements wegfiel, setzte eine Tabuisierung des Themas ein, die sich 1945 verfestigte. Insgesamt beleuchtet die Arbeit, durch welche Faktoren in einer Kontroverse eine gesellschaftliche Einigkeit im Großbritannien der frühen vierziger Jahre erzeugt wurde. Dieser Zusammenhalt war notwendig, um die Handlungsfähigkeit der Gesellschaft zu gewährleisten, so dass sich der Konsens in der Kriegssituation als wichtige Überlebensstrategie erwies. Erreicht wurde er aber auf Kosten des für eine demokratische Gesellschaft auch charakteristischen Pluralismus von Meinungen und Einstellungen.

Das deutsche Kriegsgefangenenwesen 1939 - 1945

Zusammenfassung: Die vorliegende Untersuchung zum deutschen Kriegsgefangenenwesen (KGW) im Zweiten Weltkrieg schließt eine wichtige Lücke innerhalb der geschichtswissenschaftlichen Forschungen zum Themenkreis der Kriegsgefangenschaft in deutschem Gewahrsam. Bisherige Studien (bis einschließlich 1997) behandeln vor allem sozial- und kulturgeschichtliche Aspekte der Kriegsgefangenen (Kgf.), der Lagergesellschaft und dem Alltag von Soldaten in Kriegsgefangenschaft. Der Verfasser indes legt mit seiner Magisterarbeit erstmals eine Organisations- und Strukturgeschichte des deutschen Kriegsgefangenenwesens von 1939 bis 1945 vor, welche fundamentale Grundlagen der deutschen militärischen Lagerorganisation und Verwaltung dokumentiert. So wird die Entwicklung von den Vorkriegsplanungen bis zum Kriegsende anhand der zentralen Dienststellen herausgearbeitet und im Kontext des Genfer Kriegsgefangenenabkommens von 1929 und völkerrechtlicher Implikationen gewichtet. Hiermit untrennbar verbundene Einflußnahmen nichtmilitärischer Stellen in die Entscheidungsgewalt der Streitkräfte im Heimatkriegsgebiet und in den Wehrmachtbefehlshaberbereichen werden nicht zuletzt auch anhand mehrerer Organigramme veranschaulicht. Zudem dokumentiert und analysiert die Untersuchung die im Kriegsverlauf stetig verschärften Maßnahmen zur Fluchtprävention und der konzertierten Fahndung nach geflohenen Kriegsgefangenen: Die Machterosion des Oberkommandos der Wehrmacht (OKW) zugunsten des Reichsführers-SS, des Reichssicherheitshauptamts und nicht zuletzt der Parteikanzlei der NSDAP wird so augenfällig. Trotz eminenter Schriftgutverluste kann der Verfasser vor allem anhand einer nahezu vollständig erhaltenen Schlüsselquelle die Stellenbesetzung und Organisationsstruktur der mit Kriegsgefangenenfragen befassten Stellen im OKW rekonstruieren. Die Auswertung dieser Sammelmitteilungen / Befehlssammlung für das Kriegsgefangenenwesen sowie an anderer Stelle überlieferter Organisationsbefehle ermöglicht wichtige Änderungen am derzeitigen Forschungsstand. Darüber hinaus beschäftigt sich die vorliegende Untersuchung mit dem Arbeitseinsatz Kriegsgefangener in der deutschen Wirtschaft als in der zweiten Kriegshälfte zentralem Element der Kriegsgefangenschaft. Außerdem wird beleuchtet, welche politischen, (rassen)ideologischen oder reziprok konnotierten Faktoren den Stellenwert gefangener Soldaten unterschiedlicher Nationalität innerhalb der Gefangenenhierarchie im deutschen Kriegsgefangenenwesen bestimmten. Inhalt: 1. Einführung; 2. Die Entwicklung des Kriegsvölkerrechts und das Genfer Kriegsgefangenenabkommen von 1929; 3. Einleitende Bemerkungen zum deutschen Kriegsgefangenenwesen: Quellenlage, Grundlagen; 4. Organisationsstruktur und Aufgaben des KGW: Zuständigkeiten für Kgf. in OKW und OKH, Abt. Wehrmachtverluste und Kriegsgefangene, der General z.b.V. für das KGW 1939 bis Ende 1941, Allgemeine und Organisationsabteilung seit Januar 1942, Generalinspekteur und Inspekteur des KGW von Juli 1943 bis Oktober 1944, das Kriegsgefangenenwesen unter Himmler seit Oktober 1944; 5. Die Kriegsgefangenenlager: Lagertypen, Anzahl und Verwendung, die Gesamtzahl Kgf. und Belegstärken ausgewählter Lager; 6. Richtlinien für KGL: Die Sammelmitteilungen / Befehlssammlung für das KGW, Lagerorganisation und Behandlung Kriegsgefangener; 7. Die Post der Kriegsgefangenen: Tätigkeit von Auslandsbriefprüfstelle, Abwehr III Referat Kgf. und Abwehrstellen der Wehrkreise, Vorgaben für Postüberwachung und Stimmungsberichte der Asten, Befehle zur Kgf-Post und Kooperation mit Hilfsorganisationen und Schutzmächten; 8. Fluchtprävention: Bestimmungen und Maßnahmen zur Fluchtvereitelung, der Fluchterlass vom 22.09.1942, der Sonderfahndungsplan der Sicherheitspolizei und des SD vom 28.09.1942, Erlass zur Kriegsfahndung vom 5.12.1942, der Fluchterlaß vom 02.07.1943, der Erlaß zur Mitarbeit NSDAP bei Groß- und Kriegsfahndungen vom 10.07.1943, Schulung zur Fluchtprävention auf Wehrkreisebene 1944, Preisausschreiben "Wie verhindere ich Fluchten?" vom 09.04.1945, Anwerbung von V-Leuten durch die Abwehr; 9. Arbeitseinsatz Kriegsgefangener in der deutschen Wirtschaft und beteiligte Stellen; 10. Der Status Kriegsgefangener unterschiedlicher Nationalitäten im Vergleich; 11. Schluss

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.