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Etude de la fragmentation du carbone


Bien que l’hadronthérapie présente un avantage balistique évident par rapport à la balistique de la radiothérapie classique, le processus de fragmentation peut amoindrir cet avantage. Il se produit lorsqu’un projectile entre en collision avec un noyau présent dans les tissus. Les fragments secondaires produits par cette interaction sont beaucoup plus légers et ont une vitesse proche de la vitesse du projectile. En conséquence, les particules secondaires ont un plus grand parcours et déposent de la dose au-delà du pic de Bragg du projectile initial.



Figure 1. Vue schématique du dispositif expérimental de l’expérience réalisée en mai 2011 au GANIL


L’effet du processus de fragmentation nucléaire est double. Le nombre de projectiles qui n’ont pas subi de collision noyau-noyau diminue fortement en fonction du parcours de l’ion. Seule une moitié des projectiles initiaux de carbone à 290 MeV/u atteint le pic de Bragg. En conséquence, le dépôt de dose au pic de Bragg est fortement influencée par la section efficace totale de réaction nucléaire. L’autre effet du processus de fragmentation est l’apparition d’une queue au-delà du pic de Bragg. Cette « queue de fragmentation" est principalement due aux protons et aux particules alpha qui ont un parcours plus élevé que le carbone. De plus, les fragments secondaires peuvent avoir différents effets biologiques (la mort cellulaire, les taux de mutation et les changements métaboliques) selon leur nature.
Afin de calculer avec précision le dépôt de la dose et les effets biologiques qui en découlent, il est nécessaire d’avoir une connaissance précise du processus de fragmentation du projectile dans les tissus humains. La situation idéale serait d’avoir un modèle fiable qui pourrait prédire les taux de production des particules secondaires, leurs distributions angulaires et leurs distributions en énergies. Les incertitudes sur les calculs de dose sont dominées par les incertitudes sur les valeurs des sections efficaces de fragmentation et par les incertitudes sur les modèles de réactions nucléaires.
Deux expériences ont été réalisées en mai 2008 et en mai 2011 avec la chambre à réaction ECLAN sur la ligne de faisceau G22 du GANIL. Ces expériences ont été réalisées dans le cadre du GDR MI2B et en collaboration avec l’IPHC de Strasbourg, l’IPN Lyon et le SPhN Saclay. L’énergie des projectiles de carbone était de 95 MeV/u pour les deux expériences. Une vue schématique du dispositif expérimental de l’expérience de mai 2011 est représentée sur la figure 1. Il comprenait cinq télescopes à trois étages DE/DE/E pour la détection de particules chargées. Les télescopes ont été fixés sur les bras rotatifs de la chambre ECLAN. Cela a permis de couvrir des angles de 4° à 70°. Pour l’expérience de mai 2008, six cibles de PMMA (C5H8O2 ; d = 1,19 g / cm3) d’épaisseurs différentes (5, 10, 15, 20, 25 et 40 mm) ont été utilisées. Pour l’expérience de mai 2011, le dispositif expérimental était très similaire et des cibles minces de C, CH2, Al, Al2O3 et de Ti ont été utilisées. Les sections efficaces de réaction nucléaires et les taux de production des fragments pour les noyaux de H, C, O et Ca (près de Ti) ont été extraites de cette expérience. Ces noyaux sont les noyaux les plus abondantes dans les tissus humains (plus de 90%). Cette expérience a utilisé le système d’acquisition FASTER. Les mesures sur une cible mince de PMMA ont également été effectués pour permettre des comparaisons croisées. En septembre 2013 au GANIL, une expérience complémentaire a été réalisée dans le cadre de la collaboration FRANCE-HADRON pour mesurer les sections efficaces de réaction et les taux de production des fragments secondaires à 0 ° pour les ions de carbone à 95 MeV/u percutant des cibles minces de C, CH2, Al et Ti . L’identification des particules a été fait en utilisant la technique DE/E. Une autre expérience avec le même dispositif a été faite en mars 2015, avec des projectiles de carbone à 50 MeV/u au GANIL dans le cadre de la collaboration FRANCE-HADRON. Cette dernière expérience a été analysée par C.Divay au cours de sa thèse de doctorat.
En juin 2016, une expérience de mesures de sections efficaces d’émetteurs β+ a été réalisée à GANIL dans le cadre de la collaboration FRANCE-HADRON. Ces données contribueront à mettre en œuvre un système de contrôle balistique et dosimétrique des irradiations avec des ions carbone.



Figure 2. Distributions angulaires de différents fragments produits lors d’une collision d’un projectile de carbone à 95 MeV/u avec un noyau de carbone.


Les résultats de l’expérience de mai 2008 ont montré qu’aucun des modèles de collisions noyau-noyau implantés dans GEANT4 (Binary Intranuclear Cascade, Quantum Molecular Dynamics) ne sont en mesure de reproduire les données expérimentales. Les expériences sur cibles minces sont les mieux adaptées pour contraindre les modèles puisque le processus de fragmentation se produit dans une très petite gamme d’énergie. Ceci a fait l’objet de la thèse de J. Dudouet qui a été soutenue en septembre 2014. Les distributions angulaires de certains fragments sont présentées sur la figure 2. Les sections efficaces doublement différentielles ont été obtenues avec une bonne précision ( 5% à 10%) pour tous les isotopes plus légers que le noyau de carbone. Il a également été démontré que les sections efficaces de cibles composites peuvent être obtenues avec une précision meilleure que 5% en combinant les sections efficaces obtenues pour les noyaux isolés. Les modèles de collision noyau-noyau de GEANT4 ont été comparés aux données expérimentales. Comme pour les expériences avec des cibles épaisses, aucun de ces modèles ne sont capables de reproduire toutes les données expérimentales. Ces données sont en accès libre sur un site Web (http://hadrontherapy-data.in2p3.fr/).
Le groupe participe également à la collaboration européenne FIRST qui a mesuré les produits de réactions issus de collisions C-C à 400 MeV/u. L’expérience a été réalisée en 2011 au GSI Darmstadt en Allemagne. L’identification en charge des fragments par la technique DE/temps de vol a été effectuée dans notre groupe
La conception d’un dispositif expérimental appelé FRACAS (FRAgmentation du CArbone et Sections efficaces) pour le centre ARCHADE est en cours. Il sera composé d’un mur de temps de vol pour l’identification des charges des particules. La mesure de la masse se fera au moyen d’un aimant et de trajectomètres situés avant et après l’aimant. Cette configuration devra être adaptée pour toute la gamme en énergie d’intérêt médical, c’est à dire de 80 MeV/u à 400 MeV/u. Le choix des matériaux les mieux adaptés et des techniques de détection est réalisé en collaboration avec l’IPHC de Strasbourg.


Le groupe est impliqué dans la collaboration FRANCE-HADRON. Nous sommes responsable du Working Package 2 « Amélioration de la planification du traitement en hadron-thérapie », et nous sommes membres des comités de pilotage. La gestion du temps de faisceau du GANIL pour les expériences réalisées en septembre 2013, en avril 2014 et mars-avril 2015 a été faite par le groupe. Le groupe est également fortement impliqué dans le projet ARCHADE. Ce projet a officiellement démarré le 3 décembre 2014 par la signature des contrats entre les différents acteurs. Nous animons les Groupes de Travail 2 (Données physiques de base et simulations numériques) et 4 (Développements pour l’amélioration du traitement) et nous sommes membre du comité d’animation scientifique du projet ARCHADE.