Situação Atual do Projeto IF / IEN -Geant4
L.F.A Oliveira-UFRJ
Colaboradores:
J.R.T. de Mello Neto - UFRJ
H. Davidovich - IEN
L.C. Reina - IEN
Tópicos da apresentação
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Uso do 18F para radiodiagnóstico e a sua produção
Caverna de produção do 18F do IEN
Descrição do problema
Nossos Objetivos
Geant 4
Codificação
Geometria do Problema
Recursos computacionais
Reação Nuclear
Resultados preliminares
Evolução Temporal
Comparação com medidas experimentais
Perspectivas
Referências
Uso do 18F para radiodiagnóstico e sua
produção
p + 18O = n +
você + tumor
18F
Glicose
Glicose marcada
“Água + Glicose marcada”
Tumor com Glicose marcada
18F
= 18O + e+ + e
t ~ 2h
Ee = 0.635 MeV
e+
Água
detector
Caverna de produção do
IEN
Caverna de Experiências Físicas
18F
do
Ep= 24 MeV
Ip = 10 A
Caverna do Flúor
Alvo
Composição:
96,00 % de H218O
3,99 % de H216O
0,01 % de H217O
Np = 6.25 x 1013 part/s
Va = 300 l
Q = -2.47 MeV
Caverna do Iodo
Descrição do problema
Caverna de Experiências Físicas
Principais vilões:
Fótons
Neutrons
Caverna do Flúor
Caverna do Iodo
Nossos objetivos
• Aproximar o máximo possível a geometria
simulada com a real.
• Simular a produção de 18F e obter os valores
de dose na vizinhança imediata da caverna.
• Comparar os valores simulados com medidas
experimentais.
• Simular a produção de 18F com as possíveis
soluções e determinar a melhor.
GEANT 4
http://www.cern.ch/geant4
• Ferramenta de simulação de partículas através da
matéria,orientada a objetos, desenvolvida em c++;
• Propicia total domínio sobre a simulação de um
detetor;
• Possui diversos conjuntos de dados experimentais;
• Poderosos geradores de números aleatórios;
• Aplicação em diversas áreas da física;
• Ferramenta de vizualização poderosa.
Codificação
Caverna de Experiências Físicas
aG4Isotope*
= 207.19*g/mole;
G4double
G4double
block05_pLTX
porta_x
O16 = new
= 2.25*cm;
= 67.5*cm;
// Dimensoes finais da porta
G4double
raioint=0*cm;
density
= 11.35*g/cm3;
G4double
G4Isotope(name="O16",iz=8,n=16,a=16.00*g/mole);
G4double
block05_pZ
porta_y
=
47*cm;
=
272.0*cm;
G4double
G4Element*raioext=1.25*cm;
Pb = new G4Element(name="Lead", symbol="Pb",z=82., a);
G4double
G4double
G4Isotope*
block05_pY
porta_z
O17 ==new
97*cm;
= 296.00*cm;
a=1.00797*g/mole;
G4double Sphi=-90.0*deg;
G4double
G4Isotope(name="O17",iz=8,n=17,a=17.00*g/mole);
G4Box*
box3=new
block05_pX
G4Box("box
= 91.0*cm;#3", porta_x, porta_y, porta_z);
density
= 0.08375e-3*g/cm3;
G4double
Stheta=0.0*deg;
G4Trap*
G4Isotope*
cavernFBlock05_trap
new
= new
G4Element*
HO18
= new=G4Element(name="Hidrogenio",
symbol="H",z=1., a);
G4double Ephi=180*deg;
a=15.9994*g/mole;
G4Trap("cavFBlock05_trap",block05_pZ,block05_pY,block05_pX,
G4Isotope(name="O18",iz=8,n=18,a=18.00*g/mole);
G4Tubs*Etheta=180.0*deg;
cilindro=new G4Tubs("o
G4double
density
= 1.3318e-3*g/cm3;
block05_pLTX);
G4Element*
furo",0*cm,11.25*cm,3*cm,0*deg,360*deg);
OE = new G4Element(name="Oxigenio
G4Element* O = new G4Element(name="Oxigenio", symbol="O",z=8., a);
G4LogicalVolume*
Enriquecido",symbol="Oe",
G4ThreeVector
translation2(0*cm,0*cm,60*cm);
cavernFBlock05_log
= new
a=22.9898*g/mole;
G4Sphere*
decoy_box
= newncomponents=3);
G4Sphere ("decoy_box",
G4LogicalVolume(cavernFBlock05_trap,ConCom,"cavFBlock05_l
OE->AddIsotope(O16,abundance=3.99*perCent);
density
= 0.9712*g/cm3;
raioint,raioext,Sphi,Ephi,Stheta,Etheta);
og",0,0,0);
G4RotationMatrix
OE->AddIsotope(O17,abundance=0.01*perCent);
G4RotationMatrix;
G4Element*
Na = new *yRot90deg=new
G4Element(name="Sodio",symbol="Na",
z=11., a);
G4LogicalVolume*
decoy_log
= new G4LogicalVolume
a=24.312*g/mole;
G4double
OE->AddIsotope(O18,abundance=96.0*perCent);
yRot90deg->rotateY(90*deg);
block05Pos_x = 182*cm;
(decoy_box,AE,"decoy_log",0,0,0);
density
= 1.738*g/cm3;
G4double
G4VSolid*
block05Pos_y
portacomfuro
= 144.44*cm;
= new
G4Element* Mg = new G4Element(name="Magnesio",symbol="Mg", z=12., a);
G4double
G4SubtractionSolid("caixa2",box3,cilindro,yRot90deg,translation2);
//
Definicao
block05Pos_z
da Agua Enriquecida
= 0.0*cm; (AE)
ablock09Pos_x
= 26.98*g/mole;= -50.5*cm;
G4double
density=1.*g/mole;
phi,theta;
density
= 2.7*g/cm3;
block09Pos_y
= -19.44*cm;
G4LogicalVolume*
G4Material*
phi
=
-90.0*deg;
= G4Element(name="Aluminum",symbol="Al",
new
door_w_hole_log
G4Material(name="Agua
= new G4LogicalVolume
G4Element*
Al AE
= new
z=13., a);
block09Pos_z = 0*cm;
a=28.086*g/mole;
Enriquecida",density,ncomponents=2);
theta=0.0*deg;
(portacomfuro,eFe,"uuuu",0,0,0);
density
= 2.33*g/cm3; MR;
AE->AddElement(OE,
G4RotationMatrix
natoms=1);= new G4PVPlacement
G4VPhysicalVolume*
decoy_phys
G4Element* Si = new G4Element(name="Silicio",
symbol="Si",z=14., a);
AE->AddElement(H,
block01Pos_x
MR.rotateZ(phi);
=
393.75*cm;
natoms=2);
a=32.064*g/mole;
(0,G4ThreeVector(block09Pos_x,block09Pos_y,block09Pos_z),
block01Pos_y
// Pensar
depois
= -58.44*cm;
density
= 2.07*g/cm3;
decoy_log,"ALVO",experimentalHall_log,false,
0);
block01Pos_z
MR.rotateX(theta);
=
-39*cm;
G4Element*
S = new
G4Element(name="Enxofre", symbol="S",z=16., a);
G4VisAttributes* Decoy_atributos
a=40.08*g/mole;
G4VPhysicalVolume*
cavernFBlock05_phys = new
= new= 1.55*g/cm3;
G4VisAttributes(G4Colour(1.0,0.5,0.5));
density
G4PVPlacement(G4Transform3D(MR,G4ThreeVector(block05Pos
G4VPhysicalVolume*
door_whole_phys = new G4PVPlacement
Decoy_atributos->SetForceSolid(true);
G4Element*
Ca = new G4Element(name="Calcio",symbol="Ca", z=20., a);
_x,block05Pos_y,block05Pos_z)),
(0,G4ThreeVector(block01Pos_x,block01Pos_y,block01Pos_z),
a=55.847*g/mole;
decoy_log->SetVisAttributes(Decoy_atributos);
"FBlock05",cavernFBlock05_log,
densitydoor_w_hole_log,"porta",experimentalHall_log,true,0);
= 7.874*g/cm3;
experimentalHall_phys,false,0);
G4Element* Fe = new
G4Element(name="Ferro",symbol="Fe", z=26., a);
6400 linhas de comando + libraries
Caverna do Flúor
Caverna do Iodo
density = 2.10*g/cm3;
G4Material* ConCom = new G4Material(name="Concreto Comum", density,
ncomponents=9);
ConCom->AddElement(H, fractionmass=0.56*perCent);
ConCom->AddElement(O, fractionmass=49.79*perCent);
ConCom->AddElement(Na, fractionmass=1.7*perCent);
ConCom->AddElement(Mg, fractionmass=0.23*perCent);
ConCom->AddElement(Al, fractionmass=4.56*perCent);
ConCom->AddElement(Si, fractionmass=31.56*perCent);
ConCom->AddElement(S, fractionmass=0.13*perCent);
ConCom->AddElement(Ca, fractionmass=10.23*perCent);
ConCom->AddElement(Fe, fractionmass=1.24*perCent);
G4VisAttributes* door_whole_atributos = new
G4VisAttributes(G4Colour(0.5,1.0,0.0));
door_whole_atributos->SetForceSolid(true);
door_w_hole_log->SetVisAttributes(door_whole_atributos);
Geometria do problema
Visão da caverna a partir da porta
Visão da porta
Demonstração
Capacidade de vizualização do GEANT 4
tativo=0.01ns
tativo=0.01ns
Recursos Computacionais
Computador paralelo Olympus
m06
m07
2
2
Pentium-Pro
Pentium-Pro
200MHz 256Mb 2.7Gb
200MHz 256Mb 2.7Gb
m08
m09
m10
2
2
2
Pentium II
Pentium II
Pentium II
453MHz 128Mb 8.0Gb
453MHz 128Mb 8.0Gb
333MHz 256Mb 36Gb
m06
m01
m08
m11
m09
L
m07
m10
m12
Simulação 1
• Realizamos hipóteses sobre a reação nuclear
• Simulação da colisão de 6.4x108 partículas
• Resultados preliminares apresentados no XXII
ENFPC - Nov. 2002
Reação nuclear
Hipóteses:
Sempre há colisão
Simular somente a reação p-n
A emissão de neutrons se dá de
forma isotrópica
Regiões de detecção na simulação 1
Caverna de Experiências Físicas
y
Caverna do Flúor
Caverna do Iodo
x
Resultados preliminares (a)
Fótons
Resultados preliminares (b)
Fótons
Resultados preliminares (c)
Neutrons
Resultados preliminares (d)
Neutrons
Simulação 2
• Manutenção da hipótese sobre a reação nuclear
• Simulação da colisão de 6.4x109 partículas
• Adição de detetores de fótons e neutrons
• Comparação das medidas simuladas com as experimentais
• Resultados apresentados no XXIII Jornada de Iniciação
Científica - UFRJ
Mudança na Geometria
Visão da porta com detectores
Detectores na simulação:
Eficiência: 100%
Precisão: 100 %
Leitura: Energia da partícula
Evolução Temporal
1,0
0,01
nsns
00,5
nsns
Comparação das medidas
Ponto
1N
2N
Dose Simulada
57±29 mSv/h
725 ± 360 mSv/h
Dose Experimental
19±1,9 mSv/h
2,5±0,25 mSv/h
Resultados Excelentes
3N
630 ± 310 mSv/h
150±15 Sv/h
1G
0 ± 1 mSv/h
1,72±0,19 mSv/h
2G
30 ± 30  Sv/h
225 ±11,3  Sv/h
3G
260 ± 180  Sv/h
56±2,8  Sv/h
Simulação = 1,024 ms
Fator de Correção: 3.52x106
Perspectivas
• Averiguar quão bem o GEANT4 simula
as reações nucleares;
• Seguir com os objetivos mencionados
anteriormente.
Referências
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GEANT4 - User’s manual for applications developers
GEANT4 - Software reference guide
GEANT4 - Physics reference manual
Halliday & Resnick, Fundamentos de Física vol4.
American Nuclear Society neutron and gamma-ray fluence-to-dose factors
Analytical method for calculating neutron bulk shielding in a medium -energy
accelerator facility Takashi Kato
Monte Carlo Simulation of Electron Beams for Radiotherapy - EGS4,
MCNP4b and GEANT3 Intercomparison
Skyshine - A paper tiger?, A. Rind
Introduction to Nuclear Physics - H. Enge
Techniques for Nuclear and Particle Physics Experiments, A How-to
Approach - W.R. Leo
Numerical Recipes in C