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ÉVALUATIONDESFACTEURSDE CORRECTION..APPORTERÀ LeiMESURE DELA RÉFÉRENCELNHB ENTERMESDE k1 AIR POURL'IODE125 J. Gouriou, I. Aubineau-Lanièce, D.Cutarellaet J.Plagnard.
CEA, LIST,
LaboratoireNational HenriBecquerel(LNE-LNHB),
91191 GifsurYvette, France
jean.gourioti:u._cea.frRÉSUMÉ
Le LNl-IB développe actuellement une nouvelle référence primaire pour la curiethérapie bas débit de
dose A l'iode 125 en ternies de kerma de référence dans l'air. Le détecteur à la base de cette référence
est daine conception innovante puisqu 'il s'agit dune chailibre d'ionisation a paroi d'air de formetoroïdale. Ce papier a pour but de présenter les calculs Monte Carlo réalises pour la détermiiation de
facteurs correctifs a appliquer pour se ramener aux conditions de référence ou pour corriger de défauts
éventuels de mesure
. Ces calculs ont été effectues pour la géométrie particulière des sources BEBI Gutilisées pour les traitements de curiethérapie ophtalmique et prostatique.LN/LOTS CLÉS: Référence primaire, curiethérapie, dosimétrie, kerma, iode 125, N'1CNP et
PENELOPE.
1. INTRODUCTION
Depuis 2006, le LNHB a entrepris de mettre au point une référence primaire pour la curiethérapie bas
débit de dose traitant des cancers prostatiques et ophtalmiques. Le détecteur à la base de cette
référence est d'une conception innovante puisqu'il s'agit d'une chambre d'ionisation à paroi d'air de
forme toroïdale.Le but de cette référence est de déterminer avec exactitude le kerma de référence dans l'air pour les
grains de curiethérapie à l'iode 125. Dans le cadre de l'établissement de cette référence, les résultats
de mesures doivent être, d'une part, ramenés aux conditions de référence (volume ponctuel d'air irradi
par une source, l'ensemble étant entouré de vide), et d'autre part, corrigés des défauts éventuels de
mesure liés à la chambre d'ionisation Ces calculs ont requisla modélisation du dispositif demesure dans son ensemble (chambre d'ionisation et système de positionnement de la source)et lasimulation de l'interaction desrayonnements avec ce dispositif. Deux catégories de facteurs ont été calculées selon la grandeur
dosimétrique utiliséepour leurs déterminations: kermaou dépôtsen énergie. Dans le but de valider
lescalculs réalisés, les codes deMonte Carlo MCNP5[1]et PENELOPE [2]ont été utilisésconcurremment lors del'étape de calcul du kerma. Dans le cas des dépôts en énergie, seule une
version parallélisée du code PENELOPE [3] a été employée.Cet articleprésente, toutd'abord, les modèlesnumériques de la source et du dispositif expérimental.
Viennentensuite la
définitiondes facteurs decorrection ainsi que la présentation de la méthodologiede leur détermination suivant la grandeur dosimétrique à laquelleils sont associés. Puis, lesparamètres
physiques de modélisationpour les différents codes sont décrits. Enfin, les valeurs des facteurs
correctifs obtenues par les différents codes sont présentées et comparées pour validation.
2. MODÈLES NUMÉRIQUES
2.1, Sourced'iode125
L.'tiliséepour les traitements de curiethérapie ophtalmiques, la sourced'iode125étudiée est de type
BEBIG1125S 16. Ses caractéristiques géométriquesn'étantpas disponibles, il a été supposé que ces
dernières étaient comparables a celleslessourcesBEBIGI125 S06utilisées pour les traitementsprostatiques. Celles-ci sont en effet décrites par le Task Group 4 3 [4 -6jsur la base del'articlede
11edt~~irnet al [ 7]. La figure 1 présente le modèle numérique (a) utilisé au cours de cette étude et (b)
proposé parHedtjiirnet al. ~i.ac~TM, i 1 r ,a tT~:i~ ~.iFigure 1. (a) Modèle
numérique de cette étude. (b) Modèle de Hedtjarn et al.Le modèle numérique de la source utilisée pour cette étude est constitué d'un barreau central composé
d'or, entouré d'un anneau cylindrique en céramique poreuse (alumine,A1703,de densité égaleà
2,88 g/cm3) contenant la partie radioactive de la source. Ces deux éléments sont entourés par une
capsule en titane. La région restante au sein de la capsule est remplie d'air,Les émissions radioactives initiales ne comprennent que les émissions gamma (raie à 35,4919 keV) et
X émises lors de la transformation de l'iode 125 en tellure 125 (raie de 4,14 keV incluse). Les énergies
et les intensités des raies émises par le modèle numérique de la source d'iode 125 sont présentées à la
table 1. Les probabilités sont issues des tables Nucléide 2000 [8]. II est supposé que la quantité d'iode
présente dans la céramique poreuse est négligeable. Table 1. Energies et intensités des raies photoniques initiales.Energie
(keV)Probabilité
4,140,149
27,2020,397
27,47260,740
31,10,212
31,760,0459
35,49190,0667
2.2. Dispositif expérimental
La figure 2.réaliséeàlaidedulogicielGview3D du code PENELOPE,est proposée afindemieuxappréhender l'intégrationde la sourced'iodeau centre dudispositif expérimental.Celle-ciest placée
dans uneflute en quartz (Fused Silica, SIO2, dedensité égaleà 2 ems)maintenue verticalement au centre de lachambretoroidale parl'intermédiairededeuxroe'sen P\'INIA. L a sourcedemeureen levitation parunflux permanent d`a.izote.Salocalisationverticalecorrespondàlami-hauteurde larégion de detection de la chambretoroïdale.L~ensemble s~ stèmedepositionnement~'chambre toro~ldale
est posé sur une table en acier dont on peut apercevoir lesditté'rentesportions pseudo-torpilles'.Troi
boltic.'rsen aluminium ontt.téplaces sur la chambretoroïdale.Ils représentent les pontsdi\iscursde
tension presents lors des mesures expérimentales. Figure 2. Ecorché dudispositif expérimental.La sourceest localiséeau centre del'image. HV i~~'.\oluiiiede collection : \oluine(l'ute! action (inclus dans levoltinie de collection) SELECTROMETER
Figure 3. Schéma de principe d'une chambre d'ionisation â paroi d'air (d'après Attix [9]). P et P' correspondent respectivement aux points de référence et de mesure.Volumeassociéau
point deréférencePSource
Figure 4. Agrandissement de la partie droite de la chambre toroïdale modélisée. La source est à l'extrémité gauche de l'image.Iutiii, itirntie~:; n~cnt,;cylindrique; cru lieucl'unesurfacetoriquecstlié au fait que Ie cc&f'E' Ef..OI-fn'.1e,:eptep asodesurfic:; tç,riq~.ie
et que Ie:ucle`fl(:',PIposee prubl~meavecl'utilisationdes surfaces de typetx,ty'ou t/Les zonesimpliquéesdans un relevé des alters dekerillaoil de dépôtd'éllergiesont toutes
composées d'air.Néallilloins,afin d'en faciliterl'identificationsur la figure 2, ces zones ont été
représentéescoillilleremplies par un matériau spécifique.Un agrandissementde ces zones est présenté
sur les figures 3 et 4,l'unecorrespondant a un schéma de principed'unechambred'ionisationa paroid'airetl'alitrea la géométriemodélisée.Par comparaison avec lafigure3,ilest aiséd'ideutlflersur la
figure-1 lesvolumesde collection etd'interaction.Par ailleurs, la figure •4 précise également
l'emplacementdu volume associé au point de référence, situé al'entréede la chambre au niveau de la
zodedecollitilatioil.Enfin, la figure 3 précise la position des points dits de référence, P, et de mesure.
P'.3.FACTEURSDE CORRECTION
[)euxcatégories de facteurs de correction ont été calculées selon la grandeur dosimétrique utilisée
pour leur détermination: kerma ou dépôts en énergie. Ce paragraphe propose de décrire la
méthodologie sui\ le pour déterminer chacune de ces grandeurs. Il définit ensuite les facteurs de
correction associés.3.1.Issus du kerma
Le kerma dans l'air pour des photonsd'énergie cinétique E est déterminé de la façon suivante:
kair(E) _ 4E(E)X(Ptr(E)/P)airE kair(E)est le kerma dans l'air dans la gamme d'énergie (E-dE/2, E+dE/2),(1)E(E) est la fluencephotonique en fonction de l'énergie, représentant le nombre de photons atteignant la surface de
détection au point d'intérêt considéré par unité de surface, et(ptr(E)/p)airest le coefficient massique
de transfert en énergie des photons d'énergie E. Les valeurs de ce dernier paramètre sont obtenuesà
partir du logiciel XMuDat version 1.0.1 qui utilise la librairie des coefficients photoniques d'atténuation proposée par l'IAEA (International Atomic Energy Agency) [10, 11].Le kerma dans l'air total est déterminé en sommant ses différentes composantes relevées pour chaque
canal en énergie, avec un échantillonnage régulier de 0,1 keV, allant d'un seuil minima de 1 keVà
l'énergie de la raie initiale la plus énergétique (35,5 keV).Les codes de Monte-Carlo utilisés ont permis de déterminer la fluence photonique en fonction de
l'énergie (1)E(E). Celle-ci a été calculée en utilisant comme estimateur la somme des longueurs des
trajectoires des photons dans une région de détection donnée divisée par le volume de cette même
région. Cette description correspond à la définition usuelle du tally F4 du code MCNP.Les 6 raies initiales de la source d'iode 125 (cf. Table 1) ont été prises en compte simultanément lors
des calculs effectués pour la détermination du kerma. Les facteurs de correction appartenant à cette catégorie sont définis ci-après: aFacteur de correction, k1.I_.e kerma de référence est défini pour un point de référence entouréd'air a une certaine distance dans
le vide de la source. La configuration expérimentale s'éloigne de cette définition. Le facteur de
correction k,.,.; a pourhutde tenir compte de l'atténuation et de la diffusion liées à la présence
d'éléments entre la source et le point de référence. Il est défini comme le rapport des kermas calculés,
d'une part. en considérant uniquement la source et le volume associé au point de référence placés dans
ie vide, et d'autre part. en considérant les mêmes éléments localisés dans la géométrie expérimentale.
• Facteur de correction.k,,,;(.e facteur tient compte del'atténuationdesra\ onilenlentsphotoniquesentre le \ ('Billie associe au
point de reference P et le point de mesure P'. Il est calculécommele rapport entre le herniarele\é
dans le \olliiilede référence sur leLerillarole\édans le \oluliled'interaction,les deuxréiLiousétant
localisées dans lagéollletriecomplète.3,2. Issus ties dépôts en énergie
Appartiennentitcette catégorie, deux facteurs corrigeantdedéfautsdemesurede lachambred'ionisation toroïdale. Selonlemodèle proposépar Burns [12],leurdefinitionnécessitedeconsidérer
deux régions:larégionde collection etune régionplus largeenglobant également l'électrodede
collection et lapartieen \ is-a-vis del'électrode portéea la haute tension.Ce papier adopte également
certaines formulationsde D.T. Burns.Ainsi, un électron primaire est supposé être obtenu lorsde la
première interactiond'unphoton incidentaveclagéométrie modélisée. L'énergie déposéeparun
électron primaireetsesdescendantsest égaleal'énergie primaire. L'énergie déposéeparun électron
issu d'unphoton diffuse et see descendantsest égaleal'énergie secondaire.Le facteur, compense la perte en énergie due aux électrons primaires atteignant les plaques de la
chambre a paroi d'air a la profondeur de l'électrode de collection sans avoir déposé toute leur énergie
dans la région de collection. Il est défini comme le rapport de l'énergie primaire déposée clans le
volume de collection et les électrodes sur l'énergie primaire déposée le volume de collection.
Le facteur,k,corrige de l'énergie supplémentaire déposée dans la région de collection due aux
électrons créés par les photons diffusés. Il est défini comme le rapport de l'énergie primaire déposée
dans le volume de collection sur la somme des énergies primaire et secondaire déposées dans le même
volume.4. CODES DEMONTECARLO
4,1. Calcul du kerma
Les codes MCNP5[1](version 1.40, compilé avec la librairie parallèle MPI) et PENELOPE [2] (version 2008, via le programme Penmain) ont été utilisés pour cette étude.4.2. Calcul des dépôts en énergie
Même si les énergies considérées sont relativement faibles, 35 keV au maximum, les durées de
modélisation nécessaires à la détermination des dépôts en énergie demeurent prohibitives en mode
séquentielavec uneestimation de plusieurs semaines decalcul. Aussi dans le casdu code PENELOPEversion 2006[13],le programme Penmain_MPI[3]développé par F. Tola a été utilisé et adapté à cette
étude.
Etant donnée la structuredu code MCNP, sonadaptation au calcul des énergies << primaire » et
osecondaire » au sens du modèleemployé par Burns a parudélicate. Aussile code MCNP n'a pas été
utilisé pour la déterminationdes facteurs de correctionlc,et k,c.4.3.Paramètresphysiques
.Code MCNPLes énergies de coupure du code \CNP sont systématiquement égales a 10 et l keV respectivement
pour les électrons et les photons. Le mode de transport amélioré des électrons et le générateur de
nombres aléatoires numéro 2 ont été activés (variables 18 de la carte DBCN et GEN de la carte RAND
égales à 2). Seul le mode p,e (transport des photons et des électrons) a été utilisé lors des calculs
effectués d raide du code NICNP. • CodePENELOPESelon la grandeurdosinlétriqueà calculer, le codePENELOPEa été utiliséatiecdeux modes de
transport: modes p (transport des photons uniquement) etp,epolirlekerillaetp,euniquement pour les dépôts cel énergie. Lediode ppermetdemodéliser linplus grandnombredeparticules dansuun laps de tempsdonné.\tind'aeti\erceii1ode,les paramètresE,►i,.sont pris égauxà 36 keV pourlesélectrons'positrons et 400 eV
pourlesphotons. Lavaleurdu D,,;,,,est laissée identiqueàcelleprise pardéfaut(1.10'' eni).Lei iodep,eest activéenmettant les valeursIlesparamètresE"l,;pourlesélectrons/positrons éggalesà
1 keV et en ettectuailtlinparaillttragge deD,,,,,►\polir lesdif érentsmatériauxdemanièreàêtre
sv'stélilatiquelilent del'ordrede I/20'`'►de la plus petite dimension pour lematériau considéré.
Les paramètresCl, C, sont systématiquement pris égaux'a 0.0~. \tip,, est quant a lui pris égal a 400 eV.
La valeur (le \V varie selon le mode utilisé: I keV (mode p,e) ou.4 keV (mode p).5. RÉSULTATS
L'incertitude associée a chaque valeur présentée dans les paragraphes suivants est égale à l écart-type.
5.1. Facteurs issus du kerma
L'influence de l'épaisseur de la région localisée au niveau du point de référence de la chambre
toroïdale sur la valeur du kerma a été étudiée. Dans le cas du code MCNP, le kerma atteint, en
fonction de l'é aisseur étudiée, un maximum à partir d'une épaisseur de 1.104cm et reste quasimentp
stable au delà. Dans le cas du code PENELOPE, il n'est pas possible de réaliser une épaisseur
inférieure à 1.10'cm. De plus, afn d'éviter d'éventuelles confusions sur la localisation d'une
particule autour d'une surface délimitant deux régions différentes, le code PENELOPE ajoutesystématiquement après la traversée d'une interface, une distance minimale de transport de 1.10-8cm.
Cela se traduit par une nette diminution de la valeur du kerma relevée pour des distances inférieuresà
1. l 04cm.
Aussi, une épaisseur de 1.10-4cm de la région d'entrée a été retenue car elle est suffisamment grande
pour rendre l'effetobservé sur le codePENELOPE négligeable (0,01 %). Les valeurs des facteurs de
correction obtenues pour cette épaisseur sont présentées pour comparaison à la table 2. Les valeurs de
k~cfdiffèrent au plus de 12 %, et cellesdekattde moins de 5 %. Table 2.Récapitulatifdesvaleursdesfacteurs correctifskfefetkat,.MCNPPENELOPE.(Penmain)
;Mode pModep,e Les résultats obtenus par le code PENELOPE semblent plus pertinents que ceux issus du code MCNPcar obtenus à partir de données de base plus récentes et plus complètes. Ceci est observable au niveau
des raies de fluorescence induites détectées par les deux codes. De plus. dans le cas du codePENELOPE, il existe un écart allant de 0,3 à 0,5 % entre les facteurs déterminés à I aide des modesp
et p,e. Le mode de transport photon et électron semble être préférable au mode photon seul.
5.2. Facteurs issus des dépôts en énergie
Dans un premier temps,l'adaptationdu programmePeninain_\'iPl[31 étude antérieure,considl,rantdes chambresd~ionisationàparoid~airspécifiques à desfai`,~ceauxde ra\ons X.Dans un second temps, le programme validé a été utilisé pour le calcul des l'acteurs ra)onsXrespeeti'ementde moyennes et basses énergies) ont été repris. Ces calculs ont été complétés domaine en énergie a été volontairement limité aux énergies inférieuresa30keVafin de se limiterala zone de fort gradient du t'acteur de correctionk,.Cette gamme d'énergiecolinreen grande partie les Les résultats obtenus dans le cas de la chambre \Ni K07 sur 32 coeurs de calcul sont présentés dans les L~écart lllaxililalconstaté par rapport aux calculs antérieurs est satisfaisant pour ledolllaiileen énergie étudié, puisque int rieurà0,1ô quelque soit lachalilbreet le facteurcolnsidérés.Dans le cas du facteur k;,.&)I1constatel~existennced'un pic pour une énergie de 3 keV environ.L'obSer\'ationde la partie des sectionsettïcacesdédiée àl'effetde fluorescence montrequIel'argonprésent dansl'airestA L'intégration des dif~térentes données calculées raie par raie dans le cas de la géométrie de la source radioactive et de la chambre toroïdale permet d'obtenir les valeurs présentées à la table 3. Le f acteur de correction, k~., peut colllnie attendu être négligé. Le facteur de correction, k,;:, quanta l lei, est bien plus important que dans le cas des chambres utilisées aux rayons X dans lin dolllaille d'énergie5.2.1. Validation du programmePenmain_MPI
Les calculs réalisés au[NMB[14] A l'aide d'une\ersionmodifiée du programme l'encloses (code PENELOPE)pour deuxt.pesde chambres d'ionisationaparoi d'air(WK06et\\K07adaptées aux 1,0015
1,0010
1,0005
1,0000
0,9995
---i •Pendoses(W.Ksouri2008) .PENMAIN_MPI(32 coeurs) 20o Io30 40
E (keV)
50
60
Figure 5. Distributions du facteur de correctionkede la chambreWK07selon le programme utilisé. Ferdc FENMAiNMPI 22coeurs)
5o .1, y) 20 1,0050
1,0000
0,9950
0,0900
0,9850
0,0800
0.9750
0,9700
C.0r.;5O
iJJJ 0ao E (keV)
Figure 6. Distributions du facteur de correctionkt:.de la chambreWKO7selon le programme utilisé. 5.2.2. Application (lu programme Pennlain_1IPI à l'étude de la chambre toroïdale
PENELOPE(Penmain_MPI, Mode p,e)
1,0000rl,3.10-'0
Ij; 0,8928T2,2.10-
125. Il a ainsi été mis en évidence une forte sensibilité de ks, vis-à-vis de la raie localisée à 4,14 keV,
ainsi que la nécessité de réaliser pour cette raie le calcul avec un nombre assez important de particules
afin d'obtenir une incertitude associée suffisamment réduite.6. CONCLUSION ET PERSPECTIVES
La modélisation de la chambre d'ionisation toroïdale à paroi d'air et la simulation de l'interaction des
rayonnements avec le dispositif de mesure, à l'aide des codes Monte Carlo MCNP et PENELOPE,apermis de calculer différents facteurs de correction pour la mesure du kerma de référence dans l'air
d'une source d'iode 125 de curiethérapie (type BEBIG 1125S06).Les résultats présentés lors de cette étude ont été obtenus sans tenir compte de la présence de raies de
fluorescence liées à la présence d'argent, présence spécifique à ce type de source BEBIG 1125S06.La
mesure à l'aide d'un détecteur silicium du spectre énergétique émis par la source va permettre de
quantifier ces raies de fluorescence. Les facteurs de correction seront donc à termes recalculés à l'aide
de la méthodologie établie lors de cette étude. Notamment, le code PENELOPE sera le seul utilisé et
le programme PENMAIN_MPI, ayant été validé, sera de nouveau employé. k~ k,,~