Analysis of prompt gamma in the γCCB experiment and comparison with Geant4 Monte Carlo simulations

The subject of the work was the analysis of results obtained in the γCCB experiment and comparison with Geant4 Monte Carlo simulations as well as calculations based on cross sections obtained using TALYS software. The experiment consisted of detection of prompt gammara diation created by interaction of proton beam with traversed materials. Phantoms with different stoichiometric ratios of carbon and oxygen were explored. The main focus was on the analysis of spectral lines from the following discrete transitions: 12C (p,pγ 4.44MeV ) 12C, 16O (p,Xγ 4.44MeV ) 12C and 16O (p,pγ 6.13MeV ) 16O. The dependences of the number of gamma quanta emitted with a specific energy as a function of depth in the phantom, so called gamma depth profiles, were obtained. All experimental profiles reveal a decrease of the maximum and an increase of the proton beam energy smearing with increasing beam energy. A series of simulations were carried out and analyzed for various physics lists and Geant4 software versions. Simulations using the intranuclear cascade model or binary cascade give the best agreement with the experimental results for both 4.44 MeV and 6.13 MeV gamma quanta. Despite that fact, the obtained results show that simulations using implemented physics lists in the Geant4 environment do not fully reflect reality, therefore there is still room for improvements in the currently used models. Alternatively, a dedicated physics list for the PGI method could be created. Calculations using cross sections obtained in TALYS give comparable results with the experiment in the region of the distal fall-off, while they strongly undershoot the data for higher proton energies (i.e. smaller depths).

Tematem pracy była analiza wyników uzyskanych w eksperymencie γCCB oraz porównanie z rezultatami zarówno symulacji Monte Carlo zaimplementowanymi w środowisku Geant4, jak i obliczeniami bazującymi na przekrojach czynnych uzyskanych za pomocą oprogramowania TALYS. Eksperyment polegał na detekcji natychmiastowego promieniowania gamma powstałego podczas interakcji wiązki protonowej z przemierzanymi materiałami. Badane były fantomy o różnych stosunkach stechiometrycznych pierwiastków węgla oraz tlenu. Skupiono się głównie na analizie linii spektralnych od przejść dyskretnych 12C (p,pγ 4,44MeV ) 12C, 16O (p,Xγ 4,44MeV ) 12C oraz 16O (p,pγ 6,13MeV ) 16O. Uzyskano zależność liczby wyemitowanych kwantów gamma o określonej energii w funkcji głębokości w fantomie zwane profilami głębokościowymi. Wszystkie profile uzyskane eksperymentalnie wskazują na spadek maksymalnej liczby kwantów gamma oraz wzrost rozmycia energetycznego wiązki protonowej wraz ze zwiększeniem energii wiązki. Przeprowadzono serie symulacji i dokonano analizy dla różnych list fizycznych oraz wersji oprogramowania Geant4. Symulacje wykorzystujące model kaskady wewnątrzjądrowej oraz kaskady binarnej dają najlepszą zgodność z wynikami eksperymentu zarówno dla kwantów gamma o energii 4,44 MeV, jak i o energii 6,13 MeV. Pomimo tego, uzyskane wyniki pokazują, iż symulacje wykorzystujące zaimplementowane listy fizyczne w środowisku Geant4 nie odwzorowują w pełni rzeczywistości, dlatego istnieje potrzeba ulepszenia obecnych modeli. Ewentualnie powinna zostać stworzona lista fizyczna dedykowana dla metody PGI. Obliczenia wykorzystujące przekroje czynne uzyskane w TALYS dają porównywalne wyniki z eksperymentem w obrębie spadku dystalnego, natomiast są mocno niedoszacowane dla większych energii protonów (tzn. mniejszych głębokości).