STUDIO E CARATTERIZZAZIONE DI UNA SORGENTE DI PROTONI PER APPLICAZIONI DI RADIOBIOLOGIA Facoltà di Ingegneria Civile e Industriale Corso di laurea in Ingegneria Biomedica Cattedra di Radioprotezione e Complementi di Fisica Candidato Stefano D’Orazio 1106164 Relatore Prof. Vincenzo Patera Correlatore Dott. Concetta Ronsivalle (ENEA) Dott. Andrea Mostacci A/A 2010/2011 Il Progetto TOP-IMPLART Obiettivo finale: realizzazione di un Intensity centroModulated per protonterapia a Roma (IFO) Intensity Modulated Radiation Therapy Proton Therapy basato su un acceleratore lineare da 230 MeV 2 vantaggi rispetto alle tecniche tradizionali Picco di Bragg Selettività spaziale RBE Efficacia biologica massima nel picco di dose depositata Descrizione del Progetto Il LINAC da 230 MeV verrà realizzato in due fasi distinte 2° FASE 1° FASE SCDTL 7 MeV LINAC2 LINAC1 INIETTORE 40 MeV CCL1 150 MeV CCL2 230 MeV Energia ENEA-Frascati IFO-Roma Centro di Protonterapia - IFO 52 m 230 MeV Tumori profondi 16,5 m 150 MeV Tumori testa-collo Generatori a RF Stanze per il trattamento Energia del fascio proporzionale al numero di moduli di accelerazione attraversati L’Iniettore Il linac si basa su un’iniettore lineare da 7 MeV: l’Accsys-Hitachi PL-7 Frequenza di lavoro 4250.1 MHz Energia del fascio all’uscita della sorgente duoplasmatron Energia del fascio all’uscita dell’RFQ 30 keV 3.0 MeV Energia del fascio all’uscita del DTL 7.0 MeV 0.3-30 µA 3-7 µs 10-100 % 30-300 Hz Corrente massima all’uscita dell’iniettore Durata degli impulsi del fascio (FWHM) Variabilità corrente tra un impulso e l’altro (pulsed) Frequenza di ripetizione degli impulsi Il Progetto ISPAN Obiettivo finale: realizzare un impianto di riferimento per la radiobiologia con protoni distribuzione e misurazione della dose inviata al campione Analisi radiobiologiche Irradiazione cellule V79 (1-7 MeV) Esperimenti previsti Irradiazione piccoli animali (17,5 MeV) 1) VALUTAZIONE EFFICACIA TERAPEUTICA 2) STANDARDIZZARE PROTOCOLLI DI TRATTAMENTO Obiettivo del Lavoro Ottimizzare un sistema per il rilascio della dose da utilizzare per l’irraggiamento delle colture cellulari con un fascio di protoni a bassa energia (1 – 7 MeV) 1) Caratterizzazione del fascio all’uscita dell’iniettore: - dimensioni e divergenza Misure di emittanza e parametri di Twiss - energia Misure di range e picco di Bragg 2) Messa a punto di un sistema di rilascio di dose su campioni biologici e del sistema di misura della dose nella posizione del campione 3) Ottimizzazione del setup sperimentale in accordo con i requisiti richiesti dagli esperimenti di radiobiologia in termini di dose (0,1 Gy - 6 Gy) e uniformità di irraggiamento Misure di Emittanza e parametri di Twiss ε= A/π α inclinazione β divergenza Ottenuti i dati sperimentali con il metodo dei minimi quadrati si ricavano i valori ottimali di emittanza e parametri di Twiss all’uscita dell’iniettore εy εy= 2,492 mm-mrad βy= 0,150 mm/mrad αy= -0,111 Risultati Ottenuti Misure di emittanza e parametri di Twiss ricavate in diversi punti di lavoro dell’iniettore Migliori risultati ottenuti nel terzo punto di lavoro VLU= 26 kV Vextr= 26 kV εy αy βy 2,492 mm-mrad -0,111 0,150 mm/mrad Misure di Range a 3 MeV range medio: distanza alla quale T=50 % T= particelle trasmesse/particelle incidenti 2 condizioni sperimentali di misura Spessore finestra di uscita dei protoni Strati di PVC utilizzati 80 µm 50 µm 1,51 MeV 2,15 MeV Risultati Ottenuti Misura Spessore kapton range 1 80 µm 49 ± 2,5 µm 2 80 µm 46 ± 2,5 µm 3 50 µm 75 ± 2,9 µm Confronto tra Misure e Simulazioni misure di range confrontate con i range proposti da SRIM 2011 SRIM: Stopping and Range of Ions in Matter permette di calcolare l’andamento delle traiettorie degli ioni nella materia SRIM 2011 è basato su un metodo di calcolo Montecarlo, nell’approssimazione della collisione binaria Confronto tra Misure e Simulazioni Misura Simulazione 49 ± 2,5 µm 45 µm 46 ± 2,5 µm 45 µm 75 ± 2,9 µm 79 µm Il Picco di Bragg 13 strati di film gafcromico in pila irraggiati per 30 s da protoni a 7 MeV Picco di Bragg 480 14,4m Ottimizzazione della Linea di Trasporto a Valle dell’Iniettore Linea di trasporto per l’irraggiamento con fascio orizzontale Ottimizzazione eseguita con un programma di simulazione di dinamica del fascio: TRACE3D ottimizzazione Ricerca dei valori di gradiente magnetico dei quadrupoli PER Ottenere determinate dimensioni del fascio nel punto di irraggiamento Ottimizzazione della Linea di Trasporto a Valle dell’Iniettore Linea di trasporto per irraggiamento con fascio verticale Magnete di deflessione produce un aumento di emittanza del fascio nel piano in cui il fascio curva Problemi a focalizzare il fascio nel piano verticale Misure Preliminari di Dose Stima della dose rilasciata dal fascio di protoni Carica accumulata Q V C Dose assorbita D Capsula di Petri Range in acqua Ef Np At arg et R Dose Assorbita e Carica Accumulata 0,1 6 Gy Np Intervallo di dose per esperimenti di radiobiologia D At arg et R Q qp N p E fascio Dose 4,63 Carica Dose 4,63 Carica Calibrazione del fascio Analisi Dosimetrica Rappresenta la verifica della dose realmente depositata dal fascio di protoni. Test preliminari condotti utilizzando il rilevatore a tracce nucleari CR39: - Si irraggia il rivelatore: traccia latente - Etching: la traccia latente viene resa visibile al microscopio ottico dN dS Numero di particelle dN incidenti sulla superficie dS Numero tracce Superficie rivelatore D 1,6 1019 LET Irraggiamento dei Rivelatori Condizioni di irraggiamento Frequenza di ripetizione 50 Hz Durata dell’impulso 21 μs Tensione di estrazione 26,7 kV Tensione d’arco 169 V 0,2 pC per impulso 1) 20 impulsi di protoni, corrispondenti ad una carica accumulata pari a 4 pC Irraggiati 2 rivelatori CR39 2) 50 impulsi di protoni, corrispondenti ad una carica accumulata pari a 10 pC Conclusioni… Il lavoro di tesi svolto nei laboratori dell’ENEA di Frascati ha permesso di: Determinare le carateristiche del fascio all’uscita dell’iniettore Misure di emittanza e parametri di Twiss Misure di range e picco di Bragg Ottimizzare un sistema di rilascio della dose per l’irraggiamento dei campioni cellulari Avviare l’ottimizzazione del setup sperimentale in accordo con i requisiti richiesti dagli esperimenti di radiobiologia in termini di dose (0,1 Gy - 6 Gy) e uniformità di irraggiamento … e Sviluppi Futuri L’analisi dosimetrica permetterà di ricavare 1) Le condizioni sperimentali per le quali si riesce ad inviare una dose contenuta nell’intervallo richiesto 2) Una relazione di proporzionalità lineare tra numero di impulsi inviati e dose assorbita Irraggiamento campioni biologici e analisi radiobiologiche
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