2
INFN-LNL
P. Colautti (50%), V. Conte (80%),
A. Ferretti (100%), M. Lombardi (100%),
M. Poggi (25%), S. Canella (20%),
D.Moro (20%)
INFN-PD
L. De Nardo (80%), G. Tornielli (80%)
L’esperimento
Misura la distribuzione
del numero di
ionizzazioni (cluster size)
prodotte da un singolo
adrone in un volume
sensibile di dimensioni
pari a circa 20 nm di
tessuto equivalente al
variare del parametro
d’impatto d.
Volume
sensibile
Il nanodosimetro di traccia
Multi-Step Avalanche Chamber
Impulso di singolo
elettrone
Drift
column
Cluster size:
Collettore
di
elettroni Particle track
numero di impulsi
per evento
Volume
sensibile
Ione
Misure con particelle alfa (244Cm)
100
Conditional cluster distributions
350 Pa , =24 nm
d=21 nm
d=26 nm
d=33 nm
d=42 nm
d=50 nm
d=57 nm
10-1
10-2
-3
10
-4
10
100
101
102
Cluster size
a
d
[L.De Nardo et al. Rad.Environ.Biophys. 41, 235, 2002 ]
Volume
sensibile
Camera di misura STARTRACK
Fascio
Il rivelatore di posizione del fascio
Immagine trasversale del fascio in
fase di centratura
Prime misure con protoni da 20 MeV
20 MeV p
d
Volume
sensibile
Misure previste per l’esperimento STARTRACK2
Cammino libero medio in gas propano
di ioni idrogeno, litio e carbonio
p: 20 MeV; 15 MeV
d: 15 MeV→p 7.5 MeV
6Li:
24MeV (4 MeV/u) ;
45MeV (7.5 MeV/u)
12C:
90MeV (7.5 MeV/u);
180MeV (15 MeV/u);
240MeV (20 MeV/u)
Preventivo globale di spesa per il 2009
interno estero consumo manutenzione
LNL
1.5
5
5
PD
2
2.5
3
Tot.
3.5
7.5
8
inventario
1.5
apparati
Tot.
17
30 k€
1
1.5
1
8.5 k€
17
Richieste servizi sezione: 1 mese/uomo laboratorio officina elettronica
38.5 k€
0.05
4.6 MeV alpha [ Grosswendt B., Rad. Prot.
Dosim., vol. 110, n.1/4 (2004), pp. 789-799 ]
0.04
( Dr )
0.03
( gas)
 ( Dr )
( acqua)
( gas)
(r )ion
(Q)

( acqua)
(r )ion
(Q)
0.02
equivalenza della
distribuzione, non solo
del valore medio
0.01
0.00
0
10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
Numero ionizzazioni
Simulazione standard della cellula
Acqua liquida 1.6 µg/cm2
16 nm (per r = 1 g/cm3)
µg/cm2
Azoto
1.6
Propano
1.6 µg/cm2
Azoto
2.3 µg/cm2
23 nm (per r = 1 g/cm3)
Propano
µg/cm2
1.3
13 nm (per r = 1 g/cm3)
Distribuzione di probabilità
Distribuzione di probabilità
Equivalenza gas-tessuto biologico
0.05
0.04
0.03
0.02
0.01
0.00
0
10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
Numero ionizzazioni
Cluster detection efficiency
Single
electron
pulse
0
10
100
m=10
m=20
m=40
m=50
m=60
m=70
-1
10
Em ( n)
90
m=80
85
80
n
Em(n):
calculated efficiency
of the detector in
resolving a number of
n out of m electrons of
the cluster
95
m=30
75
-2
10
en:
mean efficiency in
temporally resolving a
cluster of n electrons
e [%]
Due to pulse-overlapping, the
cluster detection efficiency depends
on the time separation of electrons
reaching the detection stage and on
the pulse temporal width.
 Calculation of the detector response
functions and deconvolution analysis
70
65
-3
10
60
0
10
20
30
40
n
50
60
70
80
Reconstruction of “true” Nanodosimetric Cluster Distributions
 The electron collection efficiency is lower than 1 and non-uniform inside the
sensitive volume
 Bayesian-based data deconvolution analysis to reconstruct the “true” cluster
distribution
P0(Ci): prior probability
P(Ej|Ci): likelihood
P(E): Measured distribution
Bayesian analysis
i: “True” cluster size:Cause Ci
j: “Measured” cluster size:Effect Ej
P(Ci E j ) 
ne
P( E j Ci ) P0 (Ci )
nC
 P( E
l 0
j
Cl ) P0 (Cl )
P(Ci )   P( E j )P(Ci E j )
j 0
nc
P' ( E j )   P(Ci )P( E j Ci )
i 0
P(C)→P0(C)
No
P(C):
P' (E)  P(E)  ERR lim
Yes
Reconstructed
distribution
Bayesian Reconstruction of Nanodosimetric
Cluster Distributions
-1
10
1-domain
"reconstructed"
Probability distribution
d=0 nm
eEQ
-2
10
eSV
2-domains
"reconstructed"
-3
10
"Measured"
cluster
distribution
-4
10
"True"
cluster
distribution
-5
10
-6
10
0
20
40
60
80
100
Cluster size
120
140
160
Acquisizione ed elaborazione dei segnali
Filtraggio dei segnali
Filtraggio dei segnali
Distribuzione delle altezze degli impulsi Distribuzione del tempo di arrivo degli impulsi
Trigger e rejector
Popolazione I: fascio diretto non divergente
Popolazione II: fascio diretto divergente
Popolazione III: fascio deviato rivelato
Popolazione IV: fascio deviato non rivelato
STARTRACK è in grado di rivelare eventi rari fino a probabilità del’ordine di 10-6
Il Multi-Step Avalanche Chamber
Impulso di singolo
elettrone
Distribuzione di ampiezza degli
impulsi di singolo elettrone
 V 

Y  C  
V

b
 m 
1
1
b
 e
V
(Vm b 
Quali sono le strutture più critiche?
DNA
Istone
Fibra di cromatina
Cromosoma
Quali sono le grandezze fisiche più significative?
 interazione multiparticellare
interazione di singola particella

Sezione d’urto di inattivazione cellulare verso il
libero cammino medio di ionizzazione
[Simmons, J.A. & Watt, D. 1999, Radiation Protection Dosimetry: A Radical Reappraisal. ]
Misure di energia specifica media in siti
da 500 e 250 nm (ioni Germanio)
Ge 17.2 MeV/amu
○ 500 nm
□ 250 nm
[L.H. Toburen et al.
Radiat. Prot. Dosim. 31,1990]
Energia specifica media in siti da 150nm (ioni
elio e carbonio)
He ions 25 MeV/u
C ions 25 MeV/u
[J. U. Schmollack, S. L. Klaumuenzer and J. Kiefer. Radiat. Res. 153, 2000]