Neutron dOsimetry and Radiation quality
Measurements by ESR and Tl (NORMET)
Durata proposta: 3 anni (2012-2014)
Sezioni:
Catania (M. Marrale)
Padova (M. Brustolon)
Pavia (A. Buttafava)
Responsabile nazionale: Maurizio Marrale (CT)
Scopo della ricerca:
Implementazione di un sistema dosimetrico tramite ESR e TL
per la caratterizzazione delle varie componenti di campi misti
in Nuclear Capture Therapy (NCT)
Interesse Gruppo V INFN per NCT
TAORMINA (Trattamento Avanzato ORgani Mediante Irraggiamento
Neutronico e Autotrapianto)
WIDEST (WIDE Spread Tumours bnct) iniziato nel 2005 ha lo scopo
di studiare la fattibilità del trattamento BNCT dei tumori polmonari.
NEUDOS si pone l’obiettivo di sviluppare dosimetri gel
tridimensionali, con capacità cioè di dare informazioni tridimensionali di
dose assorbita per fasci neutronici sia in aria sia in fantoccio.
Interesse Gruppo V INFN per NCT
SPES-BNCT ha l’obiettivo di costruire una sorgente neutronica
avente un’intensità di circa 1014 s-1, con neutroni di 1.2 MeV di energia
media, a partire da un fascio di protoni di 5 MeV di energia e 30 mA di
corrente incidenti su un bersaglio di berillio.
 NOE (NCT di organi espiantati)
 PHONES (PHOto NEutron Source)
 …etc.
Obiettivi del progetto
1. Implementazione di un sistema dosimetrico ESR e
TL in grado di fornire informazioni sulle varie
componenti di campi misti di radiazione solitamente
utilizzate in NCT (Nuclear Capture Therapy).
2. Sviluppo di tecniche sperimentali con ESR in regime
pulsato in grado di fornire informazioni di carattere
microdosimetrico sulla qualità della radiazione di
fasci di radiazioni per NCT.
1° obiettivo del progetto proposto
Implementare un sistema dosimetrico tramite ESR che
permetta di caratterizzare un campo misto fotonineutroni, e in particolare:
i. permetta di discriminare la componente
neutronica dalla componente gamma;
ii. fornisca informazioni energetiche sul
campo neutronico.
I risultati ottenuti verranno confrontati con studi
effettuati su dosimetri a termoluminescenza
Perché ESR e TL?





Possibilità di produrre dosimetri di piccole dimensioni che
permettono un'elevata risoluzione spaziale nella
caratterizzazione del fascio.
Possibilità di effettuare dosimetria in vivo per misure della
dose effettivamente rilasciata al paziente.
Basso costo dei singoli dosimetri e dei film.
Possibilità di riutilizzo dei campioni per dosimetria TL.
Possibilità di seguire un'intero trattamento radioterapico per
dosimetri EPR.
Materiali dosimetrici
organici solitamente
utilizzati per dosimetria
ESR non sono adatti per
NCT a causa della loro
scarsa sensibilita' ai
neutroni.
1° obiettivo del progetto proposto
•
•
•
•
Preparazione di dosimetri pellets e film di alanina, di tartrato di ammonio
ma anche altri composti organici utili per dosimetria ESR (quali il
formato di litio) con l'utilizzo di additivi ad elevata sezione d'urto per
neutroni (quali 157Gd, 10B) (Sezioni CT, PV).
Identificazione dei centri responsabili dei segnali osservati per una
comprensione di tipo fondamentale (Sezioni PD,PV).
Studio delle proprietà dosimetriche di base (stabilità del segnale, minima
dose rivelabile) per fasci di fotoni e campi misti (Sezioni CT, PV).
Studio per la possibilità di costruire pellicole dosimetriche per mappare
le varie componenti in campi misti (Sezioni CT, PV).
1° obiettivo del progetto proposto
• Sviluppo di metodi di calcolo per la separazione dei segnali
ESR radioindotti da diverse componenti in campi misti.
(Sezioni CT, PD).
• Analisi della risposta di dosimetri a termoluminescenza
(quali TLD600 e TLD700) e confronto delle loro
caratteristiche dosimetriche con quelle dei dosimetri ESR.
(Sezioni CT).
• Simulazioni Monte Carlo per la modellizzazione della
risposta ESR e TL dei dosimetri (Sezioni CT).
Facilities di irraggiamento
•
IRRAGGIAMENTO A GAMMA
PALERMO IRRADIATORE GAMMA (UNIPA)
PAVIA
•
IRRADIATORE GAMMA (Sez. PV)
IRRAGGIAMENTO A NEUTRONI
PALERMO REATTORE AGN-201 (UNIPA)
PAVIA
REATTORE LENA (UNIPV, S. ALTIERI)
Precedente esperienza gruppo di Palermo
COMPOSTO ORGANICO UTILIZZATO – ALANINA
FORMULA DI STRUTTURA
SPETTRO ESR
CALIBRAZIONE A NEUTRONI TERMICI - ALANINA
(50%)
(50%)
Gd sensitivity improvement
~ 30
10B
sensitivity improvement
~ 12
M. MARRALE
et al.
Radiat. Prot.
Dosim.
(2007)
Risposta in funzione della concentrazione di gadolinio
M. MARRALE et al.
Radiat. Meas.
43, 471-475
(2008)
2° obiettivo del progetto proposto
• Misure di qualità della radiazione attraverso uno studio della
distribuzione spaziale dei radicali liberi prodotti dalle radiazioni
ionizzanti (Sezioni PD, CT).
• Analisi della concentrazione locale di radicali liberi prodotti dalla
radiazione ionizzante attraverso l'analisi dei decadimenti dell'eco
EPR con strumentazione in regime pulsata (Sezioni PD, CT).
• Analisi della distribuzione delle distanze tra radicali liberi investigate
attraverso la tecnica Double Electron-Electron Resonance (Sezioni
PD, CT).
• Determinazione della sensibilità e dei limiti di rivelazione di queste
tecniche per fasci di fotoni e campi misti (Sezioni PD, CT).
• Modellizzazione computazionale della distribuzione di radicali
prodotti da campi misti (Sezioni PD, CT)
Precedente esperienza gruppi di Palermo e Padova
Irraggiamenti
•
•
•
•
•
•
•
•
•
60Co
-photons
doses: 0.1, 1.0 and 5.0 kGy
effective LET ~ 0.35 keV/m
19.3 MeV protons
doses: 0.1, 1.0 and 5.0 kGy
LET ~ 4.6 keV/m
Thermal neutrons
doses: ~0.05 kGy
effective LET ~ 70 keV/m
Free radicals distributions for radiations
with various LETs
Low LET radiation
Small local concentration
of free radicals
electrons
High LET radiation
High local concentration
of free radicals
Two pulses ESR echo decay analysis
AT exposed to 5kGy of
gamma photons.
Measurement of Tm (phase memory time)
Local microscopic concentration of free radicals
High LET radiations (protons
and thermal neutrons) are
characterized by larger ratio
Cmicroscopic/Cmacroscopic values
than low LET radiations.
M. Marrale, M. Brai,
A. Barbon, M. Brustolon
Radiat. Res. 2009
Double Electron-Electron Resonance (DEER)
 detection
 pump
Distance distributions of free radicals
The
distance
distributions
for
dosimeters of AT exposed to gamma
photons (red curve) exposed to
thermal neutrons are similar to the
simulation
with
isotropic
3D
distribution of spins.
The distance distribution for
dosimeters exposed to protons (blue
curve) shows a peak which is related
to the size of the track of these heavy
charged particles.
M. Marrale, M. Brai, A. Barbon, M. Brustolon
Radiat. Res. 2009
Free radicals distributions assumed for
simulations
19.3 MeV Protons
60Co
-photons
Anagrafica
CT
PD
PV
Brai Maria 50%
A. Barbon 40%
A. Buttafava 70%
Bartolotta Antonio 50%
A. Brustolon 30%
D. Dondi 50%
Basile Salvatore 50%
A. Zoleo 30%
A. Zeffiro 20%
T.E.=1.0
T.E.=1.4
Carlino Antonio 100%
Longo Anna 100%
Marrale Maurizio 70%
Tomarchio Elio 50%
Tranchina Luigi 50%
T.E.=5.2
Preventivo di spesa 2012 (k€)
Struttura Interno Estero
CT
8
4
Consumo
Materiale TOTALI
Invent.
10
10
32
PD
3
2
3
20
28
PV
3
2
12
10
27
TOT
14
8
25
40
87
CONSUMO
ESR (CT, PD, PV)
Reagenti, spin trap, vetreria EPR, Azoto liquido
Luminescenza (CT)
Reagenti e filtri preparazione campioni
Portacampioni TL
Tecniche varie (CT,PV,PD)
Reagenti per altre tecniche analitiche e
spettroscopiche (gas cromatografia, HPL,etc.)
MATERIALE INVENTARIABILE
ESR (CT, PD, PV)
Cavita' dielettrica ESR in regime pulsato
(PD)
Cavita' cw-ESR (CT)
Estrusore per dosimetri dentro materiali
polimerici
Preventivo di spesa globale
Preventivo di spesa globale progetto: 184 keuro
Capitolo
Descrizione spesa
2012
2013
2014
Totale
Interno
Riunioni con partner progetto e
congressi in Italia
14
14
14
42
Estero
Partecipazioni a congressi
internazionali estero
8
8
8
24
Consumo
Materiale preparazione campioni
EPR/TL
25
25
25
75
40
0
0
40
87
47
47
181
Si veda la trasparenza precedente
Materiale
inventariabile
Totale