Facoltà di Ingegneria
Corso di Laurea in Ingegneria Biomedica
Ottimizzazione di una “facility” di irraggiamento
sperimentale con protoni
Correlatore
Dott.ssa Concetta Ronsivalle (ENEA)
Dott. Andrea Mostacci
Candidato
Fabrizio Ambrosini
Anno Accademico 2012-2013
Relatore
Prof. Vincenzo Patera
Il Progetto TOP-IMPLART
Obiettivo finale: realizzazione di un centro per protonterapia a Roma (IFO)
basato su un Confronto
acceleratore
lineare
da 230 MeV
tra IMRT
e IMPT
Assenza di irradiazione
7 campi con IMRT
Picco di Bragg
Vantaggi
2 campirispetto
con IMPT alle tecniche
tradizionali:
- Rilascio di dose in corrispondenza
del Picco di Bragg
- Maggiore efficacia biologica della
radiazione (RBE)
Migliore efficacia
del trattamento
protonterapico
Trattati 96537 pazienti (2011)
Differenza tra IMRT e IMPT
Il Progetto TOP-IMPLART
Obiettivo finale: realizzazione di un centro per protonterapia a Roma (IFO)
basato su un acceleratore lineare da 230 MeV
Nella realizzazione del LINAC sono previste due fasi:
1° fase
Stanziati 11 milioni di euro in 3 anni
150 MeV
ENEA - Frascati
150 MeV + Beam Delivery
Il Progetto TOP-IMPLART
Obiettivo finale: realizzazione di un centro per protonterapia a Roma (IFO)
basato su un acceleratore lineare da 230 MeV
Nella realizzazione del LINAC sono previste due fasi:
2° fase
Layout definitivo presso l’ IFO di Roma
52 m
230 MeV
150 MeV
IFO - Roma
230 MeV
230 MeV + Beam Delivery
Tumori profondi
16.5 m
Tumori testa-collo
Layout attuale
Iniettore: l’Accsys-Hitachi PL-7
C
B
A
D
Evoluzione del fascio
nell’iniettore
A) Sorgente
B) RFQ
C) DTL
D) Alimentazione a RF
Frequenza di lavoro
Energia del fascio all’uscita della sorgente
duoplasmatron
Energia del fascio all’uscita dell’RFQ
Energia del fascio all’uscita del DTL
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
4250.1
30
MHz
keV
3.0
7.0
0.3-30
3-7
10-100
MeV
MeV
µA
µs
%
10-200
Hz
Layout attuale
Uscita linea verticale
LEBT
Magnete 90°
Uscita linea
orizzontale
Q1
Q2
Traiettoria del fascio di
protoni all’interno della LEBT
Necessità di impiegare in sequenza
un magnete focheggiante in un
piano ed uno focheggiante nel
piano opposto.
Q3
R
Q4
 mv
qB
Radiobiologia a bassa energia
Orizzontale: 17.5 MeV (3mm)
Piccoli animali
Verticale: fino a 7 MeV (0.6mm)
Cellule
7 MeV
1
Studi su cellule flottanti nel terreno di
coltura (Linfociti)
2
Studi relativi agli effetti indiretti
Strato di cellule sovrastante
Terreno di coltura
Strato di cellule sottostanti
Fascio verticale
17.5 MeV
• Standardizzare protocolli di trattamento
• Valutare l’efficacia terapeutica dei trattamenti
L’effetto bystander:
mediato dalla diffusione di uno o più
fattori dalle cellule irradiate alle
cellule non irradiate, a livello delle
quali si legano a recettori
citoplasmatici e/o di membrana.
Obiettivo del Lavoro
Ottimizzazione dei parametri dell’iniettore e degli elementi che compongono
la linea di trasporto verticale e orizzontale ai fini della sperimentazione
radiobiologica
1) Calcoli numerici del trasporto del fascio orizzontale, verticale e test sperimentali
2) Irraggiamenti:
• Dosimetri CR-39 (ISS)
Dosimetria preliminare all’irraggiamento delle V79
•Rivelatori a film di LiF (UTAPRAD-MNF)
Indagine delle potenzialità dei
rivelatori a Film di LiF per fasci di
protoni a bassa energia
3) Messa a punto di un sistema di caratterizzazione dei PMQ relativi al primo modulo
SCDTL (7÷11.6 MeV).
Calcoli numerici sul trasporto del fascio
TRACE3D:
Quadrupoli
Drift
Magnete
Calcoli numerici sul trasporto
del fascio orizzontale
Prima coppia di quadrupoli:
… i valori dei gradienti dei quadrupoli corrispondenti alle dimensioni richieste in uscita per la
spot di forma circolare:
Fascio “nature”
Flangia di uscita
dell’iniettore
G1 (T/m)
0
G2 (T/m)
0
Da 6.5 mm (R campioni biologici) a 2.4 mm (Rx=Ry)
Flangia di uscita
dell’iniettore
G1 (T/m)
-9.860
G2 (T/m)
10.683
Calcoli numerici sul trasporto
del fascio orizzontale
I quattro quadrupoli:
Da 6.5 mm (R campioni biologici) a 0.98 mm(Rx=Ry)
Maggior controllo del fascio
Flangia di uscita
dell’iniettore
G1 (T/m)
-10.582
G2 (T/m)
G3 (T/m)
G4 (T/m)
6.660
-7.221
8.970
Pretendendo dimensioni minori per la spot circolare…
Calcoli numerici sul trasporto
del fascio verticale
La dispersione non compensata del magnete di deflessione verticale limita la
possibilità di focalizzazione nel piano verticale
Flangia di uscita
dell’iniettore
Il magnete di deflessione verticale
focalizza nel piano orizzontale
Minima dimensione in y:
R y = 26.6mm
R x = 1.5mm
Minima dimensione in x:
R y = 34.7mm
R x = 1mm
Test sperimentali
Prima coppia di quadrupoli:
1) Ottimizzazione del trasporto lungo la
linea verticale:
Segnale da linea
orizzontale
Segnale da linea
verticale
Uscita linea verticale
Q1
Q2
[ supply unit ] [ supply unit ]
Uscita linea
orizzontale
Linea
orizzontale
Linea
verticale
20
6
0
30
17
190
Coincidenza tra
i due segnali
Q1
Q2
Magnete 90°
Segnale di tensione
proporzionale alla corrente letta
con una bandierina.
I magnete 90°
[A]
Test sperimentali
Linea orizzontale completa: quattro quadrupoli
2) Minime dimensioni spot circolare linea orizzontale:
Targhetta Fluorescente
Finestra
terminale
Videocamera
Q1
Q2
Q3
Q4
Valori dei quadrupoli corrispondenti alle
minime dimensioni sperimentalmente
ottenute per la spot circolare:
G1 (T/m)
-10.504
G2 (T/m)
7
G3 (T/m)
-7.703
G4 (T/m)
9.103
Spot del fascio
vista dalla
telecamera
Test sperimentali
Linea orizzontale completa: quattro quadrupoli
3) Caratterizzazione preliminare della lente elettrostatica
Q1
Q2
Q3
Q4
Faraday Cup
Permetterà di variare impulso per impulso la
corrente fornita in uscita dall’iniettore e quindi
la dose rilasciata nel target
Irraggiamenti sui CR-39
… misure dosimetriche preliminari alla radiobiologia (105, 106 protoni ):
Stopping and Range of Ions in Matter
Dosimetri a tracce nucleari
Traccia latente
Capsula Petri
Diametro=13mm
Spessore=1.5mm
D  1,6 1019    LET

Numero tracce latenti
Superficie rivelatore
Strati
attraversati
Area= 0.00023cm2
Finestra di
uscita in
Kapton
Aria
Spessor Densità
e (mm) (g/cm3)
0.05
1.43
Energia in
uscita dal
mezzo (MeV)
2.135
5
0.001
2.057
LET in
H2 O
(keV/µm)
Range in
H2O (µm)
16.1
80.5
Irraggiamenti sui CR-39
Prima sessione
di misura
Carica per
impulso
(pC)
Numero di impulsi con cui
si è irraggiato ogni
rivelatore
Supply unit
impostate per i due
quadrupoli
Fascio
orizzontale
0,2
20, 50
Quadrupoli spenti
Seconda
sessione di
misura
Fascio
orizzontale
Fascio verticale
5 impulsi
Necessità di ridurre
la densità di tracce
Carica per
impulso
(pC)
Numero di impulsi con cui
si è irraggiato ogni
rivelatore
Supply unit
impostate per i due
quadrupoli
4,95·10-2
20, 10, 5
Quadrupoli spenti
1,65·10 -2
20, 10, 5
Q1 = 39; Q2 = 0
5 impulsi
10
impulsi
• Rivelatori leggibili (5-10 impulsi)
• Sovrapposizioni
delle tracce
• Proporzionalità (n°impulsi - dose)
•Fascio più pulito
• Tracce di grosso
diametro
•Uniformità:
U(x)=60% e U(y)=80%
1020impulsi
impulsi
20 impulsi
Energia
(keV)
LET in H2O
(keV/µm)
Numero
impulsi
Dose (Gy)
2057
16.1
5
0.036
2057
16.1
10
0.082
Irraggiamenti sui rivelatori di LiF
… studio delle potenzialità dei rivelatori a film di LiF con fasci di protoni alle basse
energie: imaging e dosimetria
Centri colore (CC):
Difetti del reticolo cristallino
costituiti da vacanze anioniche,
singole o aggregate, occupate da
uno o più elettroni.
F2 ed F3+ luminescono nel rosso
(670nm) e nel verde (530 nm)
Lettura con microscopio in fluorescenza: la CCD acquisisce
l’immagine degli spot irraggiati nel range verde-rosso
Irraggiamenti sui rivelatori di LiF
Prima sessione (Q1 e Q2 e collimatore): distribuzione trasversa del fascio, linearità, SRIM
Carica per impulso
6 pC
N° di impulsi film su vetro
300; 670; 1300; 1500
Durata impulso
60μs
1300
Irraggiamenti sui rivelatori di LiF
Seconda sessione: (Q1; Q2; Q3; Q4 e collimatore): studio in un ampio range di carica
(5÷128000  0.29nC÷7.42μC )
Carica per impulso
60 pC
N° di impulsi film su vetro
100-128000
N° di impulsi cristallo
150-128000
Tensione di estrazione (Vextr)
26
Tensione sulla lente unipolare (VEint)
25,4
Tensione d’arco
170
Filamento
29
Pressione del gas
colour
centres in lithium fluoride7,6
Setting dei quattro quadrupoli
45;30;33;40
Optical spectroscopy60μs
and imaging of
crystals and thin films irradiated by 3 MeV proton beams
Immagini delle spot:
Segnale medio fotoluminescenza:
aumento della concentrazione dei centri F2 M. Piccinini
al crescere
del C.R.
numero
di impulsi
ENEA,
Frascati,
UCSTUDI, Via E. Fermi 45, 00044 Frascati (Rome)
Italy(1mm)
Cristallo
Durata impulso
300 -L.4000
F. Ambrosini, A. Ampollini, M. Carpanese,
Picardi, C. Ronsivalle,
F. Bonfigli, M.A. Vincenti and R.M. Montereali
ENEA, C.R. Frascati, UTAPRAD, Via E. Fermi 45, 00044 Frascati (Rome) Italy
Film (1 μm)
750
8000
450 - 32000
32000
128000
Conclusioni …
Trace3D e
test sperimentali:
Ottimizzazione dei parametri (macchina e del trasporto del fascio)
Impiego della lente unipolare
Irraggiamento CR-39:
Sistema lettura per basse cariche
Lettura fascio verticale (5-10 impulsi): Q per impulso=1,65·10 -2pC
Irraggiamento LiF:
Studio della linearità (5÷1280000.29nC÷7.42μC )
“Imaging” trasversa del fascio
PMQs:
Misura delle componenti armoniche dei PMQs
“matching” tra l’uscita dell’iniettore e la linea con i PMQ
… sviluppi futuri
• Realizzazione di una linea per fascio verticale per uniformità e controllo del fascio
per l’irraggiamento di cellule di tipo V79 (SSSM).
• Possibilità di impiego dei rivelatori a film di LiF per dosimetria con fasci di protoni
- Spessore e substrato dei film di LiF.
Ad es. per leggere basse cariche: incrementare lo
spessore del film e usi un substrato di Si
- Linearità estraendo le immagini relative ai singoli canali.
• Trasporto del fascio di protoni da 7 MeV all’interno della linea “FODO-like” a PMQ.
Grazie per l’attenzione
Fabrizio Ambrosini
Layout attuale
Struttura in fase
di realizzazione
SCDTL
PMQ
7mm
PMQ: necessari per la
focalizzazione del fascio
3cm
Caratterizzazione magnetica dei PMQ
Misura del gradiente e delle componenti armoniche
FFT
Spessore (d)
1.4 mm
Lunghezza
40 mm
Lunghezza efficace (Leff)
3 cm
Numero di avvolgimenti (N)
9
“Matching” con linea tipo “FODO lattice”
a quadrupoli a magneti permanenti (PMQ)
Ottimizzazione
con TRACE3D:
Ricerca dei valori di gradiente
PER
magnetico dei quadrupoli
Ottenere il l’adattamento tra
caratteristiche del fascio in uscita
dall’iniettore e la linea FODO
1°PMQ foc. orizzontale
(+)
Orizzontale Verticale Longitudinale
yAmax=14.8433 mm
1°PMQ foc. verticale
(-)
yBmax=13.472 mm
Irraggiamenti sui CR-39
Sistema di misura del fascio in regime di bassa carica
Bandierina
Il valore della carica
accumulata per il numero
di impulsi selezionati
Q  V C
Target
I
  3.3ms
Interruttore
R  1M
  R C
C  3.2nF
Irraggiamenti sui rivelatori di LiF
Vantaggi:
• Altissima risoluzione spaziale (lim. Sistema di lettura).
• I CC nel LiF sono stabili a temperatura ambiente.
• I CC non possono essere generati dalla luce ambientale.
• Possibili diverse configurazioni sperimentali in termini di spessori e substrati.
• Semplicità del processo di lettura (microscopio ottico, convenzionale o confocale a fluorescenza).
L'impianto, a due crogioli, dedicato alla crescita di film
policristallini di LiF su diversi substrati (vetro, silicio,
plastica, ecc.) e con spessori controllati (da pochi
nanometri ad alcuni micron).
Impianto di evaporazione termica per film
di fluoruro di litio, GP20 SISTECAngelantoni.
• I substrati, opportunamente fissati sulla
piastra porta-campioni, possono essere
riscaldati a differenti temperature
(tipicamente tra 30°C e 350 °C) mediante
quattro lampade alogene infrarosso
• La piastra porta-campioni è ruotante per
migliorare l'uniformità dei film di LiF.
• parametri di deposizione: temperatura del
substrato durante la crescita, lo spessore
totale e la velocità di deposizione.