Post accelerazione di protoni G. Turchetti, P. Londrillo, A. Sgattoni Sezione di Bologna A. Bacci, Sezione di Milano Regimi di accelerazione Esperimento.

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1 Post accelerazione di protoni G. Turchetti, P. Londrillo, A. Sgattoni Sezione di Bologna A. Bacci, Sezione di Milano Regimi di accelerazione Esperimento LILIA e studio fattibilità PROMETHEUS Simulazioni con AlaDyn Trasporto, collimazione, iniezione

2 Post ccelerazione di protoni CONSIDERAZIONI CONSIDERAZIONI GENERALI GENERALI

3 Post ccelerazione di protoni La accelerazione laser di protoni ha raggiunto i 60 MeV con La accelerazione laser di protoni ha raggiunto i 60 MeV con laser di potenza prossima a 1 PW ed impulsi lunghi (0.1-1 ps). laser di potenza prossima a 1 PW ed impulsi lunghi (0.1-1 ps). In regime TNSA si crea una nuvola di elettroni caldi che si muovono in avanti generando un campo elettrostatico che accelera i protoni. Legge di scala In regime TNSA si crea una nuvola di elettroni caldi che si muovono in avanti generando un campo elettrostatico che accelera i protoni. Legge di scala E p =  I ½ E p =  I ½ Nel regime RPA gli elettroni restano freddi con luce Nel regime RPA gli elettroni restano freddi con luce polarizzata cirlarmente. I protoni sono accelerati dalla pressione di radiazione. Legge di scala polarizzata cirlarmente. I protoni sono accelerati dalla pressione di radiazione. Legge di scala E p =  I E p =  I

4 Regime TNSA Regime RPA [T. Esirkepov,2004] I> 10 18 W/cm 2 eA/m e c 2 >1 I > 10 23 W/cm 2 eA/m p c 2 >1 I > 10 20 W/cm 2 polar. circolare Bersaglio spesso. Spettro quasi termico Spettro quasi monocromatico Alta dispersione angolare Bassa dispersione angolare Accelerazione di protoni

5 Post accelerazione di protoni Sono stati sviluppati modelli fenomenologici per il regime TNSA (Passoni, Lontano) ed RPA (Macchi) da cui risulta E p (MeV) ~ 2 a TNSA E p (MeV) ~ 2 a TNSA E p (MeV) ~ a 2 RPA (Hole boring Pol. circ.) E p (MeV) ~ a 2 RPA (Hole boring Pol. circ.) a= = 0.85  m  10 -9 I 1/2 (W/cm 2 )  = 0.8  a= = 0.85  m  10 -9 I 1/2 (W/cm 2 )  = 0.8  Un impulso a E= 5J con  =25 fs ha W= 200 TW. Con spot focale di 20  2 si ha I= 10 21 W/cm 2 si ha a ~ 22 In regime TNSA E~ 50 MeV. Con RPA pochi MeV se n e = 10 23 cm -3 ncnc nene eA mc 2

6 Post accelerazione di protoni Post accelerazione di protoni Esperimenti con LILIA 2010 con E≤ 5 J e  ≥ 25 fs e Esperimenti con LILIA 2010 con E≤ 5 J e  ≥ 25 fs e spot focale di 400  m 2 danno intensità tra 10 18 e 5 10 19 W/cm 2 spot focale di 400  m 2 danno intensità tra 10 18 e 5 10 19 W/cm 2 Ne segue che Ne segue che 0.5 ≤ a ≤ 5 0.5 ≤ a ≤ 5 1 MeV ≤ Ep ≤ 10 MeV 1 MeV ≤ Ep ≤ 10 MeV Compatibile con vincoli di radiprotezione nel pozzo. Compatibile con vincoli di radiprotezione nel pozzo. Nel 2011 si auspica una camera di interazione nel bunker ed Nel 2011 si auspica una camera di interazione nel bunker ed una parabola per avere spot focali ~20  m 2 e I ≤10 21 W/cm 2 una parabola per avere spot focali ~20  m 2 e I ≤10 21 W/cm 2

7 Post ccelerazione di protoni Post ccelerazione di protoni Regime specchio relativistico RPA Non previsti esperimenti a breve termine. E p ( MeV ) = 470  = Con densità n=10 23 e con spot S=20  m 2 la energia di un bersaglio spesso ℓ vale E (MeV) = 0.3 ℓ (nm)  = con E=5J. Condizione non trasparenza   ≤ 1.4 a   (ps) 22  2E laser E target 10 ℓ ( nm) 0.3 ℓ ( nm)

8 Con a=22 e  =25 fs corrispondenti a I=10 21 W/cm 2  ≤ 0.8 e quindi ℓ ≥ 40 nm E p ≤ 170 MeV Bersagli di H non realistici. 50 nm 100 nm 150 nm spessa Accelerazione di protoni Accelerazione di protoni I=W/cm 2 2 10 20 4 10 20 6 10 20 RPA hole boring Linea nera RPA specchio Linea grigia Simulazioni PIC 1D colore Nota bene che n 0 =10 22

9 Progetto Prometheus Progetto Prometheus Esperimenti a Los Alamos con laser Trident 90 J e 540 fs I =2 10 20 W/cm 2

10 Post accelerazione di protoni Post accelerazione di protoni Obiettivi esperimento LILIA Simulazione accelerazione e trasporto (BO-MI) Simulazione accelerazione e trasporto (BO-MI) Esperimenti accelerazione in regime TNSA Esperimenti accelerazione in regime TNSA Struttura ottimale dei bersagli Struttura ottimale dei bersagli Esperimenti di collimazione, trasporto e iniezione Esperimenti di collimazione, trasporto e iniezione Dosimetria Dosimetria Studio fattibilità PROMETHEUS Specifiche per accelerazione a 30 MeV con post- accelerazione oltre a 60 per radiobiologia e adroterapia

11 Post accelerazione di protoni Post accelerazione di protoni Il progetto PROMETHEUS Il progetto PROMETHEUS Riguarda la creazione di una infrastruttura di ricerca presso il laboratorio di Montecuccolino di Bologna, che ospitava il reattore nucleare RB3. Obiettvo: fasci di protoni per radiobiologia e radioterapia preclinica. Approvazione linee guida da SA nel 2008. Approvazione linee guida da SA nel 2008. Priorità spazi per 3 anni 2010-2012 Priorità spazi per 3 anni 2010-2012 Costituzione comitato scientifico nel 2009 Costituzione comitato scientifico nel 2009 Governance di Fondazione Alma Mater Governance di Fondazione Alma Mater

12 Post accelerazione di protoni Post accelerazione di protoni Laboratorio di Montecuccolino: area del reattore RB3 Edificio di 17 m di lato con bunker e carro ponte. Edifici adiacenti 220 mq. Area interrata di 300 mq Spazio utile 1500 mq. Adatto per un laser fino a 1 PW

13 Post accelerazione di protoni SIMULAZIONI CON SIMULAZIONI CON ALADYN ALADYN Codice PIC sviluppato a Bologna Codice PIC sviluppato a Bologna

14 Post accelerazione di protoni Post accelerazione di protoni Miglioramenti recenti Miglioramenti recenti A) Conservazione della carica esatta B) Schema leap frog ordine 4 C) Implementazione cilindrico 3D Completamento atteso Completamento atteso Ionizzazione Ionizzazione Collisioni Collisioni Modello semplificato Modello semplificato

15 Post a ccelerazione di protoni Post a ccelerazione di protoni Conservazione della carica Algoritmo di conservazione esatta della carica nello schema di ordine 4. Il test sul residuo ne conferna la correttezza RES = div  E  

16 Post accelerazione di protoni Post accelerazione di protoni Il nuovo integratore Il runge-Kutta di ordine 4 finora usato presenta una devole Dissipazione sia per le particelle sia per il campi. Su lunghe distanze l’effetto può essere problematico. Si è costruito un leap-frog di ordine quattro combinando 3 leap- frog di ordine 2 con passi opportuni. Questo schema conserva l’energia in media ed eventuali altri Invarianti. Lo scaling è stato verificato per le particelle ed i Campi.

17 Confronto tra LF2 e RK4 per un pacchetto d’onda, potenz. vettore A=f(x-ct) e y f(x)= 4 cos(2  x) cos 2 (  x/10) Post a Post a ccelerazione di protoni Errore su invarianti: rosso LF2 per P y, blu LF2 per H-P x, lilla P y per RK4, verde H-Px per RK4

18 Post accelerazione Post accelerazione prime considerazioni prime considerazioni Post accelerazione di protoni

19 Post accelerazione di protoni Post accelerazione di protoni Il problema del trasporto, collimazione e focalizzazione dei protoni accelerati da un laser è di grande attualità. Esperimenti a Los Alamos, SNL (Sandia) e GSI con laser di alta energia 40 J – 1KJ e potenze fino a 1 PW. Anche con FLAME nell’ambito di LILIA possono essere condotti esperimenti di trasporto e focalizzazione sia con protoni tra 1 e 10 MeV della fase 1 sia con protoni da 10 a 50 MeV della fase 2. Il trasporto ed iniezione di protoni da 30 MeV nei linac ad alto campo sviluppati per accelerare il fascio di un ciclotrone ha interesse nell’ambito dei progetti di hadroterapia con laser.

20 Post accelerazione di protoni Post accelerazione di protoni Il problema della collimazione e trasporto: dispersione angolare, dispersione in energia causano aumento emittanza nei primi mm Image from Ingo Hofmann presentation http://www.mpq.mpg.de/APS/Frontiers/index.html

21 Post accelerazione di protoni Post accelerazione di protoni  E/E in % Emittance Selezione in angolo ed energia per collimazione Esperimento di collimazione al GSI con laser FELIX Simulazioni di Yaramishev con codice Dynamion. Legge di scala   =   E/E x’ 2 Image from Ingo Hofmann presentation

22 Post accelerazione di protoni Post accelerazione di protoni Spettro di protoni Laser FELIX del GSI Finestra a 10 MeV  E/E = 5% x’= 170 mrad = 10 ° N = 10 10 (0.1% tot)   = 100 mm-mrad PHELIX Laser Ne-Yag con E = 1 kJ impulsi 0.5-20 ps Image from Ingo Hofmann presentation

23 Post accelerazione di protoni Post accelerazione di protoni Esperimento a SNL di Schollmeier et al PRL 2008 Energia 40 J spot focale 80  m 2 con  =1 ps da cui I= 5 10 19 Protoni accelerati fino a 22 MeV Spot 0.3x0.2 mm a 50 cm da sorgente Circa 10 6 protoni Images from Schollmeier et al.

24 Post accelerazione di protoni Post accelerazione di protoni Primi risultati simulazioni accelerazione TNSA La energia dalle simulazioni 2D è circa metà di quella delle simulazioni 1D. Cruciale fare simulazioni 3D. Densità: si può simulare da 10 a 50 n c. Occorre estrapolare alla densità realistica. Bisogna migliorare la efficienza di accelerazione per avere almeno 10 8 particelle con  E/E ≤ 5% e con  ≤ 5 o Carica spaziale non critica

25 Post accelerazione di protoni Confronti 2D con 1D Crescita nel tempo della energia dei protoni

26 ccelerazione di protoni Post accelerazione di protoni Simulation 2D Potenza 160 TW, focal spot 20  m 2, I = 8 10 20 W/cm 2. Spessore 0.5  m con n=20 n c. rampa preplasma 0.5, 1 mm

27 Post accelerazione di protoni Post accelerazione di protoniPOST-ACCELERAZIONE Trasporto simulato da Bacci su una linea con una iride Ed un solenoide. La inizione avviene su una cavità RF dopo un taglio in energia. Per ottimizzare i parametri si usa un algoritmo genetico

28 Post accelerazione di protoni Post accelerazione di protoni  x mm E MeV Dati in input Output  x ed energia Simulazioni algortimo genetico di A.Bacci Si riesce a limitare crescita emittanza con aumento Di energia

29 LIBO : 60 MeV proton linac booster) at LNS during installation in the beam line ACLIP : a 30 MeV linac booster, assembly of the first module HARDWARE SVILUPPATO. In ambito INFN si e’ consolidata una vasta esperienza nell’ambito della progettazione e realizzazione di acceleratori lineari compatti per protoni alla frequenza di 3 GHz - RF High Power Tests on the First Module of the ACLIP Linac, V. Vaccaro et al. Proceedings PAC09 (Particle Accelerator Conference. Vancouver, Maggio 2009 LIBO - A LINAC-Booster for Protontherapy: Construction and Tests of a Prototype - Nuclear Instruments and Methods A, Volume 521, 2-3, aprile 2004 U. Amaldi et al -BEAM TESTS ON A PROTON LINAC BOOSTER FOR HADRONTHERAPY C. De Martinis et al- Proceedings EPAC 2002 (European Particle Accelerator Conference. Parigi, Giugno 2002 Post accelerazione di protoni E = 20 MV/m

30 Post accelerazione di protoni Post accelerazione di protoni Schema di accelerazione con linac ad alto campo dove viene iniettato il fascio da 30 MeV di un ciclotrone per PET sviluppato da INFN. Possibile utilizzo di un laser per iniezione SCL: side coupled linac

31 Post accelerazione di protoni Post accelerazione di protoni Prospettive adroterapiche: intensità e dose La dose assorbita dai tessuti si misura in Gray= 1 mJ/g Tipica dose in radioterapia sono 60 Gray Un protone da 60 MeV ha 10 -11 J. La dose a 10Hz con pacchetti di 3 10 6 protoni assorbita in 3 minuti è circa 6 10 9 protoni dose 60 mJ = 60 Gray su 1 g dose 60 mJ = 60 Gray su 1 g Partendo da 10 8 protoni accelerati a 30 MeV con  E di 3 MeV efficienza richiesta in trasmissione ed iniezione ~ 3%. Efficienza globale ~10 -5. Guadagno di un fattore 10 possibile

32 Cluster calcolo parallelo a Bologna Post accelerazione di protoni

33 Dotazione attuale Dotazione attuale A 2 Blade server IBM con switch GB (2003 ?) A 2 Blade server IBM con switch GB (2003 ?) 14+14 computer bi-processori Pentium4 tot. 56 core 1GB memoria/core B 2 server desktop collegati punto-a-punto con schede ottiche 10GB B 2 server desktop collegati punto-a-punto con schede ottiche 10GB 2 macchine con 2 Quad-core Intel Xeon 2.5GHz tot. 16 core 2GB memoria/core NOTA: le prestazioni di B sono paragonabili/superiori a quelle di A Post accelerazione di protoni

34 Prossimo acquisto Prossimo acquisto 2 o più server 1U twin con rete infiniband integrat1 case 1U 2 o più server 1U twin con rete infiniband integrat1 case 1U con due motherboard (2PC) biprocessore Quad-core con due motherboard (2PC) biprocessore Quad-core (Intel Xeon 55xx) rete infiniband QDR 40Gbps (Intel Xeon 55xx) rete infiniband QDR 40Gbps tot. 16 core con 1,5/3 GB memoria/core tot. 16 core con 1,5/3 GB memoria/core Prezzo indicativo 5-6000 euro +iva secondo configurazione Prezzo indicativo 5-6000 euro +iva secondo configurazione Configurazione finale anno 2011: 4 server 1U twin con 3 Gbyte/cor Configurazione finale anno 2011: 4 server 1U twin con 3 Gbyte/cor connessi in infiniband tramite switch. Totale 64 core e 192 Gbytes connessi in infiniband tramite switch. Totale 64 core e 192 Gbytes Post accelerazione di protoni

35 Calcolo al CINECA Calcolo al CINECA Il CINECA sta preparando un bando per attribuire grants da 10 6 ore Per progetti di ricerca di grande rilievo. Le domande saranno soggette a peer review. Ci sono buone possibilità di ottenere il grant per le simulazioni 3D di accelerazione di protoni e per la postaccelerazione includendo la carica spaziale Post accelerazione di protoni

36 Giornata di studio Giornata di studio Post accelerazione di protoni

37 La Fondazione Alma Mater che ha la governance del progetto Prometheus mette a disposizione 25.000 euro per organizzare in autunno una giornata di studio a Bologna su Prospettive della accelerazione laser in adroterapia Si auspica che ENEA, INFN e CNAO partecipano a questa iniziativa Invito a personalità italiane e straniere. Post accelerazione di protoni

38 F I N E F I N E Grazie per l’attenzione Grazie per l’attenzione Post accelerazione di protoni