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Neutron dOsimetry and Radiation quality Measurements by ESR and TL (NORMET) Durata proposta: 3 anni (2012-2014) Sezioni: Catania (M. Marrale) Padova (A.

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1 Neutron dOsimetry and Radiation quality Measurements by ESR and TL (NORMET) Durata proposta: 3 anni ( ) Sezioni: Catania (M. Marrale) Padova (A. Barbon) Pavia (A. Buttafava) Responsabile nazionale: Maurizio Marrale (CT) dr A. Barbon

2 Obiettivi del progetto Implementazione di un sistema dosimetrico ESR e TL in grado di fornire informazioni sulle varie componenti di campi misti di radiazione neutroni- fotoni (solitamente utilizzate in Neutron Capture Therapy-NCT). Sviluppo di tecniche sperimentali tramite ESR in regime pulsato in grado di fornire informazioni di carattere microdosimetrico sulla qualità della radiazione di fasci di radiazioni per NCT

3 Obiettivo (1) I risultati ottenuti verranno confrontati con studi effettuati su dosimetri a termoluminescenza Implementazione di un sistema dosimetrico ESR e TL in grado di fornire informazioni sulle varie componenti di campi misti di radiazione (fotoni- neutroni) Capacità di discriminazione della componente neutronica dalla componente gamma. Capacità di fornire informazioni energetiche sul campo neutronico.

4 FORMULA DI STRUTTURA SPETTRO ESR COMPOSTO ORGANICO UTILIZZATO – ALANINA

5 MATERIALI DOSIMETRICI ORGANICI SOLITAMENTE UTILIZZATI PER DOSIMETRIA ESR NON SONO ADATTI PER NCT A CAUSA DELLA LORO SCARSA SENSIBILITA' AI NEUTRONI Nuovi dosimetri (a base di alanina) arricchiti con atomi con alte cross sections

6 PREPARAZIONE DI DOSIMETRI PUNTUALI PURI O COMPOSITI PREPARAZIONE DOSIMETRI -SOLUZIONE DI PARAFFINA IN ESANO - SOSPENSIONE CON CRISTALLI DI MATERIALE DOSIMETRICO - EVAPORAZIONE DELLESANO IN ROTAVAPOR - PRESSATURA A TEMPERATURA AMBIENTE - CONDIZIONAMENTO A 40°C PER 15 ORE DOSIMETRI 20%PARAFFINA – 80% MATERIALE DOSIMETRICO BUONA RIPRODUCIBILITA BUONE PROPRIETA MECCANICHE

7 PREPARAZIONE DI DOSIMETRI PUNTUALI PURI O COMPOSITI SINTESI UMIDA (BA1e) F.Urena-Nunez, S.Galindo, J.Azorin Appl.Radiat.Isot. 49 (12) 1657 (1998) L-alanina H 3 BO 3 BA1e SINTESI NH3 GAS (BA4a) Spettri FTIR-ATRSpettri EPR MACINAZIONE (BA14) L-ALANINA/H3BO3 equimolari SINTESI L-ALANINA/H3BO3 equimolari In H2O/NH3

8 VERIFICA DELLA STABILITA AMBIENTALE DELLE VARIE TIPOLOGIE DI DOSIMETRI CAMPIONI IRRAGGIATI GAMMA IN ARIA, DOSE 4,5 kGy CAMPIONI - L-ALANINA PURA (Lala) SEGNALE STABILE - SINTESI UMIDA (BA1e)SEGNALE STABILE - SINTESI CON NH3 GAS (BA4a)SEGNALE INSTABILE (RIDUZIONE AL 30%) IN 1000 h - MACINAZIONE (BA14)SEGNALE STABILE I CAMPIONI CON SPETTRI EPR TIPICI DELLALANINA PRESENTANO SEGNALI STABILI NEL TEMPO A TEMPERATURA AMBIENTE IN ARIA ? MISCELE FISICHE ? IL COMPOSTO L-ALANINA/H3BO3 PRESENTA UN SEGNALE A PIU COMPONENTI CON DIVERSE VELOCITA DI DECADIMENTO ? EFFETTO DELLOSSIGENO ?

9 IRRAGGIAMENTO GAMMA 60 Co CONFRONTO RISPOSTA DOSIMETRI

10 SIMULAZIONE MONTECARLO RISPOSTA DOSIMETRI A NEUTRONI Una simulazione Monte Carlo preliminare con MCNP5 stima un incremento della sensibilità dovuto alla presenza del 10 B di più di un ordine di grandezza. Additive Bisogna comunque validare sperimentalmente questi valori dato che la simulazione tiene conto del rilascio di energia nel dosimetro ma non del numero di radicali prodotti e della resa radicalica dei dosimetri stessi.

11 Obiettivo del progetto proposto (2) Misure di qualità della radiazione attraverso uno studio della distribuzione spaziale dei radicali liberi prodotti dalle radiazioni ionizzanti. 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)

12 COMPOSTI ORGANICI UTILIZZATI – TARTRATO DAMMONIO FORMULA DI STRUTTURA SPETTRO ESR

13 w Spin eco A relaxation mechanism is acting while the pulses turn the magnetization (Instantaneous Diffusion, ID). ID depends on the local concentration. Local microscopic concentration of free radicals

14 Local Concentrations (spin/cm 3 ) 5kGy3.7* kGy1.0* kGy7.1*10 16 Local Concentrations/dose (with respect to the 0.5 kGy) 5kGy0.52 1kGy kGy MeV/u Carbon ions doses: ~0.5, 1, 5 kGy

15 Double Electron-Electron Resonance (DEER)

16 pump detection

17 Analysis of the DEER measurements: The distribution shows the highest peak at 2.3 nm. Two radicals have a higher possibility of being at this distance with respect to γ irradiation (smoother distribution). This situation is similar to that of proton irradiation (19 MeV). w FT Deconvolution Double Electron-Electron Resonance (DEER) Single Crystal AT Gamma irradiation Analisi in corso

18 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

19 ANALISI IN CORSO ANALISI DELLA RISPOSTA A NEUTRONI DELLE VARIE TIPOLOGIE DI DOSIMETRI (IRRAGGIAMENTI LENA PAVIA A METÀ LUGLIO) STUDIO DI NUOVI MATERIALI (QUALI TARTRATO DI GADOLINIO) ANALISI DELLA CONCENTRAZIONE LOCALE IN CRISTALLI DI TARTRATO DI GADOLINIO IRRADIATO CON GAMMA E CON NEUTRONI SVILUPPO DI SOFTWARE PER ANALISI DEI DATI RELATIVI ALLA DISTRIBUZIONE DEI RADICALI IN CRISTALLI INDAGINI PER INTRAPPOLARE SIMULTANEAMENTE COMPOSTI DEL BORO E PRECURSORI DI RADICALI IN MATRICI STABILIZZANTI DIAMETRO DEI CANALI UREA 5.5 and 5.8 Å TIOUREA 5.8 to 7.1 Å UREA E TIOUREA ACIDO COLICO E DERIVATI COMPOSTI DI INCLUSIONE

20 Pubblicazioni relative al Progetto Presentazioni a Congresso XI Convegno Nazionale GIRSE & 1stJoint Meeting ARPE-GERPE-GIRSE TERRASINI (Palermo) 3rd – 6th October 2012 M. Marrale, M. Brai, A. Longo, S. Panzeca, A. Carlino, L Tranchina, E. Tomarchio, A. Parlato, A. Buttafava, D. Dondi, A. Barbon, M. Brustolon. Application of Electron Spin Resonance (ESR) technique in neutron dosimetry M. Marrale, A.Carlino, M. Durante, M. Kramer, C. La Tessa, A. Longo, S. Panzeca, E. Scifoni, M. Brai Characterization of alanine EPR detectors response in clinical carbon ion beams European Radiation Research Society Conference 2012 Vietri sul Mare, 15 th -19 th October 2012 M. Marrale, M. Brai, A. Longo, S. Panzeca, A.Carlino, L Tranchina, E. Tomarchio, A. Parlato Neutron dosimetry by means of Electron Spin Resonance (ESR) technique C. La Tessa, A.Carlino, M. Kramer, E. Scifoni, R. Kaderka, T. Berger, M. Marrale, A. Longo, S. Panzeca, M. Brai, M. Durante 12C ion beam dose distribution in presence of medium inhomogeneities: comparison between different measurements and simulations with the treatment planning system for particles TRiP98 Congresso della Società Italiana di Fisica 2012 M. Marrale, A. Longo, M. Brai, A. Barbon, M. Brustolon, G.A.P. Cirrone, F. Romano, F. Di Rosa, G.Cuttone Distribuzione di radicali liberi in dosimetri EPR irradiati con radiazioni di diverso LET

21 Anagrafica

22 Preventivo di spesa 2013 (k) CONSUMO EPR (CT, PD, PV) Reagenti, spin trap, Vetreria EPR, Azoto liquido, elio liquido, additivi arrichiti con 10B, 6Li, Gd Luminescenza (CT) Dosimetri TLD100, TLD600, TLD700 Reagenti per altre tecniche analitiche e spettroscopiche (gas cromatografia, HPL,etc.) (CT,PV,PD) Missioni interne Riunioni con partner progetto e congressi in Italia

23 Facilities di irraggiamento IRRAGGIAMENTO A GAMMA PALERMO IRRADIATORE GAMMA (UNIPA) PAVIA IRRADIATORE GAMMA (UNIPV) IRRAGGIAMENTO A NEUTRONI (da luglio 2012) PALERMO REATTORE AGN-201 (UNIPA) PAVIA REATTORE LENA (UNIPV,S. ALTIERI)

24 DOSIMETRI DI ALANINA PRODOTTI A PAVIA IRRAGGIAMENTO GAMMA 60 Co LOWEST DETECTABLE DOSE: <0.5 Gy

25 DOSIMETRI DI ALANINA Palermo Spessore 10 mm Diametro 4 mm Massa 135 mg LOWEST DETECTABLE DOSE: <0.5 Gy IRRAGGIAMENTO GAMMA 60 Co Standard (commerciali) Spessore 3 mm Diametro 48 mm Massa 68 mg

26 DOSIMETRI DI ALANINA CON 10 B PRODOTTI A PV macinazione Spessore 1 cm Diametro 4 mm Massa 110 mg

27 IRRAGGIAMENTO GAMMA 60 Co LOWEST DETECTABLE DOSE: ~0.5 Gy DOSIMETRI DI ALANINA CON 10 B DI PAVIA

28 DOSIMETRI DI ALANINA PRODOTTI A PAVIA Spessore 1 cm Diametro 4 mm Massa 110 mg

29 IRRAGGIAMENTO GAMMA 60 Co LOWEST DETECTABLE DOSE: ~1 Gy DOSIMETRI DI ALAN. CON Gd 2 O 3 PRODOTTI A PA Spessore 10 mm Diametro 4 mm Massa 135 mg


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