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STUDIO E CARATTERIZZAZIONE DI UNA SORGENTE DI PROTONI PER APPLICAZIONI DI RADIOBIOLOGIA Facoltà di Ingegneria Civile e Industriale Corso di laurea in Ingegneria.

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Presentazione sul tema: "STUDIO E CARATTERIZZAZIONE DI UNA SORGENTE DI PROTONI PER APPLICAZIONI DI RADIOBIOLOGIA Facoltà di Ingegneria Civile e Industriale Corso di laurea in Ingegneria."— Transcript della presentazione:

1 STUDIO E CARATTERIZZAZIONE DI UNA SORGENTE DI PROTONI PER APPLICAZIONI DI RADIOBIOLOGIA Facoltà di Ingegneria Civile e Industriale Corso di laurea in Ingegneria Biomedica Cattedra di Radioprotezione e Complementi di Fisica Candidato Stefano DOrazio Relatore Prof. Vincenzo Patera A/A 2010/2011 Correlatore Dott. Concetta Ronsivalle (ENEA) Dott. Andrea Mostacci

2 Il Progetto TOP-IMPLART 2 vantaggi rispetto alle tecniche tradizionali Picco di Bragg Selettività spaziale RBE Efficacia biologica massima nel picco di dose depositata Obiettivo finale: realizzazione di un centro per protonterapia a Roma (IFO) basato su un acceleratore lineare da 230 MeV Intensity Modulated Radiation TherapyIntensity Modulated Proton Therapy

3 Descrizione del Progetto 1° FASE 2° FASE ENEA-Frascati IFO-Roma Il LINAC da 230 MeV verrà realizzato in due fasi distinte

4 Centro di Protonterapia - IFO Stanze per il trattamento Energia del fascio proporzionale al numero di moduli di accelerazione attraversati 150 MeV 230 MeV 52 m 16,5 m Tumori testa-collo Tumori profondi Generatori a RF

5 LIniettore Il linac si basa su uniniettore lineare da 7 MeV: lAccsys-Hitachi PL-7 Frequenza di lavoro MHz Energia del fascio alluscita della sorgente duoplasmatron 30keV Energia del fascio alluscita dellRFQ3.0MeV Energia del fascio alluscita del DTL7.0MeV Corrente massima alluscita delliniettore µA Durata degli impulsi del fascio (FWHM) 3-7µs Variabilità corrente tra un impulso e laltro (pulsed) % Frequenza di ripetizione degli impulsi Hz

6 Il Progetto ISPAN Obiettivo finale: realizzare un impianto di riferimento per la radiobiologia con protoni distribuzione e misurazione della dose inviata al campione Analisi radiobiologiche Esperimenti previsti Irradiazione cellule V79 (1-7 MeV) Irradiazione piccoli animali (17,5 MeV) 1)VALUTAZIONE EFFICACIA TERAPEUTICA 2)STANDARDIZZARE PROTOCOLLI DI TRATTAMENTO

7 Obiettivo del Lavoro Ottimizzare un sistema per il rilascio della dose da utilizzare per lirraggiamento delle colture cellulari con un fascio di protoni a bassa energia (1 – 7 MeV) 1)Caratterizzazione del fascio alluscita delliniettore: Misure di emittanza e parametri di Twiss- dimensioni e divergenza - energiaMisure di range e picco di Bragg 2) Messa a punto di un sistema di rilascio di dose su campioni biologici e del sistema di misura della dose nella posizione del campione 3) Ottimizzazione del setup sperimentale in accordo con i requisiti richiesti dagli esperimenti di radiobiologia in termini di dose (0,1 Gy - 6 Gy) e uniformità di irraggiamento

8 Misure di Emittanza e parametri di Twiss Ottenuti i dati sperimentali con il metodo dei minimi quadrati si ricavano i valori ottimali di emittanza e parametri di Twiss alluscita delliniettore ε= A/π α inclinazione β divergenza εyεy ε y = 2,492 mm-mrad β y = 0,150 mm/mrad α y = -0,111

9 Risultati Ottenuti Misure di emittanza e parametri di Twiss ricavate in diversi punti di lavoro delliniettore Migliori risultati ottenuti nel terzo punto di lavoro V LU = 26 kV Vextr= 26 kV εyεy αyαy βyβy 2,492 mm-mrad -0,1110,150 mm/mrad

10 Misure di Range a 3 MeV range medio: distanza alla quale T=50 % T= particelle trasmesse/particelle incidenti Spessore finestra di uscita dei protoni 80 µm 50 µm 1,51 MeV2,15 MeV 2 condizioni sperimentali di misura Strati di PVC utilizzati

11 Risultati Ottenuti MisuraSpessore kaptonrange 180 µm49 ± 2,5 µm 280 µm46 ± 2,5 µm 350 µm75 ± 2,9 µm

12 Confronto tra Misure e Simulazioni misure di range confrontate con i range proposti da SRIM 2011 SRIM: Stopping and Range of Ions in Matter permette di calcolare landamento delle traiettorie degli ioni nella materia SRIM 2011 è basato su un metodo di calcolo Montecarlo, nellapprossimazione della collisione binaria

13 Confronto tra Misure e Simulazioni MisuraSimulazione 49 ± 2,5 µm45 µm 46 ± 2,5 µm45 µm 75 ± 2,9 µm79 µm

14 Il Picco di Bragg 13 strati di film gafcromico in pila irraggiati per 30 s da protoni a 7 MeV

15 Ottimizzazione della Linea di Trasporto a Valle dellIniettore Linea di trasporto per lirraggiamento con fascio orizzontale Ottimizzazione eseguita con un programma di simulazione di dinamica del fascio: TRACE3D ottimizzazione Ricerca dei valori di gradiente magnetico dei quadrupoli PER Ottenere determinate dimensioni del fascio nel punto di irraggiamento

16 Ottimizzazione della Linea di Trasporto a Valle dellIniettore Linea di trasporto per irraggiamento con fascio verticale Magnete di deflessione produce un aumento di emittanza del fascio nel piano in cui il fascio curva Problemi a focalizzare il fascio nel piano verticale

17 Misure Preliminari di Dose Stima della dose rilasciata dal fascio di protoni Carica accumulata Dose assorbita Capsula di Petri Range in acqua

18 Dose Assorbita e Carica Accumulata Intervallo di dose per esperimenti di radiobiologia Calibrazione del fascio

19 Analisi Dosimetrica Rappresenta la verifica della dose realmente depositata dal fascio di protoni. Test preliminari condotti utilizzando il rilevatore a tracce nucleari CR39: -Si irraggia il rivelatore: traccia latente -Etching: la traccia latente viene resa visibile al microscopio ottico Numero di particelle dN incidenti sulla superficie dS

20 Irraggiamento dei Rivelatori Irraggiati 2 rivelatori CR39 1) 20 impulsi di protoni, corrispondenti ad una carica accumulata pari a 4 pC 2) 50 impulsi di protoni, corrispondenti ad una carica accumulata pari a 10 pC Frequenza di ripetizione50 Hz Durata dellimpulso21 μs Tensione di estrazione26,7 kV Tensione darco169 V 0,2 pC per impulso Condizioni di irraggiamento

21 Conclusioni… Il lavoro di tesi svolto nei laboratori dellENEA di Frascati ha permesso di: Determinare le carateristiche del fascio alluscita delliniettore Misure di emittanza e parametri di Twiss Misure di range e picco di Bragg Ottimizzare un sistema di rilascio della dose per lirraggiamento dei campioni cellulari Avviare lottimizzazione del setup sperimentale in accordo con i requisiti richiesti dagli esperimenti di radiobiologia in termini di dose (0,1 Gy - 6 Gy) e uniformità di irraggiamento

22 … e Sviluppi Futuri 1 ) Le condizioni sperimentali per le quali si riesce ad inviare una dose contenuta nellintervallo richiesto 2) Una relazione di proporzionalità lineare tra numero di impulsi inviati e dose assorbita Irraggiamento campioni biologici e analisi radiobiologiche Lanalisi dosimetrica permetterà di ricavare


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