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Facoltà di Ingegneria Corso di Laurea in Ingegneria Biomedica Ottimizzazione di una facility di irraggiamento sperimentale con protoni CorrelatoreRelatore.

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Presentazione sul tema: "Facoltà di Ingegneria Corso di Laurea in Ingegneria Biomedica Ottimizzazione di una facility di irraggiamento sperimentale con protoni CorrelatoreRelatore."— Transcript della presentazione:

1 Facoltà di Ingegneria Corso di Laurea in Ingegneria Biomedica Ottimizzazione di una facility di irraggiamento sperimentale con protoni CorrelatoreRelatore Dott.ssa Concetta Ronsivalle (ENEA)Prof. Vincenzo Patera Dott. Andrea Mostacci Candidato Fabrizio Ambrosini Anno Accademico

2 Obiettivo finale: realizzazione di un centro per protonterapia a Roma (IFO) basato su un acceleratore lineare da 230 MeV Vantaggi rispetto alle tecniche tradizionali: - Rilascio di dose in corrispondenza del Picco di Bragg - Maggiore efficacia biologica della radiazione (RBE) Picco di Bragg Assenza di irradiazione Trattati pazienti (2011) Il Progetto TOP-IMPLART Differenza tra IMRT e IMPT 7 campi con IMRT2 campi con IMPT Confronto tra IMRT e IMPT Migliore efficacia del trattamento protonterapico

3 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 ENEA - Frascati 150 MeV 150 MeV + Beam Delivery Il Progetto TOP-IMPLART Stanziati 11 milioni di euro in 3 anni

4 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 IFO - Roma 230 MeV 230 MeV + Beam Delivery Tumori testa-colloTumori profondi 230 MeV150 MeV 52 m 16.5 m Layout definitivo presso l IFO di Roma Il Progetto TOP-IMPLART

5 Layout attuale A) Sorgente B) RFQ C) DTL D) Alimentazione a RF D A B C Iniettore: lAccsys-Hitachi PL-7 Evoluzione del fascio nelliniettore

6 Layout attuale Uscita linea verticale Q 1 Q 2 Magnete 90° Uscita linea orizzontale Q 3 Q 4 LEBT Traiettoria del fascio di protoni allinterno della LEBT Necessità di impiegare in sequenza un magnete focheggiante in un piano ed uno focheggiante nel piano opposto.

7 Radiobiologia a bassa energia Verticale: fino a 7 MeV (0.6mm) Orizzontale: 17.5 MeV (3mm)Piccoli animali Cellule Fascio verticale Strato di cellule sottostanti Strato di cellule sovrastante Terreno di coltura 1 2 Studi su cellule flottanti nel terreno di coltura (Linfociti) Studi relativi agli effetti indiretti 7 MeV 17.5 MeV Standardizzare protocolli di trattamento Valutare lefficacia terapeutica dei trattamenti Leffetto 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.

8 Obiettivo del Lavoro Ottimizzazione dei parametri delliniettore e degli elementi che compongono la linea di trasporto verticale e orizzontale ai fini della sperimentazione radiobiologica 3) Messa a punto di un sistema di caratterizzazione dei PMQ relativi al primo modulo SCDTL (7÷11.6 MeV). 1) Calcoli numerici del trasporto del fascio orizzontale, verticale e test sperimentali 2) Irraggiamenti: Dosimetri CR-39 (ISS) Rivelatori a film di LiF (UTAPRAD-MNF) Dosimetria preliminare allirraggiamento delle V79 Indagine delle potenzialità dei rivelatori a Film di LiF per fasci di protoni a bassa energia

9 Calcoli numerici sul trasporto del fascio TRACE3D: Drift Magnete Quadrupoli

10 Fascio nature Prima coppia di quadrupoli: Calcoli numerici sul trasporto del fascio orizzontale Da 6.5 mm (R campioni biologici ) a 2.4 mm (R x =R y ) Flangia di uscita delliniettore … i valori dei gradienti dei quadrupoli corrispondenti alle dimensioni richieste in uscita per la spot di forma circolare:

11 I quattro quadrupoli: Calcoli numerici sul trasporto del fascio orizzontale Da 6.5 mm (R campioni biologici ) a 0.98 mm(R x =R y ) Pretendendo dimensioni minori per la spot circolare… Maggior controllo del fascio Flangia di uscita delliniettore

12 Calcoli numerici sul trasporto del fascio verticale La dispersione non compensata del magnete di deflessione verticale limita la possibilità di focalizzazione nel piano verticale Minima dimensione in y: R y = 26.6mm R x = 1.5mm Il magnete di deflessione verticale focalizza nel piano orizzontale Minima dimensione in x: R y = 34.7mm R x = 1mm Flangia di uscita delliniettore

13 Test sperimentali Prima coppia di quadrupoli: Segnale da linea orizzontale Segnale da linea verticale 1) Ottimizzazione del trasporto lungo la linea verticale: Segnale di tensione proporzionale alla corrente letta con una bandierina. Q 1 Q 2 Magnete 90° Coincidenza tra i due segnali Uscita linea verticale Uscita linea orizzontale

14 Test sperimentali Linea orizzontale completa: quattro quadrupoli Q 1 Q 2 Q 3 Q 4 Spot del fascio vista dalla telecamera Videocamera Finestra terminale Targhetta Fluorescente 2) Minime dimensioni spot circolare linea orizzontale: Valori dei quadrupoli corrispondenti alle minime dimensioni sperimentalmente ottenute per la spot circolare:

15 Q 1 Q 2 Q 3 Q 4 Faraday Cup Permetterà di variare impulso per impulso la corrente fornita in uscita dalliniettore e quindi la dose rilasciata nel target Test sperimentali Linea orizzontale completa: quattro quadrupoli 3) Caratterizzazione preliminare della lente elettrostatica

16 Irraggiamenti sui CR-39 … misure dosimetriche preliminari alla radiobiologia (10 5, 10 6 protoni ): Stopping and Range of Ions in Matter Area= cm 2 Dosimetri a tracce nucleari Capsula PetriTraccia latente Diametro=13mm Spessore=1.5mm

17 Irraggiamenti sui CR-39 Necessità di ridurre la densità di tracce 20 impulsi 10 impulsi5 impulsi Sovrapposizioni delle tracce Tracce di grosso diametro 20 impulsi10 impulsi5 impulsi Rivelatori leggibili (5-10 impulsi) Proporzionalità (n°impulsi - dose) Fascio più pulito Uniformità: U(x)=60% e U(y)=80%

18 Irraggiamenti sui rivelatori di LiF Centri colore (CC): Difetti del reticolo cristallino costituiti da vacanze anioniche, singole o aggregate, occupate da uno o più elettroni. F 2 ed F 3 + luminescono nel rosso (670nm) e nel verde (530 nm) … studio delle potenzialità dei rivelatori a film di LiF con fasci di protoni alle basse energie: imaging e dosimetria Lettura con microscopio in fluorescenza: la CCD acquisisce limmagine degli spot irraggiati nel range verde-rosso

19 Irraggiamenti sui rivelatori di LiF Prima sessione (Q 1 e Q 2 e collimatore): 1300 distribuzione trasversa del fascio,, SRIM linearità

20 Irraggiamenti sui rivelatori di LiF Seconda sessione: (Q 1 ; Q 2 ; Q 3 ; Q 4 e collimatore): studio in un ampio range di carica (5÷ nC÷7.42μC ) Immagini delle spot: aumento della concentrazione dei centri F 2 al crescere del numero di impulsi Segnale medio fotoluminescenza: Cristallo (1mm) Film (1 μm) Optical spectroscopy and imaging of colour centres in lithium fluoride crystals and thin films irradiated by 3 MeV proton beams M. Piccinini ENEA, C.R. Frascati, UCSTUDI, Via E. Fermi 45, Frascati (Rome) Italy F. Ambrosini, A. Ampollini, M. Carpanese, L. Picardi, C. Ronsivalle, F. Bonfigli, M.A. Vincenti and R.M. Montereali ENEA, C.R. Frascati, UTAPRAD, Via E. Fermi 45, Frascati (Rome) Italy

21 Conclusioni … Realizzazione di una linea per fascio verticale per uniformità e controllo del fascio per lirraggiamento di cellule di tipo V79 (SSSM). Possibilità di impiego dei rivelatori a film di LiF per dosimetria con fasci di protoni Trasporto del fascio di protoni da 7 MeV allinterno della linea FODO-like a PMQ. - Spessore e substrato dei film di LiF. - Linearità estraendo le immagini relative ai singoli canali. … sviluppi futuri Trace3D e test sperimentali: Impiego della lente unipolare Irraggiamento CR-39: Sistema lettura per basse cariche Ottimizzazione dei parametri (macchina e del trasporto del fascio) Lettura fascio verticale (5-10 impulsi): Q per impulso =1,65·10 -2 pC Irraggiamento LiF: PMQs: Studio della linearità (5÷ nC÷7.42μC ) Imaging trasversa del fascio matching tra luscita delliniettore e la linea con i PMQ Misura delle componenti armoniche dei PMQs Ad es. per leggere basse cariche: incrementare lo spessore del film e usi un substrato di Si

22 Grazie per lattenzione Fabrizio Ambrosini

23 3cm 7mm Layout attuale PMQ Struttura in fase di realizzazione SCDTL PMQ: necessari per la focalizzazione del fascio

24 Caratterizzazione magnetica dei PMQ Misura del gradiente e delle componenti armoniche FFT

25 Matching con linea tipo FODO lattice a quadrupoli a magneti permanenti (PMQ) Ricerca dei valori di gradiente magnetico dei quadrupoli 1°PMQ foc. orizzontale (+) y Bmax = mm Ottenere il ladattamento tra caratteristiche del fascio in uscita dalliniettore e la linea FODO PER Ottimizzazione con TRACE3D: y Amax = mm OrizzontaleLongitudinaleVerticale 1°PMQ foc. verticale (-)

26 Irraggiamenti sui CR-39 Sistema di misura del fascio in regime di bassa carica Il valore della carica accumulata per il numero di impulsi selezionati Bandierina Interruttore I Target

27 Impianto di evaporazione termica per film di fluoruro di litio, GP20 SISTEC- Angelantoni. Irraggiamenti sui rivelatori di LiF 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). 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. 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).


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