Simulazione con Geant4 di un prototipo per la fotoconversione neutronica a partire da elettroni da 25 MeV da acceleratore ospedaliero e successiva moderazione, per BNCT (Boron Neutron Capture Therapy) nell’ambito del progetto PhoNeS (Photon Neutron Source) Davide Fontanarosa Torino, 18 aprile 2005

Che cos’è ? È un toolkit per la simulazione dell’interazione delle particelle con la materia È un esperimento di produzione, distribuzione e gestione software, con una Collaborazione Internazionale e la partecipazione di vari esperimenti, laboratori e istituti È stato creato utilizzando una programmazione rigorosa e tecnologie Object Oriented, implementate nel flessibile linguaggio C++

Chi sono gli utenti di ? HEP and accelerator physics La flessibilità di Geant4 e la disponibilità di molti modelli fisici lo rendono uno strumento largamente usato in campi tra loro estremamente differenti ATLAS BaBar HEP and accelerator physics Borexino Astroparticle and underground physics ZEPLIN III Astrophysics and g ray astronomy GLAST  F.Longo talk Titanium shell (50 µm) Silver core (250 µm) 4.5 mm Medical physics http://geant4.web.cern.ch/geant4/urd

Tutti i dettagli sulla testata all’indirizzo: http://www. ts. infn Simulazione della testata dell’acceleratore di elettroni “VARIAN 2100C” Collimatore primario. Materiale: Piombo. Fascio di elettroni da 15 MeV di 1 mm di diametro Target. Materiale: Tungsteno. La testa dell’acceleratore Varian 2100C è composta da un collimatore primario etc. Il fascio di elettroni ha un diametro di 1 mm. Grossi problemi nella determinazione dei materiali per il segreto industriale, quindiho costruito le varie parti con l’obiettivo di ottenere un campo di fotoni all’isocentro con una distribuzione spaziale piatta e una distribuzione energetica che possibilmente non avesse troppi fotoni alle basse energie. Hardening filter. Materiale: Piombo Flattening filter. Materiale: Acciaio Collimatori secondari (“JAWS”). Materiale: Tungsteno.

Simulazione fantoccio Laplaciano A questo punto ho riprodotto lamisura effettuata presso l’Ospedale Maggiore con il fantoccio laplaciano e il confronto sembra ben riproporre l’andamento. Misure Ospedale Maggiore

Simulazione Geant4 Varian 2100C – 15 MeV Confronto con la letteratura “In-phantom dosimetry and spectrometry of photoneutrons from an 18 MV linear accelerator”, d’Errico et al., 1997 Simulazione Geant4 Varian 2100C – 15 MeV A C B D A/B = 3.46 C/D = 3.30

Il fotoconvertitore - moderatore Testata: acceleratore Varian 2100C Il fotoconvertitore - moderatore Le componenti Raffreddamento D2O Nucleo in W

Le componenti 2 Schermatura nucleo in Pb Moderazione in D2O in C Moderazione in D2O vicino al paziente – belt in C – cavità paziente coibentata con 1 mm Pb

Il PERCORSO: alcune delle configurazioni intermedie Simulazioni compiute con 106 eventi Più D2O, più Pb, paziente allontanato, buchi diametro maggiore Simulazioni compiute con 107 eventi Il percorso completo è disponibile all’indirizzo: http://www.ts.infn.it/experiments/bnct/INFN/PhoNeS_History.ppt

Lo spettro della configurazione definitiva Totale: 9110 Termici: 91% (8290) Epitermici: 7.6% (693) Fast: 1.4% (127)

Lo spettro della configurazione definitiva: errori L’errore è calcolato come sqrt(N)

Dimensioni dell’apparato Schermatura lato paziente Paziente avvicinato Schermatura anteriore Belt ridotta 3 cm 9 cm 130 cm 35 cm 55 cm 60 cm 130 cm 3*10^-6 n/e-/cm^2 considerando solo la superficie anteriore della cavità. Conisderando l’intera cavità: provare a fare i conti! Buchi diametro 10 cm 99 cm

La configurazione è ottimizzata? Muro anteriore D2O INTERA belt D2O Cavità paziente traguardata

La radioprotezione Schermi alternati di Litio, Piombo e Boro Immersione totale del nucleo in D2O, circondato completamente con Pb a sua volta circondato da C

La radioprotezione:i fotoni Senza schermature Schermatura anteriore Schermatura anteriore e lato paziente aumentata Schermatura anteriore e lato paziente

La radioprotezione:i neutroni Senza schermature Schermatura anteriore Schermatura anteriore e lato paziente aumentata

Produzione di fotoni all’interno del tessuto umano Picco 2 MeV cattura H

L’apparato: il peso Nucleo W: 3.2 Kg Raffreddamento D2O: 2.92 Kg Schermatura nucleo Pb: 331.42 Kg Moderatore C: 718.68 Kg Moderazione interna D2O: 9.23 Kg Schermo Pb lato paziente: 177.99 Kg Schermi anteriori: Backshield 963.8 Kg Shield n(B) 156.25 Kg Shield fotoni 192.76 Kg Shield n fast(Li) 36.28 Kg Schermi laterali: Shield n(B) 20.21 Kg Shield fotoni 306.29 Kg Shield n fast(Li) 4.73 Kg Schermi lato paziente: 129.07 Kg Belt: 626.29 Kg Moderazione nella belt D2O: 17.4 Kg Coibentazione Pb paziente: 12.11 Kg Totale: 3708.6 Kg Si possono ridurre ulteriormente?

PhoNeS RR (“redux rebuilt”) PhoNeS redux rebuilt

PhoNeS RR: il peso Nucleo W: 0.5 Kg Raffreddamento D2O: 0.09 Kg Schermatura nucleo Pb: 59.42 Kg Schermatura nucleo Pb esterna: 109 Kg Moderatore C: laterale 143.5 Kg centrale ca. 10 Kg Moderazione interna D2O: 9 Kg Schermo Pb lato paziente: 25.9 Kg Schermo Pb anteriore: 103.4 Kg Belt: 233.67 Kg Moderazione nella belt D2O: 35.52 Kg Coibentazione Pb paziente: 12.11 Kg Totale: 742.11 Kg

Simulazioni compiute con 107 eventi PhoNeS RR: gli spettri PhoNeS redux rebuilt Simulazioni compiute con 107 eventi

PhoNeS RR: neutroni “recuperati” con il moderatore PhoNeS redux rebuilt: i neutroni recuperati con il moderatore! Simulazioni compiute con 107 eventi

Conclusioni Le simulazioni della testata hanno confermato l’affidabilità di Geant4 nel confronto con le misure e, soprattutto, con la letteratura. Inoltre sembrano suggerire un notevole vantaggio nell’utilizzo di elettroni diretti Nella prima configurazione del fotoconvertitore–moderatore la distribuzione dei neutroni è molto promettente La moderazione in D2O è stata ottimizzata: un ulteriore aumento della sua presenza non migliora la distribuzione dei neutroni in maniera sensibile La distribuzione dei fotoni, con la riduzione della zona a bassa energia grazie alla coibentazione della cavità con 1 mm di Pb, sembra essere accettabile, considerando il basso assorbimento e la produzione all’interno del tessuto umano Il prezzo da pagare per la riduzione del peso è la perdita di una considerevole quantità di neutroni. Una possibile soluzione potrebbe essere la costruzione di un apparato modulare, in cui ognuna delle parti possa essere spostata indipendentemente In termini di mass budget conviene usare l’acqua pesante (1.11 g/cm^3) al posto del carbonio (2.26 g/cm^3) ma non in termini economici Una valutazione dell’impatto economico è in corso