NADIR biologically relevant NAnoDosimetry of Ionizing Radiation Unità di ricerca: INFN – LNL Sezione INFN di Milano INFN – LNS Sezione INFN di Padova – Dtz TIFPA Trento Responsabile Nazionale: Valeria Conte, Laboratori Nazionali di Legnaro, INFN.

EURADOS - Rank 1 : To quantify correlations between track structure and radiation damage SRA, Priority descriptions, 7 September 2015 …reference European infrastructure is needed for the calibration of new quantities using nanodosemeters. For medical applications or radiation protection, this approach must result in new measurable quantities … that will link the initial track structure description at nanometric scale with a given biological outcome. Primary radiation-induced biological effects, which will determine the outcome at the cellular and tissue scale, originate from …the track structure.

NANODOSIMETRIA EURADOS - Rank 1 :To quantify correlations between track structure and radiation damage SRA, Priority descriptions, 7 September 2015 Modello concettuale e sperimentale F1F1 F2F2 F3F3 F5F5

2015 APPARATI SPERIMENTALI per misure di struttura di traccia a livello del nm.

P ( d = 0 mm) Jet Counter Startrack Counter Ion Counter MITRA E BIOQUART ICSD misurate con i tre diversi rivelatori

FUNZIONI DI DISTRIBUZIONE CUMULATIVE

Sezioni d’urto di inattivazione di cellule V79 Cells irradiate da protoni e ioni carbonio  5% /  m 2 GSI PIDE-Project T. Friedrich, et al. J Radiat Res, 54 (3), pp (2013)   /  m 2

 5% /  m 2 M 1 (D = 1 nm) F2F2 F3F3  α /  m 2 La grandezza nanodosimerica F k (calibrata sui dati radiobiologici) si sovrappone quasi perfettamente alle sezioni d’urto d’inattivazione, espresse in funzione di M 1. Target volume D  1.5 nm in water Target volume D  1 nm in water Basso livello di sopravvivenza – alte dosi Alto livello di sopravvivenza – basse dosi Simulazioni MC per stimare M 1 Sezioni d’urto di inattivazione di cellule V79 Cells irradiate da protoni e ioni carbonio

Radiation effects of Protons and C-ions CHO-xrs5 F 2 x60 V79-cells F 3 x50 V79-cells F1F1 F2F2 F3F3 F5F5 F 1 x160 RADIOSENSIBILI RADIORESISTENTI

F 1, F 2, F 3,... sono Predittori affidabili degli effetti delle radiazioni?

Sono quantità misurabili e descrivono la natura stocastica della struttura di traccia. Mostrano una forte correlazione con sezioni d’urto radiobiologiche. F 1, F 2, F 3,...

Background: MITRA e BIOQUART nuova metrologia biologicamente rilevante della radiazione ionizzante basata su grandezze nanodosimetriche 1.Una infrastruttura per calibrare F 1, F 2, F 3, … sulle osservabili radiobiologiche. 2.Rivelatori nanodosimetrici portatili di uso pratico. Cosa manca?

OBIETTIVI NADIR PROGETTO PILOTA DI 2 ANNI Infrastruttura di calibrazione ai Laboratori Nazionali del Sud Piano di Progetto + costruzione rivelatori e supporti 82 MeV/u Sviluppo di rivelatori portatili di facile uso per l’utilizzo in radioterapia e radioprotezione. EURADOS - Rank 1 :To quantify correlations between track structure and radiation damage SRA, Priority descriptions, 7 September 2015

EURADOS - Rank 1 :To quantify correlations between track structure and radiation damage new measurable quantities infrastructure is needed for the calibration new measurable quantities Portable easy-to-use detectors for field use RIVELATORI DI CALIBRAZIONERIVELATORI PORTATILI SRA, Priority descriptions, 7 September 2015 OBIETTIVI NADIR

EURADOS - Rank 1 :To quantify correlations between track structure and radiation damage RIVELATORI A GAS NANOTECNOLOGIE RIVELATORI PORTATILI SRA, Priority descriptions, 7 September 2015 OBIETTIVI NADIR WP1 + WP3 WP2 + WP3 WP4 RIVELATORI DI CALIBRAZIONE

F 1 x160 Collaborazioni esterne Esperimento ETHICS del GrV dell’INFN Sarà implementata, laddove possibile, una forte collaborazione con l’esperimento ETHICS, nell'ottica di correlare dati di sopravvivenza cellulare ivi disponibili con le misure fisiche al nanometro effettuate in NADIR e nel precedente esperimento MITRA. Esperimento MC-INFN del GrV dell’INFN Sviluppo di simulazioni Monte Carlo con il toolkit Geant4 e le librerie Geant4-DNA per la modellizzazione della interazione degli ioni con le strutture del DNA cellulare e dei conseguenti effetti. BIOREMI - SRTH21 Biologically relevant metrology of ionising radiation Il progetto BIOREMI è stato presentato alla EMPIR call 2015 – Health di EURAMET, ha superato la prima fase della selezione ed è attualmente in fase 2. L’obiettivo di BIOREMI è gettare le fondamenta per lo sviluppo di una metrologia per la radiobiologia basata sul pattern micro- e nanoscopico dell’interazione della radiazione. AIT - Austrian Institute of Technology, Vienna, Austria L’Austria Institute of Technology collabora con NADIR su due aspetti: da un lato con simulazioni Fluka per le misure con il TEPC al nanometro, dall’altro sul fronte sperimentale con lo sviluppo di rivelatori di singolo fotone, da utilizzarsi per la rivelazione del segnale prodotto da nanodosimetri portatili basati su utilizzo di quantum dots. PTB «Ionising Radiation Division» Il PTB collabora al consolidamento dei risultati di nanodosimetria, misurando le cluster ionizaztion distribution in siti nanometrici con la tecnica del conteggio degli ioni positivi. Il confronto tra i risultati a 1 nm misurati con STARTRACK e con l’Ion-Counter permetterà di stimare meglio le incertezze sistematiche dei dati sperimentali. UNIVERSITA’ di Wollongong L’Università di Wollongong collabora con NADIR per le simulazioni Monte Carlo tramite il codice Geant4-DNA.

F 1 x160 Collaborazioni esterne Esperimento ETHICS del GrV dell’INFN Sarà implementata, laddove possibile, una forte collaborazione con l’esperimento ETHICS, nell'ottica di correlare dati di sopravvivenza cellulare ivi disponibili con le misure fisiche al nanometro effettuate in NADIR e nel precedente esperimento MITRA. Esperimento MC-INFN del GrV dell’INFN Sviluppo di simulazioni Monte Carlo con il toolkit Geant4 e le librerie Geant4-DNA per la modellizzazione della interazione degli ioni con le strutture del DNA cellulare e dei conseguenti effetti. BIOREMI - SRTH21 Biologically relevant metrology of ionising radiation Il progetto BIOREMI è stato presentato alla EMPIR call 2015 – Health di EURAMET, ha superato la prima fase della selezione ed è attualmente in fase 2. L’obiettivo di BIOREMI è gettare le fondamenta per lo sviluppo di una metrologia per la radiobiologia basata sul pattern micro- e nanoscopico dell’interazione della radiazione. AIT - Austrian Institute of Technology, Vienna, Austria L’Austria Institute of Technology collabora con NADIR su due aspetti: da un lato con simulazioni Fluka per le misure con il TEPC al nanometro, dall’altro sul fronte sperimentale con lo sviluppo di rivelatori di singolo fotone, da utilizzarsi per la rivelazione del segnale prodotto da nanodosimetri portatili basati su utilizzo di quantum dots. PTB «Ionising Radiation Division» Il PTB collabora al consolidamento dei risultati di nanodosimetria, misurando le cluster ionizaztion distribution in siti nanometrici con la tecnica del conteggio degli ioni positivi. Il confronto tra i risultati a 1 nm misurati con STARTRACK e con l’Ion-Counter permetterà di stimare meglio le incertezze sistematiche dei dati sperimentali. UNIVERSITA’ di Wollongong L’Università di Wollongong collabora con NADIR per le simulazioni Monte Carlo tramite il codice Geant4-DNA.

Sezioni partecipantiFTERicercatori + Tecnologi FTE/Ricercatori LNL V. Conte (100%) LNS G. Cirrone (30%) TIFPA A. Quaranta (100%) MILANO S. Agosteo (60%) PADOVA.DTZ C. Sada (40%) 0.41 TOTALE

strutturaMiss.Cons.Inv.ApparatiSp ServTOTALE SJ LNL LNS MI PD.DTZ TIFPA TOTALE RICHIESTE FINANZIARIE 2016

AnnomissioniconsumoinventarioapparatiSp serviziTOTALE TOTALE PIANO FINANZIARIO GLOBALE For medical applications or radiation protection, this approach must result in new measurable quantities common to different radiation qualities that will link the initial track structure description at nanometric scale with a given biological outcome, independent of other biological parameters. EURADOS - Priority Descriptions 7 September 2015

OBIETTIVI NADIR PROGETTO PILOTA DI 2 ANNI Progetto di un nuovo apparato di misura (nanodosimetria+radiobiologia) e costruzione rivelatori da installare ai Laboratori Nazionali del Sud, per la calibrazione radiobiologica delle grandezze nanodosimetriche. 82 MeV/u Sviluppo di rivelatori portatili di facile uso per l’utilizzo in radioterapia e radioprotezione. EURADOS - Rank 1 :To quantify correlations between track structure and radiation damage SRA, Priority descriptions, 7 September 2015

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DETTAGLIO RICHIESTE FINANZIARIE per sezione

CAPITOLODESCRIZIONERICHIESTASJ MISSIONI 2 turni di misura ai Laboratori Nazionali del Sud (2 persone, turni di 3 giorni) 2 riunioni di coordinamento del responsabile nazionale, contatti scientifici con gli enti esterni (AIT) CONSUMO Gas di misura, Memorie di massa, componentistica per manutenzione apparato Materiale di consumo per costruzione nuova Multi Step Avalanche Chamber Materiale di consumo per le necessarie modifiche da apportare a STARTRACK per l'installazione dei nuovi rivelatori (supporti e flange con connettori) INVENTARIO Moduli per nuovo sistema completo di flusso della camera di misura di laboratorio 14.5 SERVIZI Costruzione nuova MSAC Lavorazione supporti e flange STARTRACK per nuovo rivelatore di trigger e per nuovo TEPC 3333 TOTALE 33.5 LNL

CAPITOLODESCRIZIONERICHIESTASJ MISSIONI Riunioni di Collaborazione e attività sperimentale presso LNL 4.0 CONSUMO Materiali di consumo necessari per la dosimetria dei fasci di ioni: film radiochromici e PMMA per il posizionamento dei rivelatori. Bombole di propano per il riempimento dei rivelatori APPARATI Spese per la realizzazione del set-up sperimentale presso la linea multidisciplinare dei LNS (matrice di PMMA per il posizionamento dei rivelatori, adattamenti meccanici dei supporti della linea). Sviluppo di un sistema di posizionamento e allineamento meccanico dei rivelatori di microdosimetria e nanodosimetria da realizzare con una precisione meccanica dell'ordine dei 200 micron. S.J. alla presentazione del progetto finale che verrà presentato entro il Giugno TOTALE LNS

CAPITOLODESCRIZIONERICHIESTASJ MISSIONI Turni di misura a LNL. Due turni a LNS (protoni e alfa) per consolidamento dati TEPC a confinamento di valanga (due persone, noleggio furgone, traghetto) CONSUMO Componenti per test elettronica nanodosimetro, trigger nanodosimetro e TEPC a confinamento di valanga, gas DME per TEPC a confinamento di valanga SP SERVIZI Costruzione anodo, griglia e supporto per prototipo TEPC wall-less a confinamento di valanga. Bonding rivelatori a telescopio per trigger nanodosimetro e officina per prototipi. 4.0 TOTALE 25.0 MILANO Costruzione di: elettronica rivelatore di trigger 2D basato su microdosimetro al silicio TEPC a confinamento di valaga

CAPITOLODESCRIZIONERICHIESTASJ MISSIONI Trasferte ai Laboratori Nazionali di Legnaro per turni di misura. 1.0 CONSUMO Prodotti per la produzione di quantum dots. chemicals, target di metalli per effettuare sputtering, miscele di gas per i post trattamenti e promuovere formazioni di nanostrutture 7.0 SP SERVIZI Caratterizzazione campioni mediante attrezzature esterne al dipartimento (ad esempio SEM). 2.0 TOTALE 10.0 PD.DTZ

CAPITOLODESCRIZIONERICHIESTASJ MISSIONI Missioni presso LNS, LNL per turni di misura. Missioni a Milano e le sedi esterne in collaborazione. 4.0 CONSUMO Materiale per la costruzione dell'apparato per le misure ottiche on- line su STARTRACK (LNL). Fibre ottiche, filtri ottici, reagenti per quantum dots, quantum dots commerciali. 6.0 TOTALE 10.0 TIFPA

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DETTAGLIO working packages

WP1 LNL: V. CONTE NUOVI RIVELATORI PER MISURE DI STRUTTURA DI TRACCIA MISURE DI CALIBRAZIONE DEL TARGET WP2 MI: S. AGOSTEO AC-TEPC AL NANOMETRO PER STARTRACK TEST CON AC-TEPC ESISTENTE SU FASCI DI IONI CARBONIO a LNS WP3 MI: ALBERTO FAZZI ELETTRONICA PER NUOVI RIVELATORI WP4 TIFPA: A. QUARANTA STUDI DI FATTIBILITA’ PER NANODOSIMETRI PORTATILI BASATI SU QUANTUM DOTS 4 Working Packages REFERENCE INFRASTRUCTURESRIVELATORI PORTATILI

Strutture coinvolte: Coordinamento: LNL, LNS, Milano, PadovaValeria Conte (LNL) WP1 Nanodosimetria – rivelatori di riferimento CALIBRAZIONE DEL VOLUME SENSIBILE SU DATI DI LETTERATURA COSTRUZIONE NUOVI RIVELATORI NANODOSIMETRO DI TRACCIA + TRIGGER 2D PROGETTAZIONE DELLE INFRASTRUTTURE

Strutture coinvolte: Coordinamento: Milano, LNLStefano Agosteo (Mi) WP2 AC-TEPC al nanometro

Strutture coinvolte: Coordinamento: TIFPAAlberto Quaranta (TIFPA) WP4 rivelatori nanostrutturati – studio di fattibilità Progettazione di un sistema ottico per l’analisi in linea della fluorescenza di sospensioni di Quantum Dots sottoposti ad irraggiamento ionico. Analisi della fluorescenza in funzione della dose di irraggiamento. Studio con metodi Monte Carlo (TRAX) della struttura di traccia e della probabilità di interazione fra i cluster di ionizzazione e i QDs in dispersione.

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DETTAGLIO PIANO DI LAVORO

WP1 Misure della struttura di traccia a 1 nm per protoni a 28 MeV. Misure della struttura di traccia a 1 nm per ioni carbonio a 150 MeV. Costruzione nuova MSAC per rivelazione singolo elettrone. Progetto di un banco ottico autolivellante per allineamento del nanodosimetro alla linea di fascio WP2 Progetto di un TEPC a confinamento di valanga da inserire in STRATRACK. Costruzione dei supporti meccanici. Misure presso LNL e LNS con il TEPC a confinamento di valanga esistente. WP3 Progettazione e test su scheda di prova dell’elettronica per il nuovo nanodosimetro Progettazione e test su scheda di prova dell’elettronica per il nuovo TEPC WP4 Progettazione di un sistema ottico per l’analisi in linea della fluorescenza di sospensioni di QDs sottoposti ad irraggiamento ionico. Costruzione e caratterizzazione campioni contenenti diverse dispersioni di QDs. Studio con metodi Monte Carlo (programma TRAX) della struttura della traccia di ioni e della probabilità di interazione fra i cluster di ionizzazione e i quantum dots dispersi nelle diverse matrici. PIANO DI LAVORO 2016

WP1 Costruzione e test nuovo rivelatore di singoli elettroni (volume sensibile + drift chamber). Costruzione e test del rivelatore di trigger 2D. Costruzione e test di un piano autolivellante per l’allineamento del nanodosimetro alla linea di fascio. Piano di progetto della nuova infrastruttura. WP2 Costruzione di un AC-TEPC e installazione nell’apparato STARTRACK-LNL. Misure di test presso l’acceleratore Tandem-Alpi dei LNL. Misure con l’apparato Startrack con fasci monoenergetici di 9 B e 14 N. WP3 Costruzione del prototipo dell’elettronica del nuovo nanodosimetro. Realizzazione dell’elettronica del nuovo AC-TEPC. Misure di test presso l’acceleratore Tandem-Alpi dei LNL. Progettazione sistema di collimazione elettronica. WP4 Test di luminescenza su dispersioni di QDs inorganici ed organici sottoposti ad irraggiamento ionico. Analisi della fluorescenza di diverse dispersioni di QDs in funzione della dose di irraggiamento. Prime analisi delle correlazioni fra i risultati ottici e la struttura delle tracce in base alle analisi con metodi Monte Carlo (programma TRAX). PIANO DI LAVORO 2017

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P ( d = 0 mm) M 1 = 0.21 M 1 = 9.3 M 1 = 11.2 d = 0 mm ICSD measured with the three different devices ICSD misurate con i tre diversi strumenti

Radiation effects of Protons and C-ions on V79-cells Sezioni d’urto radiobiologiche iniziali   per cellule V79 in funzione del LET (a sinistra) e in funzione della grandezza nanodosimetrica F 3 (a destra). Le sezioni d’urto   differiscono da F 3 solo per un fattore costante.