Pisa, 25 Settembre ° Congresso Nazionale SIF Pisa, Settembre 2014 Primi test su rivelatore a gas a micro pattern per applicazioni in protonterapia Ampollini A. 3, Basile E. 1, Carloni A. 1, Carpanese M. 3,Castelluccio D.M. 2, Cisbani E. 1, Colilli S. 1, De Angelis G. 1, Frullani S. 1, Ghio F. 1, Giuliani F. 1, Gricia M. 1, Lucentini M. 1, Notaro C. 1, Picardi L. 3, Santavenere F. 1, Spurio A. 1,Vacca G. 1, Vadrucci M. 3 (1) Istituto Superiore di Sanità (ISS) - Roma -Dipartimento Tecnologie e Salute (2) ENEA - Istituto di Radioprotezione - Monte Cuccolino - Bologna (3) ENEA - Unità Tecnica Sviluppo di Applicazioni delle Radiazioni - Frascati Progetto finanziato da FILAS-Regione Lazio 1

Pisa, 25 Settembre 2014 Slide su adron terapia Picco di Brag (magari fai vedere lo sviluppo bidimensionale) e precisa che il picco diventa sharp quando si sommano piu’ particelle

Pisa, 25 Settembre 2014 Proton terapia con LINAC: il progetto TOP-IMPLART TOP-IMPLART (Terapia Oncologica con Protoni - Intensity Modulated Proton Linear Accelerator for Therapy): sistema innovativo basato, per la prima volta, su un acceleratore lineare; installazione prevista presso l’ospedale IFO-Regina Elena. Collaborazione: ENEA + ISS + IFO + Private Companies Fondi: ISS ( 2009) TOP-IMPLART (Terapia Oncologica con Protoni - Intensity Modulated Proton Linear Accelerator for Therapy): sistema innovativo basato, per la prima volta, su un acceleratore lineare; installazione prevista presso l’ospedale IFO-Regina Elena. Collaborazione: ENEA + ISS + IFO + Private Companies Fondi: ISS ( 2009) 7 MeV 147 MeV 47 MeV 237MeV Head-Neck Tumors Head-Neck Tumors In vitro and Animal Radiobiology In vitro and Animal Radiobiology In vitro Radiobiology In vitro Radiobiology 17 MeV Deep Tumor 3

Pisa, 25 Settembre 2014 Monitor del rilascio di dose requisiti e specifiche in TOP-IMPLART LINAC Il monitor del fascio deve provvedere:  Misure di posizione, profilo, direzione e intensità in real-time per ogni impulso  Informazioni di retroazione per correggere piccole deviazioni dal piano di trattamento  Shutdown automatico in caso di almeno un parametro fuori dall’intervallo di accetazione  Alta affidabilità Pulsed beam characteristics Beam monitor system specifications Energy in the range Beam cross section Beam current Average current: Pulse period Pulse frequency (fast dose repainting) MeV 1-10 mm μA 3.5 nA μs Hz Light compact chamber Good spatial resolution ( ~1/10 mm)  MPGD Wide dynamic range (10 4 at least) Good sensitivity (~100 fC) Zero dead time (or near zero) Rapid response ( < 1ms) Typical number of channels: few 100 Dedicated Electronics TOP-IMPLART LINAC scanning attivo (3+1D) in: ­ Intensita (rilascio istantaneo di dose) ­ Energia (profondità/Z) ­ Posizione trasversa (X/Y) altamente conformazionale Permette terapia altamente conformazionale  Richiesto monitor dei parametri di fascio molto accurato e a livello di singolo impulso 4

Pisa, 25 Settembre 2014 The chamber operates in ionization region and has the following characteristics: GAP between anode and cathode: 2mm Anode and cathode ACTIVE AREA: 7x7cm 2 ANODE: Al (5μm) CATHODE: Kapton (50 μm) with PADs in Cu (15 μm) on the beam incidence side and STRIPs in Cu (15 μm) on the other side  PITCH: 875 μm (final version  400  m)  Gap between pad: 120 μm CHANNELS: 80 x 80 BIAS: 300 V WET: cm Camera a ionizzazione per il monitor del fascio TOP-IMPLART Foil produced by R. De Oliveira at TS-DEM, CERN The TOP-IMPLART monitor system is based on 2D segmented ionization chamber driven by a dedicated front end electronics, with a dual range logic 5

Pisa, 25 Settembre 2014 Chamber assembly and the final system no glue; o-ring for gas tightness Readout Electronics

Pisa, 25 Settembre 2014 Basata su amplificatore di trans-impedenza (Carica/Tensione) con capacità di “sample and hold” in retroazione. L’amplificatore adatta automaticamente il guadagno alla quantità di carica in ingresso. Quando la tensione sulla capacità supera una soglia di riferimento viene connessa in parallelo una capacità più grande. Tale semplice logica può essere replicata L’elettronica prototipo è composta da schede di front-end a 16 canali, collegate in cascata attraverso backplane passivo Elettronica di readout con amplificatore multi-guadagno 7

Pisa, 25 Settembre 2014 Readout electronics test: Dual Regime performance 8  Input dynamic range larger than 10 4 (from about 2 pC to tens of nC)  Relative sensitivity less than 3% (minimum absolute sensitivity of 70 fC) Range Transition (one bit store this information) Influence of current source instability

Pisa, 25 Settembre 2014 Test con fascio di elettroni da 5 MeV - Configurazione MeV Electron beam Schema di messa a terra Vista Frontale: camera + elettronica Metti qualche caratteristica del fascio: Intensità: frequenza impulsi: La stabilità di fascio non è purtroppo nota con precisione

Pisa, 25 Settembre 2014 Beam on shielded Beam off Stabilità e rumore X and y integral charges measured with:  beam on and thick Pb absorber between beam and chamber (variation ~1%)  beam off (variation <0.5‰) Noisy environment induced by radiofrequency / reasonably under control Variation ~0.5% Variation <0.5‰ 10

Pisa, 25 Settembre 2014 Profilo di fascio 11 X and Y collected charge profile with 6 mm Pb collimator interposed between beam and chamber. Beam instability is included in RMS. X and Y charge profiles fitted with: Gaussian + straight line (red line). Beam profile well reproduced / relative variation within 0.02% Pedestal subtraction not optimized

Pisa, 25 Settembre 2014 Parametri del profilo di fascio verso Alta Tensione (HV) della camera 12 Intensità (da fit gaussiano)Posizione (da fit gaussiano) Larghezza (della gaussiana)Fondo / Costante Fondo / GradienteIntensità (somma) Punto di lavoro ῀ 300 V - Promettente margine di sicurezza prima della saturazione

Pisa, 25 Settembre 2014 Strip X-> Strip Y-> Fenditura Verticale: profilo di fascio verso posizione della fenditura ~2,5 pC/cm 2 The beam hits the chamber active zone in correspondence of the vertical slit, causing a peak; the chamber horizontal motion “moves” the peak in x Px=13 mmPx=18,7 mm Px=24,3 mm Px=28 mm Px: chamber horizontal position; the chamber moves horizontally with respect to the slit 13 puoi togliere i plot con RMS I valori sono molto più grandi di quelli della slide 11; Probabilmente causa instabilità fascio... Ma meglio Capire prima di presentarli

Pisa, 25 Settembre 2014 Dipendenza dall’intensità del fascio Beam intensity (~110 pC/cm 2 ) has been passively varied by interposing Plexiglas plates between beam exit and chamber. The integral charges in X (black) and in Y (red) are represented versus 3 plates thickness. The exponential fit reproduces rather well the measured points 14

Pisa, 25 Settembre 2014 Conclusioni e prossimi sviluppi First electron beam tests of the chamber prototype of the dose delivery monitor show : o good noise characteristics o excellent beam profile measurements o chamber behaves as basically expected with respect to High Voltage, with promising margin for saturation. Further and more accurate characterization tests are in progress Tests and characterization under the TOP/IMPLART proton beam (up to 17 MeV) in the coming months A new, consolidated version of the chamber and the electronics is under development (largely based on lesson learned by the presented tests) 15

Pisa, 25 Settembre 2014 GRAZIE PER L'ATTENZIONE 16

Pisa, 25 Settembre Fenditura Verticale: Parametri del profilo di fascio verso posizione della fenditura Intensità (da fit gaussiano)Posizione (da fit gaussiano) Larghezza (della gaussiana)Fondo / Costante Fondo / GradienteIntensità (somma) La variazione relativa su l’ampiezza è molto più grande di 3% Guardando il profilo della slide 11 sembra che RMS<qualc he percento. Come hai valutato l’errore ?

Pisa, 25 Settembre 2014 Valutazione del rilascio di energia del fascio di protoni nella cameretta Possibile mismatch tra parametri protoni e specifiche di progetto della camera Limite superiore critico! Carica totale prodotta nella cameretta per impulso

Frascati, 18 Marzo 2014 Elettroni prodotti per protone incidente