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 D’Orazio 1106164 Relatore Prof. Vincenzo Patera Correlatore Dott. Concetta Ronsivalle (ENEA) Dott. Andrea Mostacci A/A 2010/2011

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

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

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

L’Iniettore Il linac si basa su un’iniettore lineare da 7 MeV: l’Accsys-Hitachi PL-7 Frequenza di lavoro 4250.1 MHz Energia del fascio all’uscita della sorgente duoplasmatron 30 keV Energia del fascio all’uscita dell’RFQ 3.0 MeV Energia del fascio all’uscita del DTL 7.0 Corrente massima all’uscita dell’iniettore 0.3-30 µA Durata degli impulsi del fascio (FWHM) 3-7 µs Variabilità corrente tra un impulso e l’altro (pulsed) 10-100 % Frequenza di ripetizione degli impulsi 30-300 Hz

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 Irradiazione cellule V79 (1-7 MeV) Esperimenti previsti Irradiazione piccoli animali (17,5 MeV) VALUTAZIONE EFFICACIA TERAPEUTICA STANDARDIZZARE PROTOCOLLI DI TRATTAMENTO

Obiettivo del Lavoro Ottimizzare un sistema per il rilascio della dose da utilizzare per l’irraggiamento delle colture cellulari con un fascio di protoni a bassa energia (1 – 7 MeV) Caratterizzazione del fascio all’uscita dell’iniettore: - dimensioni e divergenza Misure di emittanza e parametri di Twiss - energia Misure 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

Misure di Emittanza e parametri di Twiss α inclinazione β divergenza εy εy= 2,492 mm-mrad βy= 0,150 mm/mrad αy= -0,111 Ottenuti i dati sperimentali con il metodo dei minimi quadrati si ricavano i valori ottimali di emittanza e parametri di Twiss all’uscita dell’iniettore

Migliori risultati ottenuti nel terzo punto di lavoro Misure di emittanza e parametri di Twiss ricavate in diversi punti di lavoro dell’iniettore Migliori risultati ottenuti nel terzo punto di lavoro εy αy βy 2,492 mm-mrad -0,111 0,150 mm/mrad VLU= 26 kV Vextr= 26 kV

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

Risultati Ottenuti Misura Spessore kapton range 1 80 µm 49 ± 2,5 µm 2 3 50 µm 75 ± 2,9 µm

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 l’andamento delle traiettorie degli ioni nella materia SRIM 2011 è basato su un metodo di calcolo Montecarlo, nell’approssimazione della collisione binaria

Confronto tra Misure e Simulazioni Misura Simulazione 49 ± 2,5 µm 45 µm 46 ± 2,5 µm 75 ± 2,9 µm 79 µm

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

Ottimizzazione della Linea di Trasporto a Valle dell’Iniettore Linea di trasporto per l’irraggiamento 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

Ottimizzazione della Linea di Trasporto a Valle dell’Iniettore 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

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

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

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

Irraggiamento dei Rivelatori Condizioni di irraggiamento Frequenza di ripetizione 50 Hz Durata dell’impulso 21 μs Tensione di estrazione 26,7 kV Tensione d’arco 169 V 0,2 pC per impulso 1) 20 impulsi di protoni, corrispondenti ad una carica accumulata pari a 4 pC Irraggiati 2 rivelatori CR39 2) 50 impulsi di protoni, corrispondenti ad una carica accumulata pari a 10 pC

Conclusioni… Il lavoro di tesi svolto nei laboratori dell’ENEA di Frascati ha permesso di: Misure di emittanza e parametri di Twiss Determinare le carateristiche del fascio all’uscita dell’iniettore Misure di range e picco di Bragg Ottimizzare un sistema di rilascio della dose per l’irraggiamento dei campioni cellulari Avviare l’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

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