Facoltà di Ingegneria Corso di Laurea in Ingegneria Biomedica Ottimizzazione di una “facility” di irraggiamento sperimentale con protoni Correlatore Relatore Dott.ssa Concetta Ronsivalle (ENEA) Prof. Vincenzo Patera Dott. Andrea Mostacci Candidato Fabrizio Ambrosini Anno Accademico 2012-2013

Il Progetto TOP-IMPLART 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 96537 pazienti (2011) Differenza tra IMRT e IMPT 7 campi con IMRT 2 campi con IMPT Confronto tra IMRT e IMPT Migliore efficacia del trattamento protonterapico

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

Il Progetto TOP-IMPLART 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 Tumori testa-collo Tumori profondi 230 MeV 150 MeV 52 m 16.5 m Layout definitivo presso l’ IFO di Roma 230 MeV + Beam Delivery

Evoluzione del fascio nell’iniettore Layout attuale A) Sorgente B) RFQ C) DTL D) Alimentazione a RF D A B C Iniettore: l’Accsys-Hitachi PL-7 Evoluzione del fascio nell’iniettore 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 10-200 Hz

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

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

Obiettivo del Lavoro Ottimizzazione dei parametri dell’iniettore e degli elementi che compongono la linea di trasporto verticale e orizzontale ai fini della sperimentazione radiobiologica 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 all’irraggiamento delle V79 Indagine delle potenzialità dei rivelatori a Film di LiF per fasci di protoni a bassa energia 3) Messa a punto di un sistema di caratterizzazione dei PMQ relativi al primo modulo SCDTL (7÷11.6 MeV).

Calcoli numerici sul trasporto del fascio TRACE3D: Drift Magnete Quadrupoli

Calcoli numerici sul trasporto del fascio orizzontale Prima coppia di quadrupoli: … i valori dei gradienti dei quadrupoli corrispondenti alle dimensioni richieste in uscita per la spot di forma circolare: Fascio “nature” Flangia di uscita dell’iniettore G1 (T/m) G2 (T/m) Da 6.5 mm (R campioni biologici) a 2.4 mm (Rx=Ry) Flangia di uscita dell’iniettore G1 (T/m) -9.860 G2 (T/m) 10.683

Calcoli numerici sul trasporto del fascio orizzontale I quattro quadrupoli: Da 6.5 mm (R campioni biologici) a 0.98 mm(Rx=Ry) Maggior controllo del fascio Flangia di uscita dell’iniettore G1 (T/m) -10.582 G2 (T/m) 6.660 G3 (T/m) -7.221 G4 (T/m) 8.970 Pretendendo dimensioni minori per la spot circolare…

Calcoli numerici sul trasporto del fascio verticale La dispersione non compensata del magnete di deflessione verticale limita la possibilità di focalizzazione nel piano verticale Flangia di uscita dell’iniettore 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

Prima coppia di quadrupoli: Test sperimentali Prima coppia di quadrupoli: Segnale da linea orizzontale Segnale da linea verticale 1) Ottimizzazione del trasporto lungo la linea verticale: Q 1 Q 2 Magnete 90° Uscita linea verticale Q1 [ supply unit ] Q2 [ supply unit ] I magnete 90° [A] Linea orizzontale 20 6 Linea verticale 30 17 190 Uscita linea orizzontale Coincidenza tra i due segnali Segnale di tensione proporzionale alla corrente letta con una bandierina.

Linea orizzontale completa: quattro quadrupoli Test sperimentali Linea orizzontale completa: quattro quadrupoli 2) Minime dimensioni spot circolare linea orizzontale: Q 1 Q 2 Q 3 Q 4 Targhetta Fluorescente Finestra terminale Videocamera Valori dei quadrupoli corrispondenti alle minime dimensioni sperimentalmente ottenute per la spot circolare: Spot del fascio vista dalla telecamera G1 (T/m) -10.504 G2 (T/m) 7 G3 (T/m) -7.703 G4 (T/m) 9.103

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

Energia in uscita dal mezzo (MeV) Irraggiamenti sui CR-39 … misure dosimetriche preliminari alla radiobiologia (105, 106 protoni ): Stopping and Range of Ions in Matter Dosimetri a tracce nucleari Diametro=13mm Spessore=1.5mm Traccia latente Capsula Petri Strati attraversati Spessor e (mm) Densità (g/cm3) Energia in uscita dal mezzo (MeV) LET in H2O (keV/µm) Range in H2O (µm) Finestra di uscita in Kapton 0.05 1.43 2.135 Aria 5 0.001 2.057 16.1 80.5 Area= 0.00023cm2

Irraggiamenti sui CR-39 Necessità di ridurre la densità di tracce Prima sessione di misura Carica per impulso (pC) Numero di impulsi con cui si è irraggiato ogni rivelatore Supply unit impostate per i due quadrupoli Fascio orizzontale 0,2 20, 50 Quadrupoli spenti Necessità di ridurre la densità di tracce Seconda sessione di misura Carica per impulso (pC) Numero di impulsi con cui si è irraggiato ogni rivelatore Supply unit impostate per i due quadrupoli Fascio orizzontale 4,95·10-2 20, 10, 5 Quadrupoli spenti Fascio verticale 1,65·10 -2 Q1 = 39; Q2 = 0 20 impulsi 10 impulsi 5 impulsi Sovrapposizioni delle tracce Tracce di grosso diametro 5 impulsi 10 impulsi 20 impulsi Rivelatori leggibili (5-10 impulsi) Proporzionalità (n°impulsi - dose) Fascio più pulito Uniformità: U(x)=60% e U(y)=80% Energia (keV) LET in H2O (keV/µm) Numero impulsi Dose (Gy) 2057 16.1 5 0.036 10 0.082

Irraggiamenti sui rivelatori di LiF … studio delle potenzialità dei rivelatori a film di LiF con fasci di protoni alle basse energie: imaging e dosimetria Centri colore (CC): Difetti del reticolo cristallino costituiti da vacanze anioniche, singole o aggregate, occupate da uno o più elettroni. F2 ed F3+ luminescono nel rosso (670nm) e nel verde (530 nm) Lettura con microscopio in fluorescenza: la CCD acquisisce l’immagine degli spot irraggiati nel range verde-rosso

Irraggiamenti sui rivelatori di LiF Prima sessione (Q1 e Q2 e collimatore): distribuzione trasversa del fascio, linearità , SRIM Carica per impulso 6 pC N° di impulsi film su vetro 300; 670; 1300; 1500 Durata impulso 60μs 1300

Irraggiamenti sui rivelatori di LiF Seconda sessione: (Q1; Q2; Q3; Q4 e collimatore): studio in un ampio range di carica (5÷128000  0.29nC÷7.42μC ) Carica per impulso 60 pC N° di impulsi film su vetro 100-128000 N° di impulsi cristallo 150-128000 Durata impulso 60μs Tensione di estrazione (Vextr) 26 Tensione sulla lente unipolare (VEint) 25,4 Tensione d’arco 170 Filamento 29 Pressione del gas 7,6 Setting dei quattro quadrupoli 45;30;33;40 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, 00044 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, 00044 Frascati (Rome) Italy Immagini delle spot: aumento della concentrazione dei centri F2 al crescere del numero di impulsi Segnale medio fotoluminescenza: Cristallo (1mm) 750 8000 300 - 4000 Film (1 μm) 32000 128000 450 - 32000

Lettura fascio verticale (5-10 impulsi): Q per impulso=1,65·10 -2pC Conclusioni … Ottimizzazione dei parametri (macchina e del trasporto del fascio) Trace3D e test sperimentali: Impiego della lente unipolare Sistema lettura per basse cariche Irraggiamento CR-39: Lettura fascio verticale (5-10 impulsi): Q per impulso=1,65·10 -2pC Studio della linearità (5÷1280000.29nC÷7.42μC ) Irraggiamento LiF: “Imaging” trasversa del fascio Misura delle componenti armoniche dei PMQs PMQs: “matching” tra l’uscita dell’iniettore e la linea con i PMQ … sviluppi futuri Realizzazione di una linea per fascio verticale per uniformità e controllo del fascio per l’irraggiamento di cellule di tipo V79 (SSSM). Possibilità di impiego dei rivelatori a film di LiF per dosimetria con fasci di protoni Spessore e substrato dei film di LiF. Linearità estraendo le immagini relative ai singoli canali. Ad es. per leggere basse cariche: incrementare lo spessore del film e usi un substrato di Si Trasporto del fascio di protoni da 7 MeV all’interno della linea “FODO-like” a PMQ.

Grazie per l’attenzione Fabrizio Ambrosini

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

Caratterizzazione magnetica dei PMQ Misura del gradiente e delle componenti armoniche FFT Spessore (d) 1.4 mm Lunghezza 40 mm Lunghezza efficace (Leff) 3 cm Numero di avvolgimenti (N) 9

“Matching” con linea tipo “FODO lattice” a quadrupoli a magneti permanenti (PMQ) Ottimizzazione con TRACE3D: Ottenere il l’adattamento tra caratteristiche del fascio in uscita dall’iniettore e la linea FODO Ricerca dei valori di gradiente magnetico dei quadrupoli PER 1°PMQ foc. orizzontale (+) Orizzontale Verticale Longitudinale yAmax=14.8433 mm 1°PMQ foc. verticale (-) yBmax=13.472 mm

Il valore della carica accumulata per il numero di impulsi selezionati 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

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