Progetto PROMETHEUS Proposta di una Infrastruttura di Ricerca PROtons, electrons and coherent X rays facility based on high power laser for MEdical research,

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1 Progetto PROMETHEUS Proposta di una Infrastruttura di Ricerca PROtons, electrons and coherent X rays facility based on high power laser for MEdical research, oncological THErapy, bio imaging and radio biology USes

2 Προμηθεὺς Δεσμώτης Progetto PROMETHEUS www.prometheuslab.unibo.it

3 Progetto PROMETHEUS OBIETTIVO OBIETTIVO Infrastrutura per applicazioni in biomedicina Infrastrutura per applicazioni in biomedicina dei fasci di protoni accelerati nella interazione dei fasci di protoni accelerati nella interazione laser plasma laser plasma

4 Progetto PROMETHEUS Struttura proponente Centro Galvani Struttura proponente Centro Galvani http://www.centogalvani.unibo.it G. Turchetti Direttore CIG (Dip. Fisica) G. Turchetti Direttore CIG (Dip. Fisica) M. Sumini Responsabile Lab Montecuccolino (Dip. Energ.) M. Sumini Responsabile Lab Montecuccolino (Dip. Energ.) E. Barbieri Primario di Radioterapia (Dip. Sc. Radiol.) E. Barbieri Primario di Radioterapia (Dip. Sc. Radiol.) R. Zannoli Direttore Scuola Fisica Sanitaria (Dip. Card.) R. Zannoli Direttore Scuola Fisica Sanitaria (Dip. Card.) P. Londrillo Dipartimento di Astronomia e INFN BO P. Londrillo Dipartimento di Astronomia e INFN BO Struttura organizzativa Struttura organizzativa Fondazione Alma Mater Presidente W. Tega Fondazione Alma Mater Presidente W. Tega http://www.fondazionealmamater.unibo.it/FAM Segretaria C. Vignoli c.vignoli@fondazionealmamater.it Segretaria C. Vignoli c.vignoli@fondazionealmamater.it c.vignoli@fondazionealmamater.it

5 Progetto PROMETHEUS Iniziative anno 2008 Iniziative anno 2008 La proposta fatta dal Centro Galvani, riguarda una infrastruttura di ricerca congiunta tra UNIBO ENEA con la partecipazione di altri Enti pubblici e privati Seminario di start up Bologna La luce estrema 8 gennaio 2008. Seminario di start up Bologna La luce estrema 8 gennaio 2008. Presentazione ricognizione MIUR per IR 29 febbraio 2008 Presentazione ricognizione MIUR per IR 29 febbraio 2008 Domus Galileiana di Pisa Luce estrema per energia e salute 11 aprile 2 Domus Galileiana di Pisa Luce estrema per energia e salute 11 aprile 2 Workshop Bologna Prometheus 27 giugno Workshop Bologna Prometheus 27 giugno Approvazione proposta scientifica dal Senato Accademico 21 ottobre 20 Approvazione proposta scientifica dal Senato Accademico 21 ottobre 20 Workshop Bologna NTA e prospettive biomediche Bologna 16 dicembre Workshop Bologna NTA e prospettive biomediche Bologna 16 dicembre

6 Progetto PROMETHEUS Conferenze Conferenze Anno 2008 (27-30 maggio) CSFI08 Calcolo scientifico in Italia Sezione dedicata ai plasmi ed accelerazione laser Anno 2009 (15-18 giugno) COULOMB09 Ions acceleration with high power lasers

7 Progetto PROMETHEUS Interdisciplinarietà Aree scientifiche interessate SCIENZE SCIENZE MEDICINA MEDICINA INGEGNERIA INGEGNERIA Studio di fattibilità (1 anno) Simulazioni validate su esperimenti PLASMONX Obiettivi fase I (3 anni) Produzione di protoni da 20-30 MeV e post-accelerazione con linac ad alto campo SCL fino a 40-60 MeV Obiettivi fase II (4 anni) Accelerazione protoni fino a 100 MeV ibrida o ottica. (Produzione di X coerenti, FEL ottico).

8 Fase preparatoria Fase preparatoria Creazione di un comitato scientifico (16-12-08) Governance della Fondazione Alma Mater (16-12-08) Fase conclusiva Fase conclusiva Convenzione tra gli Enti che svolgono ricerca scientifica Consorzio tra i soggetti finanziatori Progetto PROMETEUS

9 Lettere di interesse UNIBO, ENEA, Regione E.R. (2008) Lettere di interesse UNIBO, ENEA, Regione E.R. (2008) Manifestazioni di interesse di privati: ABO, Varian Manifestazioni di interesse di privati: ABO, Varian Consenso da parte di ricercatori INFN e CNR Consenso da parte di ricercatori INFN e CNR Modello di struttura organizzativa TERA-CNAO

10 Progetto PROMETEUSLocalizzazione L’ Università di Bologna mette a disposizione il Laboratorio di Montecuccolino I locali del reattore nucleare RB3 il cui decommisioning è quasi ultimato sono idonei per ospitare l’infrastruttura

11 Montecuccolino: sala ex reattore RB3 Montecuccolino: sala ex reattore RB3 Struttura principale cubo di 17 m di lato con bunker e carro ponte. Edifici annessi (sala controllo e altre stanze) 220 mq. Seminterrato per impianti tecnologici 300 mq. Cabina elettrica da 0.8 MW. Idoneo per laser di 1 PW Progetto PROMETEUS

12 The Prometeus project Layout di un laser 40 TW nella sala RB3 (sinistra) s suo Ingrandimento (destra). (Amplitude technologies)

13 Progetto PROMETHEUS FISICA FISICA TECNOLOGIA TECNOLOGIA

14 Vantaggi accelerazione laser Vantaggi accelerazione laser Accelerazione di protoni in prossimità del paziente Accelerazione di protoni in prossimità del paziente Dimensioni micrometriche dei fasci Dimensioni micrometriche dei fasci Radioprotezione ridotta. Riduzione ingombri e costi Radioprotezione ridotta. Riduzione ingombri e costi Obiettivo Obiettivo Stabilità e qualità dei fasci Stabilità e qualità dei fasci Progetto PROMETHEUS

15 Dimensioni contenute dei laser fino a 100 TW Laser Pulsar 200 della Amplitude Versione da 40 TW è quasi table top Amplificatore principaleFront end

16 Progetto Prometeus Ciclotroni commerciali Diametro 4 m Peso 20 tonnellate Energia 250 MeV Potenza 120W Corrente 3 10 12 protoni/sec Emittanza pochi mm mrad Costo10 Meuro Affidabilità elevata Costo struttura ptototerapia molte decine di Meuro Accelerazione laser Bassa corrente e potenza. Dose adeguata. Bunch di 10 8 protoni da 100 MeV a 10 Hz. Corrente 10 9 protoni/sec. Potenza 0.016 W.

17 TNSA RPA Polarizzazione lineare Polarizzazione circolare Largo spettro di energia e Spettro quasi monoenergetico ampia dispersione angolare buona collimazione. Minore intensità Progetto Prometheus Regimi di accelerazione per ioni

18 The Prometheus project Robson et al., Nature Physics 3 (2007) V. Malka et al., Appl. Phys. Lett. 83, 15 (2003), Med. Phys. 31, 6 (2004) La energia degi protoni TNSA aumenta linearmente con la radice dell’intensità. Legge di scala confermata dai risultati sperimentali e simulazioni E max = k  I Laser Vulcan E=20-400 J  =1-8 ps

19 Progetto Prometheus Progetto Prometheus Simulazioni 2D con ALaDyn a Bologna. Densità di protoni ed elettroni su H con densità n=25 n c spessore 1.5  m. Preplasma con rampa di 1.5  m. Impulso di 80 TW e spot focale di 10  m 2. Spettro come 1D con 40 TW

20 Progetto PROMETHEUS APPLICAZIONI APPLICAZIONI TERAPEUTICHE TERAPEUTICHE

21 10 17 10 19 10 21 I Efficacia biologica relativa di una radiazione rispetto a stessa dose X per C 12 RBE = 2-5 Picco a 25 cm in acqua per C12 da 400 MeV/u e per protoni da 200 MeV Progetto Prometheus Progetto Prometheus ADROTERAPIA ADROTERAPIA Intensità laser e soglia Picco di Bragg di interesse clinico

22 Progetto Prometheus Progetto Prometheus 7 CP 1 CP 5 CP 2 CC 12 CP 1 CC Centri per la terapia con protoni e ioni carbonio nel mondo. Si ritiene indicata nel 15% dei pazienti oncologici Stima centri prototerapia necessari 300 in UE 150 in USA Costo di un centro 80-140 M€

23 Progetto Prometheus Progetto Prometheus Progetti proposti e finanziati per la terapia oncologica SAPHIR/Propulse (Parigi Francia). SAPHIR/Propulse (Parigi Francia). Durata 4 anni Costo 15 Meuro Sorgente X e p da 100 MeV. Medicalizzazione dei fasci. PMRC/Jaeri (Kyoto Giappone) PMRC/Jaeri (Kyoto Giappone) Durata 10 anni Costo 50 Meuro Sorgente X. Fasci p da 10 MeV (4 anni), 50-70 MeV (6 ani), 200 MeV (8 anni) OnCOOPtics (Dresda Germania) OnCOOPtics (Dresda Germania) MPQ (Garching Germania) MPQ (Garching Germania) Fox Chase Center (USA) Fox Chase Center (USA) LIBRA (consorzio in UK) LIBRA (consorzio in UK)

24 Progetto PROMETHEUS Progetto PROMETHEUS Road Map Prog. PMRC JP

25 Progetto PROMETHEUS Progetto Photo Medical Research Center (JP) http://wwwapr.kansai.jaea.go.jp/pmrc_en

26 Progetto Prometeus Progetto Prometeus FASE 1 FASE 1 Allestimento laboratorio RB3 20012-2014 A ) Istallazione Laser TiSa a 2 J e 25 fs B) Sistema di collimazione e trasporto C) Da 1 a 3 Moduli di linac SCL Obiettivo: protoni da 40-60 MeV Avvio ricerche: radiobiologica, sperimentazione preclinica Dose : 40-60 Gray su 1 g Con 2x 10 6 protoni da 60 MeV = 10 -11 J si ha E= 2x10 -5 per tiro. Con 2x 10 6 protoni da 60 MeV = 10 -11 J si ha E= 2x10 -5 per tiro. A 10 Hz in 5 minuti E tot = 0.06 J. Efficienza sistema 10 -5. A 10 Hz in 5 minuti E tot = 0.06 J. Efficienza sistema 10 -5.

27 Progetto Prometeus Progetto Prometeus FASE 2 FASE 2 Sviluppo laboratorio 20015-2018 Sviluppo laboratorio 20015-2018 A) Upgrade laser TiSa a 4 J B) Aggiunta di altri 3 moduli linac SCL Obiettivo: protoni terapeutici da 100 MeV (Altri possibili sviluppi: X monocromatici per diagnostica, AOFEL) Dose: 60 Gray su 10 g Alla frequenza di 10 Hz e in 5 minuti con 1.2 x10 7 protoni per tiro Alla frequenza di 10 Hz e in 5 minuti con 1.2 x10 7 protoni per tiro la energia totale è di 0.5 J ossia 50 Gray su 10 g. la energia totale è di 0.5 J ossia 50 Gray su 10 g.

28 Progetto Prometeus Progetto Prometeus Caratteristiche della accelerazione laser di protoni Utilizzo di bersagli solidi sottili di qualche micron e laser Utilizzo di bersagli solidi sottili di qualche micron e laser compatti compatti Deposizione di dose con impulsi da 10 Hz per qualche minuto Deposizione di dose con impulsi da 10 Hz per qualche minuto Dimensioni del fascio pochi micron Dimensioni del fascio pochi micron Produzione del fascio vicino al paziente, con richieste minime per radioprotezione Produzione del fascio vicino al paziente, con richieste minime per radioprotezione

29 Progetto Prometeus Progetto Prometeus Studio di fattibilità Studio di fattibilità Sarà condotto da ricercatori della sezione INFN di Milano (De Martinis, Giove, Serafini) e di Bologna Sarà condotto da ricercatori della sezione INFN di Milano (De Martinis, Giove, Serafini) e di Bologna (Londrillo, Turchetti) (Londrillo, Turchetti) Competenze accelerazione laser e linac SCL Milano Competenze accelerazione laser e linac SCL Milano Competenze simulazioni PIC Bologna Competenze simulazioni PIC Bologna Sinergia con il programma di accelerazione di ioni a Frascati con FLAME Sinergia con il programma di accelerazione di ioni a Frascati con FLAME

30 Progetto Prometeus Progetto Prometeus ROAD MAP ROAD MAP Dic 08 Governance del progetto: Fondazione Alma Mater. Dic. 08 Comitato scientifico Giu 09 Workshop COULOMB09 Anno 2010 Anno 2010 Studio di fattibilità Decomissioning RB3 Convenzione partners scientifici Consorzio finanziatori Anno 2011 Anno 2011 Ristrutturazione RB3 Allestimento laboratorio