Progettazione di un sistema di schermatura per un acceleratore lineare a protoni per adroterapia

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Vito Calabrese
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Facoltà di Ingegneria Civile e Industriale Corso di laurea in Ingegneria Biomedica Tesi di Laurea Magistrale Progettazione di un sistema di schermatura per un acceleratore

1 Facoltà di Ingegneria Civile e Industriale Corso di laurea in Ingegneria Biomedica Tesi di Laurea Magistrale Progettazione di un sistema di schermatura per un acceleratore lineare a protoni per adroterapia Relatore: Prof. Vincenzo Patera Correlatore: Prof. Fabio Bellini Laureanda: Martina Senzacqua Matricola: Anno accademico: 2012/2013

protoni persi Simulazione interazione protoni con i materiali

2 OBIETTIVO: Progettazione schermatura per un acceleratore lineare di protoni Riproduzione geometria dell acceleratore Generazione fascio di protoni persi Simulazione interazione protoni con i materiali attraversati Analisi di diverse schermature Calcolo grandezze di interesse (fluenze e dose) 2

3 ADROTERAPIA Trattamento di tumori tramite fasci di adroni (protoni e ioni carbonio) PICCO DI BRAGG f(e) 3

4 ADROTERAPIA Trattamento di tumori tramite fasci di adroni (protoni e ioni carbonio) PICCO DI BRAGG f(e) Maggior percentuale di energia rilasciata al tessuto tumorale Tumore 3

5 ADROTERAPIA Trattamento di tumori tramite fasci di adroni (protoni e ioni carbonio) PICCO DI BRAGG f(e) Maggior percentuale di energia rilasciata al tessuto tumorale Minor dose ai tessuti sani Tessuti sani Tumore 3

6 Inviando fascio con differenti energie SOBP = Picco di Bragg allargato e da diverse direzioni Si può andare a coprire tutta la regione tumorale 4

Progetto TOP-IMPLART Centro di ADROTERAPIA presso l IFO 3 sale di

230MeV Cammino: 30 cm Minor perdite del fascio lungo la linea di

costruzione della macchina con il flusso dei finanziamenti)

7 Progetto TOP-IMPLART Centro di ADROTERAPIA presso l IFO 3 sale di trattamento ACCELERATORE LINEARE di protoni 150 MeV Cammino: 15 cm 230MeV Cammino: 30 cm Minor perdite del fascio lungo la linea di accelerazione Struttura modulare (possibilità di far progredire la costruzione della macchina con il flusso dei finanziamenti) Consentita la rapida variazione dell energia e dell intensità del fascio 5

SCDTL (Side Coupled Drift Tube Linac): Quattro moduli

8 Acceleratore IMPLART IMPLART = Intensity Modulated Proton Linear Accelerator for RadioTherapy ~ 7m ~ 8m ~ 9m ~ 10m SCDTL (Side Coupled Drift Tube Linac): Quattro moduli acceleranti disposte in serie Energia dei protoni da 7 MeV a 40 MeV 6

Simulazione Monte Carlo Metodo utilizzato per

LA MATERIA processo probabilistico; viene valutata

9 Simulazione Monte Carlo Metodo utilizzato per ottenere delle stime di grandezze caratteristiche di un fenomeno, tramite delle simulazioni. Fenomeno simulato: INTERAZIONE DELLE PARTICELLE CON LA MATERIA processo probabilistico; viene valutata la probabilità di reazione secondo i diversi possibili processi fisici. 7

mezzi tubi di drift Tra due tank successive ci sono dei tubi di raccordo (acciaio) attorno ai

10 Riproduzione della GEOMETRIA Primo modulo dell SCDTL 112 cm 15 cm 10 cm La struttura è costituita da 9 moduli (tank) in rame, all interno dei quali sono presenti 3 tubi di drift + 2 mezzi tubi di drift Tra due tank successive ci sono dei tubi di raccordo (acciaio) attorno ai quali sono allogiati dei PMQ (Quadrupoli a Magneti Permanenti) per la focalizzazione trasversa del fascio 8

Sono state mantenute le stesse dimensioni lungo gli assi x e y

11 Singola tank (n 3) y z x 15 cm 7 cm 10 cm Intera geometria dell SCDTL-1 Programma C++ per la replica degli altri moduli Sono state mantenute le stesse dimensioni lungo gli assi x e y e sono state variate le dimensioni lungo z (direzione del fascio) 9

(TSTEP) Grandezze fornite per ciascuna particella: - Coordinate

12 N particelle Generazione dei protoni persi dal fascio Dati forniti dall ENEA, ottenuti mediante simulazione di dinamica del fascio (TSTEP) Grandezze fornite per ciascuna particella: - Coordinate spaziali a cui viene persa βγ (x,y,z) E (MeV) - Direzione - Energia Energia (MeV) 10

13 p + ~7 MeV de/(dx ρ) ~ 10 MeV/(g cm -2 ) ρ rame = 8.9 g/cm 3 I protoni vengono fermati dopo circa 0.8 mm di rame n σ n 1/v γ (n, γ) e - γ n Sostanze contenenti idrogeno (acqua, cemento, paraffina) Sostanze ad alta σ n (cadmio) e - Sottile lamina di metallo DOSE SCHERMO γ Materiali ad alta densità (piombo) 11

14 Schermo in CEMENTO Cilindro cavo in cemento 20 cm Raggio interno: 20 cm Raggio esterno: 40 cm Altezza: 120 cm 120 cm Basso costo gli atomi di idrogeno favoriscono il rallentamento dei neutroni 12

15 Schermo in PARAFFINA-CADMIO-PIOMBO 3 strati concentrici: Raggio interno: 20 cm Spessore Paraffina: 15 cm Spessore Cadmio: 1 mm Spessore Piombo: 3.5 cm PARAFFINA Alto contenuto di idrogeno CADMIO Alta sezione d urto per l assorbimento di neutroni σ=10 4 b PIOMBO alto numero atomico Z elevata densità Perdita di energia dei neutroni Assorbimento dei neutroni termici Assorbimento dei fotoni 13

y(cm) y (cm) y(cm) y(cm) 100 Fluenza NEUTRONI 0.

60 80 100 120 100 50 0-50 Senza schermo Cemento Par-Cad-Pio -100 0 20

20 R(cm) 30 40 50 in assenza di schermo R(cm) schermo in cemento

16 y(cm) y (cm) y(cm) y(cm) 100 Fluenza NEUTRONI e Senza schermo Cemento Par-Cad-Pio z(cm) 1e-06 1e-8 1e-12 1e e-06 1e-8 1e-12 1e e-06 1e-8 1e-12 1e-14 1e-07 1e-08 1e-09 Senza schermo 1e R(cm) in assenza di schermo R(cm) schermo in cemento schermo in Paraffina, Cadmio e Piombo R=0 cm R=50 cm 5.4x x x10-3 Cemento 5.21x x x10-3 ParCadPio 5.83x x x

y(cm) y (cm) y(cm) y(cm) 100 Fluenza FOTONI 0.

40 60 80 100 120 100 50 0-50 Senza schermo Cemento Par-Cad-Pio -100 0

10 20 30 40 50 in assenza di schermo R(cm) schermo in cemento schermo

17 y(cm) y (cm) y(cm) y(cm) 100 Fluenza FOTONI e Senza schermo Cemento Par-Cad-Pio z(cm) 1e-06 1e-8 1e-12 1e e-06 1e-8 1e-12 1e e-06 1e-8 1e-12 1e-14 1e-06 1e-07 1e-08 1e-09 Senza schermo in assenza di schermo R(cm) schermo in cemento schermo in Paraffina, Cadmio e Piombo R=0 cm R=50 cm 2.43x x x10-3 Cemento 2.43x x x10-4 ParCadPio 2.62x x x

18 Spettri di energia Fotoni e neutroni entranti nello schermo di cemento. (Superficie cilindrica di r=20 cm) Fotoni e neutroni uscenti dallo schermo di cemento. (Superficie cilindrica di r= 40 cm) E(GeV) 16

R(cm) 50 40 Senza schermo Dose equivalente 1 0.001 0.01 30 0.

0001 20 1e-6 1e-05 10 0 50 40 0 20 40 60 80 100 120 Cemento 1e-8 1

Par-Cad-Pio 30 20 10 0 0 20 40 60 80 100 120 z(cm) 0.

0001 1e-6 1e-8 1e-08 Senza schermo 0 10 20 30 40 50 R(cm) R(cm) in

19 R(cm) Senza schermo Dose equivalente e-6 1e Cemento 1e e-06 1e Par-Cad-Pio z(cm) e-6 1e e-6 1e-8 1e-08 Senza schermo R(cm) R(cm) in assenza di schermo schermo in cemento schermo in Paraffina, Cadmio e Piombo R=0 cm R=50 cm 1.97x x x10-3 Cemento 1.90x x x10-4 ParCadPio 2.1x x x

20 Calcolo della dose equivalente annuale Protoni persi: 1.68 x 10 8 protoni/secondo Funzionamento giornaliero della macchina: 1 h/d Funzionamento annuale della macchina: 250 d/y Dose equivalente per protone perso D. Lgs. 9 maggio 2001, n. 257 (riferimento alle raccomandazioni ICRP 60) Senza schermo Cemento ParCadPio R=50 cm 0.14 msv/anno 25 μsv/anno 3.3 μsv/anno Limite normativa Zona libera 0.4 μsv/anno Zona sorvegliata 3 msv/anno Zona controllata 10 msv/anno 19

21 Riproduzione geometria acceleratore lineare Generazione protoni persi CONCLUSIONI Studio delle diverse tipologie di schermi: schermo in paraffina-cadmio-piombo mostra una maggior efficacia nella schermatura della radiazione secondaria Per energie dell ordine dei 10 MeV la dose equivalente è inferiore ai limiti previsti dalla normativa SVILUPPI FUTURI: simulazione dei successivi moduli, con protoni di energie superiori (fino a 230 MeV) porteranno a risultati e valutazioni differenti. 19

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