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Uso di un Acceleratore Lineare di protoni da 7 MeV per esperimenti

di radiobiologia

F.Marracino1, F.Ambrosini1, A.Ampollini1, F.Bonfigli1, M.Carpanese1, S.Libera1, R.M.Montereali1, L.Picardi1, M.Vadrucci1, C.Ronsivalle1, M.A.Vincenti1, G.Vitiello1, M.Piccinini1, M.Balduzzi2, G. Esposito3, A. Tabocchini3.

(1) ENEA CR-Frascati UTAPRAD, Frascati (Rome); (2) ENEA CR-Casaccia BIORAD, (Rome); (3) Istituto Superiore di Sanità (ISS), (Rome)

francesca.marracino@enea.it

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Progetto TOP IMPLART

TOP-IMPLART: Oncological Therapy with Protons – Intensity Modulated Proton Linear Accelerator for RadioTherapy

Realizzare un acceleratore lineare modulare per protonterapia di energia finale 150 MeV per tumori superficiali (≤ 15 cm) e 230 MeV per lesioni profonde (≥30 cm) -Primo segmento dell'acceleratore: iniettore composto da sorgente di protoni duoplasmatron A, due acceleratori lineari, un quadrupolo a radiofrequenza B (RFQ) da 3 MeV ed un linac a tubi di drift C (DTL) che innalza l'energia del fascio fino a 7 MeV, operanti ad una frequenza di 425MHz; D tre racks contenenti l’elettronica di controllo e l’alimentazione RF.

Tra l'iniettore e la sezione accelerante successiva (struttura SCDTL) è montata una linea di trasporto LEBT (Low Energy Beam Transfer): quattro quadrupoli magnetici Q1,Q2,Q3,Q4 per la focalizzazione del fascio da 7 MeV e il suo adattamento sul piano trasversale all'SCDTL. Tra la prima e la seconda coppia di quadrupoli è stato inserito un magnete di deflessione verticale, per usare sia un fascio orizzontale (magnete off) sia con fascio verticale (magnete on) a energia variabile fino a 7 MeV

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Irraggiamento campioni biologici a bassa energia

SCOPO: irraggiamento colture cellulari V79 con protoni a bassa energia

(3MeV–7MeV)- Curva di sopravvivenza delle V79 irradiate con protoni

- Valutare l’efficacia terapeutica dei trattamenti

Condizioni operative necessarie:

Dose (0,1Gy – 6Gy)

Uniformità di irraggiamento (>90%)

Fascio monocromatico (FHWM/Em<0,1)

Porta campione: cilindro acciaio = 13F mm

Q 1 Q 2Magnete 90°

Uscita fascio dal magnete

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Misure dosimetriche: tipi di rivelatori

Basse dosi (frazioni Gy): rivelatori di tracce nucleari a stato solido CR39 per la

misura dell’uniformità della fluenza (quindi, nota la perdita di energia per unità di

percorso LET∞, la dose) direttamente all’uscita del magnete.

Alte dosi (unità di Gy): gafchromic film

HD-V2

strato sensibile è di 8µm senza substrato

E< 4MeV

risposta affidabile D> 5Gy

EBT3

strato sensibile di 30µm su un substrato di 125µm di poliestere

E> 4MeV (profondità di penetrazione del fascio superiore a 160µm)

risposta affidabile D 0.1÷10 Gy

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Misure dosimetriche: CR39

Una particella carica che attraversa un CR39 danneggia in modo permanente la sua struttura

molecolare creando una traccia latente con dimensione lineare di qualche Å

Trattamento chimico con basi forti (etching) per allargarla ed osservarla

con il microscopio ottico per contare il numero di tracce (punti neri) in un’area nota

(misura della fluenza)

LETD 19106,1rivelatoreSuperficie

tracceNumero

CR39 limitati a frazioni di Gy, hanno evidenziato la necessità di migliorare l’uniformità della fluenza

realizzare un opportuno set up di irraggiamento

Densità di traccetroppo alta,no fluenza

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SET-UP irraggiamento

6 µm

collimatore da 1mm

scattering foil oro 2µm

Finestra uscita Kapton di 20µm

Fascio verticale(dall’uscita del magnete)

Cellule piastrate suMylar da 52µm di spessore

Terreno di coltura

Tubo acciaio da vuoto (50cm)

1 cm aria

collimatore da 13mm

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Calcoli di ottimizzazione del SET-UP

Scattering foil di oro di spessore 2µm in modo da allargare uniformemente (almeno fino al

90%) il fascio in direzione trasversa. Lo spessore di 2µm è stato stabilito mediante diverse

simulazioni con il codice di calcolo SRIM (Stopping and Range of Ions in Matter).

Esempio simulazione: scattering foil

di oro di spessore 2µm allarga il fascio

con l'uniformità voluta. Energia di

uscita dall'iniettore di 5.5MeV,

diminuzione di energia a 4.51MeV

indotta dai diversi elementi, un energy

spread indotto rms di 0.0356MeV (che

si somma quadraticamente allo spread

iniziale) per una dimensione trasversa

rms di 1.24cm che assicura l'uniformità

voluta sul campione (diametro 13 mm).

Elementi Set up

Distribuzione particelle

Distribuzione energia

Distribuzione transversa

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Misure dosimetriche preliminari: irraggiamenti gafchromic

tubo da vuoto (50cm)

collimatore da 1mm

scattering foil oro 2µm

collimatore da 13mm

Kapton di 20µm: sul kapton si appoggia il film (2cmx2cm)

Magnete 90°

F spot=13mmE= 2 MeV (dopo Kapton e foil)LET= 16.42 KeV/µmQ= 2pC per impulso

gaf HD-V2

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Misure irraggiamento gafchromic

I film gafchromic permettono di effettuare una misura di densità ottica e non di dose.

Per poter determinare la dose incidente sul film, si deve realizzare una curva di calibrazione

(Optical Density vs Dose): per EBT3 nella banda di energia di 4.0-7.0MeV, per HD-V2 nella

banda di energia 3-4.0MeV.

Tali curve si ottengono irradiando con fascio di protoni calibrato un certo numero di film a dosi

note e misurando le densità ottiche mediante letture con uno scanner in trasmissione ed

analisi con il software PICODOSE.

Esempio curva di calibrazione OD=log(I0/I)vs dose

Epson A3

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Misure dosimetriche: irraggiamento di rivelatori basati su Fluoruro di Litio (LiF)

LiF studio delle potenzialità dei rivelatori con fasci di protoni di bassa energia: imaging e

dosimetria. Cristalli e film sottili policristallini di LiF cresciuti su diversi substrati sono

utilizzati come rivelatori di radiazioni ionizzanti (RI) di varia natura (elettroni, neutroni, raggi

X, gamma). L'efficienza di formazione dei difetti elettronici (centri di colore) indotti da RI è

maggiore nei film rispetto ai cristalli di LiF, per cui i film policristallini sono caratterizzati da

una maggiore efficienza di rivelazione.

Centri colore (CC)Difetti del reticolo cristallino

costituiti da vacanze anioniche, singole o aggregate, occupate da

uno o più elettroni.

F2 ed F3+ se illuminati con luce blu (450

nm) luminescono rispettivamente nel rosso (670nm) e nel verde (530 nm)

Lettura con microscopio a fluorescenza: la CCD acquisisce l’immagine degli spot irraggiati nel range

verde-rosso

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Intensità di fotoluminescenza vs Dose in cristalli e film sottili di LiF dopo irraggiamento

Le immagini ottenute del fascio di protoni da 3 MeV hanno mostrato che il rivelatore di LiF

possiede un'alta risoluzione spaziale (<1µm) ed è in grado di rivelare anche piccole differenze

d'intensità del fascio. Studio del comportamento del LiF come dosimetro a lettura ottica: tra la

dose e l'intensità di fotoluminescenza totale registrata dalla fotocamera CCD del microscopio

si è ottenuta una relazione che per il cristallo di LiF è risultata lineare per dosi comprese tra

70 e 106Gy, mentre per il film (di spessore 1 µm) su vetro tra 5x103 e 5x106Gy.

Profilo trasversale

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Conclusioni e Sviluppi futuri

Ottimizzazione set-up della linea verticale per irraggiamento uniforme dei campioni

tramite simulazioni con SRIM

Individuazione dei parametri operativi di macchina per ottimizzazione nell’estrazione del

fascio verticale

I. Calibrazione del sistema per utilizzare GAF come dosimetri

II. Irraggiamenti su fibroblasti polmonari di Hamster cinese (V79) non adese ma libere nel

terreno di coltura (no effetto gravità)

III. Studi su effetti indiretti delle RI sulle cellule: effetto bystander, risposte biologiche

osservate in cellule non irradiate quando cellule vicine sono colpite dalle radiazioni.

Si ritiene che alla base di questo effetto vi sia la comunicazione spaziale tra cellule irradiate e

non, attraverso il terreno di coltura. Con un fascio orizzonte le cellule si accumulerebbero sul

fondo (in tal caso è necessario utilizzare porta campioni adatti a tale scopo e non

commerciali)