COMPOSIZIONE DEI GRUPPI DI RICERCA: A) - RICERCATORI - INFN · 2002. 7. 11. · 20 RASELLI Gianluca...

I II III IV

ISTITUTO NAZIONALE DI FISICA NUCLEARE

Preventivo per l'anno

COMPOSIZIONE DEI GRUPPI DI RICERCA: A) - RICERCATORI Componenti del Gruppo e ricerche alle quali partecipano:

2003

Cognome e Nome

Qualifica

Dipendenti Incarichi

Ruolo Art. 23 Ricerca Assoc.

Affer. al

Gruppo

RICERCHE DEL GRUPPO IN % Percentuale impegno

in altri GruppiN.

Coordinatore:

Gruppo

5PAVIA

Struttura

Giacomo Bressi

1 ALTIERI Saverio 3 50 50R.U.

2 BALLARINI Francesca 5 20 80AsRic

3 BENETTI Pietro 605 40P.A.

4 BRESSI Giacomo I Ric 5 50 50

5 CALLIGARICH Elio D.R. 202 80

6 CANDONI Bruno (MI) 5 100P.A.

7 CESANA Alessandra (MI) 405R.U. 60

8 COPPOLA Antonio 5 80AsRic 20

9 DI LIBERTO Riccardo 5 30Pol.S.Matte

70

10 FERRARI Roberto I Ric 1 7030

11 FILIPPINI Valerio I Ric 3 40 60

12 FOSSATI Francesca 5 70 30P.A.

13 GARZELLI Maria Vittoria 5 80 20AsRic

14 GIROLETTI Elio 5 100Ric

15 MANFREDI Pierfrancesco 1 3030 20 20P.C.

16 MONTAGNA Paolo 3 20 80R.U.

17 OTTOLENGHI Andrea 5 20 80P.A.

18 PANZARASA Alberto 3 20 80DIS

19 PINELLI Tazio 5 60 40P.O.

20 RASELLI Gianluca Ric 402 60

21 RE Valerio 1 5020 30P.A.

22 SCANNICCHIO Domenico 2 50 30 20P.O.

23 SPEZIALI Valeria 5 3030 40P.A.

24 SVELTO Francesco 5 50P.A. 50

25 TERRANI Mario (MI) 405P.A. 60

26 ZENONI Aldo 3 30 70P.S.

Mod. G. 1

INSERIRE I NOMINATIVI IN ORDINE ALFABETICO (N.B. NON VANNO INSERITI I LAUREANDI)

1) PER I DIPENDENTI: Indicare il profilo INFN2) PER GLI INCARICHI DI RICERCA: Indicare la Qualifica Universitaria (P.O, P.A, R.U) o Ente di appartenenza3) PER GLI INCARICHI DI ASSOCIAZIONE: Indicare la Qualifica Universitaria o Ente di appartenenza per Dipendenti altri Enti;

Bors.) Borsista; B.P-D) Post-Doc; B.Str.) Borsista straniero; Perf.) Perfezionando; Dott.) Dottorando; AsRic) Assegno di ricerca; S.Str.) Studioso straniero;

DIS) Docente Istituto Superiore4) INDICARE IL GRUPPO DI AFFERENZA

LA PERCENTUALE DI IMPEGNO NEGLI ESPERIMENTI SI RIFERISCE ALL’IMPEGNO TOTALE NELLA RICERCA, ANCHE AL DI FUORI DELL’INFN

Ricercatori 2.0 0.8 1.8 3.2 0.8 0.7 1.4 4.1

Note:

Assoc.Tecnologica

COMPOSIZIONE DEI GRUPPI DI RICERCA: B) - TECNOLOGI

Componenti del Gruppo e ricerche alle quali partecipano:

Cognome e Nome

Qualifica


Ruolo Art.23

RICERCHE DEL GRUPPO IN % Percentuale impegno in altri Gruppi

I II III IV

N.


Preventivo per l'anno 2003

Coordinatore:

Gruppo

5PAVIA

Struttura

Giacomo Bressi

1 BORIO Andrea 30T.L. 30 40

2 CALDARA Michele 50Bors. 50

3 MANGHISONI Massimo 20 30Ric 50

4 RATTI Lodovico 30 30Ric 40

5 TRAVERSI Gianluca 50Dott. 50

Mod. G. 2

1) PER I DIPENDENTI: Indicare il profilo INFN

2) PER GLI INCARICHI DI ASSOCIAZIONE: Indicare Ente da cui dipendono, Bors. T.) Borsista Tecnologo

Note:

COMPOSIZIONE DEI GRUPPI DI RICERCA: C) - TECNICI

Componenti del Gruppo e ricerche alle quali partecipano:

Cognome e Nome

Qualifica


Ruolo Art.15 Collab.tecnica

Assoc.tecnica

RICERCHE DEL GRUPPO IN % Percentuale impegno in altri Gruppi

I II III IV

N.



Coordinatore:

Gruppo

5PAVIA

Struttura

Giacomo Bressi

1 ALBERTI Fabrizio 100Cter

1 Officina meccanica 1 49.5

1 1 13 19

2 servizio elettronico .5 24.5 .5 613.5

Servizi ( mesi uomo)

Mod. G. 3

1) PER I DIPENDENTI: Indicare il profilo INFN

2) PER GLI INCARICHI DI COLLABORAZIONE TECNICA: Indicare Ente da cui dipendono

2) PER GLI INCARICHI DI ASSOCIAZIONE TECNICA: Indicare Ente da cui dipendono

Gli esperimenti usufruiscono dei Servizi Tecnici dellaSezione

Note:

Mod. G. 4

PREVISIONE DELLE SPESE DI DOTAZIONE E GENERALI DI GRUPPO

VOCI DI SPESA DESCRIZIONE DELLA SPESAIMPORTI

Parziali TotaleCompet.

In kEuro

Estero

Interno

Materialedi Consumo

Pubblicazioni Scientifiche

Spese Calcolo

Affitti e ManutenzioneApparecchiature (1)

Dettaglio della previsione delle spese del Gruppo che non afferisconoai singoli Esperimenti e per l’ampliamento della Dotazione di base del Gruppo

MaterialeInventariabile

Spese Seminari

(1) Indicare tutte le macchine in manutenzione

Trasporti e facch.

ISTITUTO NAZIONALE DI FISICA NUCLEAREPreventivo per l'anno 2003

5,0

5,0

2,0

2,0

5,0

5,0

TOTALI

Consorzio Ore CPU Spazio Disco Cassette Altro

5,0

5,0

17,0

Gruppo

5PAVIA

Struttura

1,5 4,0 10,0 5,0 20,5AM242 TP

2,0 18,0 12,0 4,0 36,0BEAMON

4,0 8,0 12,0 3,0 15,5 42,5EFRAM

2,0 10,0 1,0 13,0FLUKA

2,0 1,0 3,0NEMESI

4,0 2,0 5,0 30,0 41,0AENEAS

2,0 15,0 38,0 6,0 61,0ELRAD

2,0 8,0 1,0 4,0 15,0MIDPAC

Miss. interno

Miss. estero

Mater.di cons.

Trasp. e Facchin.

Spese Calc.

Mater.Invent.

Costruz. Appar.

TOT.Compet.

Mod. G.5

Totali (A+B+C)

PREVISIONE DELLE SPESE PER LE RICERCHE

SIGLA

ESPERIMENTO

RIEPILOGO DELLE SPESE PREVISTE PER LE RICERCHE DEL GRUPPO In kEuro

Pubbl. Scient.

Spese Semin.

S P E S A P R O P O S T A

Totali A)

C) Dotazioni di Gruppo

Totali B)

Aff. eManut. App.

17,0

117,0

249,0

2,0 5,0 5,0

67,0

25,0 44,0 40,0

85,0 8,0 4,0 60,5

5,0

8,0

24,5

40,0 36,0 8,0 4,0 15,5 115,0

ISTITUTO NAZIONALE DI FISICA NUCLEAREPreventivo per l'anno 2003

11,5

Gruppo

5PAVIA

Struttura

INFORMAZIONI GENERALI

Ciclo del combustibile 242mAm

241Am(n, γ) 242mAm(n, FF)

Reattore nucleare (canale irraggiamento). Camera di ionizzazione. Rivelatori γ.

Politecnico di Milano, Dipartimento di Ingegneria Nucleare (M. Terrani, A. Cesana)

2 anni

Linea di ricerca

Laboratorio ovesi raccolgono i dati

Sigla delloesperimento assegnata

dal Laboratorio

Acceleratore usato

Fascio

(sigla e caratteristiche)

Processo fisico studiato

Apparato strumentale utilizzato

Sezioni partecipanti all'esperimento

Istituzioni esterneall'Ente partecipanti

Durata esperimento

Mod. EC. 1

Esperimento Gruppo

Ricercatoreresponsabile locale:

PAVIA

500 AM242 TP 5

P. Benetti

Pavia

Inc. RicercaP. Benetti

CodiceISTITUTO NAZIONALE DI FISICA NUCLEARE


Struttura

[email protected]:

[email protected]

(a cura del responsabile locale)

RappresentanteNazionale:

Struttura diappartenenza:

e-mail:

Posizionenell'I.N.F.N.:

PREVENTIVO LOCALE DI SPESA PER L’ANNO 2003In kEuro


VOCIDI

SPESA

DESCRIZIONE DELLA SPESA


Totale

Mod. EC. 2

Preparazione ed irraggiamento campioni Am241 su reattore alto flusso

Trasporto internazionale su mezzi autorizzati di materiale radioattivo

Due missioni a Petten, un convegno scientifico presentazione risultati

PAVIA



Struttura

IMPORTI

ParzialiTotale

Compet.

A cura del la Comm.ne Scient i f ica Nazionale

10,0

1,5

4,0

10,0

5,0

20,5

1,5

5,0

4,0

Codice EsperimentoAM242 TP

Gruppo5500

Resp. loc.: P. Benetti

Sono previsti interventi di edilizia e/o impiantistica che ricadono sotto la disciplina della legge Merloni?Breve descrizione dell'intervento:

(a cura del responsabile locale)All. Mod. EC. 2

PAVIA



Struttura

ALLEGATO MODELLO EC 2

Il motore per esplorazioni spaziali proposto da C. Rubbia utilizza i frammenti provenientidalla fissione di 242mAm, scelto appositamente per la sua elevata sezione d'urto di fissioneneutronica.E' noto che l'americio non esiste in natura e viene prodotto, ad esempio, nel funzionamentodei reattori nucleari dove si genera una miscela di 241Am, 243Am e, in quantità di circa 0,4%anche 242mAm. Lo scarso contenuto in 242mAm è appunto dovuto alla sua elevata sezione d'urto difissione.Per l'impiego nel motore occorre invece un arricchimento in 242mAm oltre il 50%.Le tecniche di arricchimento isotopico sono complesse ed il numero delle iterazionirichieste, a pari altri parametri, cresce decisamente con il diminuire dell'abbondanzaisotopica di partenza. E' dunque interessante esplorare il processo 241Am(n, γ) 242mAm ponendoparticolare attenzione al variare della sezione d'urto con l'energia dei neutroni. Calcolipreliminari [1-3] mostrano infatti che filtrando opportunamente la componente termica nellospettro dei neutroni presenti in un reattore nucleare è possibile esaltare la produzione di242mAm per cattura rispetto alla sua scomparsa per cattura o fissione, ottenendo così in unreattore ad alto flusso una miscela contenente 242mAm con concentrazioni sino al 10%. In talcaso, come osservato in precedenza, la successiva e necessaria fase di arricchimento risultadi gran lunga più accessibile.Si propone di verificare sperimentalmente il modello teorico, apportandovi le eventualimodifiche imposte dai dati sperimentali ottenuti.

[1] vedasi ad es., C. Rubbia: "Fission fragments heating for space propulsion", CERN SL-Note2000-036 EET (2000)[2] Y. Ronen et al: " A novel method for energy production using 242mAm as a nuclear fuel"Nucl. Techn. 129,407 (2000)[3] S. Mongelli, Tesi, Politecnico di Milano, a.a. 2000/1


Gruppo5500


In kEuro

Mod. EC. 3

Note:

PREVISIONE DI SPESA: PIANO FINANZIARIO LOCALE

PER GLI ANNI DELLA DURATA DEL PROGETTO


Osservazioni del Direttore della Struttura in merito alladisponibilità di personale e di attrezzature:

Disponibilità di personale concordata:Officina meccanica: 01 m.u.Servizio elettronico: 0.5 m.u.



PAVIA

Struttura


Gruppo5500


Miss. interno

Miss. estero

Mater. di cons.

Trasp.eFacch.

SpeseCalcolo

Affitti emanut.appar.

Mat.inventar.

Costruz.apparati

TOTALECompetenza

1,5 4,0 10,0 5,0 20,5

TOTALI 4,0 10,0 5,0 20,5

ANNIFINANZIARI

2003

1,5

PREVENTIVO GLOBALE PER L'ANNO 2003In kEuro

Note:

Mod. EC. 4

(a cura del rappresentante nazionale)

A CARICO DELL’ I.N.F.N.

Miss. interno

Miss. estero

Mater. di cons.

Trasp. eFacch.

Spese Calc.

Affitti eManut.Appar.

Mater.inventar.

Costruz. appar.

TOTALECompet.

Acarico di altri Enti

10,0 5,0 20,5 0,0

TOTALI 1,5 4,0 10,0 5,0 20,5

Struttura

PAVIA 1,5 4,0

0,0



PAVIA

Struttura

NB. La colonna A carico di altri Enti deve essere compilata obbligatoriamente


Gruppo5500

Resp. Naz.: P. Benetti

Mod. EC. 5

A) ATTIVITA’ SVOLTA FINO A GIUGNO 2002

B) ATTIVITA’ PREVISTA PER L’ANNO 2003

C) FINANZIAMENTI GLOBALI AVUTI NEGLI ANNI PRECEDENTI In kEuro

E' stato scritto un programma di simulazione per il processo: 241Am+n → 242Am+242Am →che ha fornito le seguenti indicazioni-filtrando opportunamente i neutroni termici di un reattore, si possono raggiungere arricchimenti in Am242m tra 5-10%-occorre però utilizzare un reattore ad alto flusso (n> 1014 n cm-2s-1)-occorre operare con bersagli sottili

E' stato depositato Am241 per un prossimo irraggiamento

Già nel II semestre 2002 è programmato un irraggiamento con reattore ad alto flusso.Nel 2003 continueranno le prove sperimentali, con eventuali correzioni al modello per la sua validazione.


AnnoFinanziario

Missioni interno

Missioni estero

Materiale diconsumo

Trasp. eFacch.

SpeseCalcolo

Affitti eManut.Apparec.

Materialeinventar.

Costruz.apparati TOTALE

TOTALE

2002 1,5 10,0 5,0 16,5

1,5 10,0 5,0 16,5



PAVIA

Struttura


Gruppo5500


In kEuro

Mod. EC. 6

Note:

PREVISIONE DI SPESA

Piano finanziario globale di spesa


Miss. interno

Miss. estero

Materialedi

cons.

Trasp.eFacch.

SpeseCalcolo


Mat.inventar.

Costruz.apparati

TOTALECompetenza

1,5 4,0 10,0 5,0 20,5

TOTALI 1,5 4,0 10,0 5,0 20,5

ANNIFINANZIARI

2003



PAVIA

Struttura


Gruppo5500


Cognome e Nome

Qualifica



Affer. al

Gruppo

Numero totale dei Ricercatori


Gruppo

PAVIA

5500



Struttura

COMPOSIZIONE DEL GRUPPO DI RICERCA

RICERCATORI

Cognome e Nome

Qualifica


Ruolo Art. 23 Ass. Tecnol.

TECNOLOGI

N N

5,0

2,0Ricercatori Full Time Equivalent

Numero totale dei Tecnologi 1,0

0,3Tecnologi Full Time Equivalent

Cognome e Nome

Qualifica


Ruolo Art. 15 Collab.tecnica

Assoc.tecnica

TECNICI

N

Numero totale dei Tecnici 1,0

1,0Tecnici Full Time Equivalent

BENETTI Pietro 605P.A.1

CALLIGARICH Elio D.R. 2022

CESANA Alessandra (MI) 405R.U.3

RASELLI Gianluca Ric 4024

TERRANI Mario (MI) 405P.A.5

BORIO Andrea 30T.L.1

ALBERTI Fabrizio 100Cter1

(a cura del responsabile locale)Mod. EC/EN 7



Gruppo

PAVIA

5500



Struttura

COMPOSIZIONE DEL GRUPPO DI RICERCA (a cura del responsabile locale)

SERVIZI TECNICI

Officina meccanica 11

servizio elettronico 0.52

Annotazioni:

Mod. EC/EN 8

Denominazione mesi-uomo


Data completamento

MILESTONES PROPOSTE PER IL 2003 (a cura del responsabile nazionale)

30.06.2003 Risultati irraggiamenti

31.12.2003 Analisi conclusive dati; eventuale riaggiornamento modello.

Descrizione

Nessuna



Sviluppo di un rivelatore resistente alle radiazioni per il monitor di LHC

CERN, Pavia, Lawrence Berkeley Laboratory

Test beams al CERN

resistenza alle radiazioni e velocità di deriva degli elettroni nella miscela di gas per lacamera a ionizzazione, rumore e resistenza alle radiazioni di transistori bipolari al silicio eal silicio-germanio

camera a ionizzazione multigap a gas pressurizzato, canale elettronico di elaborazioneanalogica a basso rumore

Pavia

3 anni

Linea di ricerca



dal Laboratorio

Acceleratore usato

Fascio






Durata esperimento

Mod. EC. 1

Esperimento Gruppo


PAVIA

050 BEAMON 5

P.F. Manfredi

Pavia

associatoP.F. Manfredi



Struttura

[email protected]:

[email protected]




e-mail:




VOCIDI

SPESA



Totale

rinnovo licenze per simulatore circuitale ELDO (2 licenze)

Mod. EC. 2

Riunioni gruppo V; visite presso altre sezioni

acquisto materiale elettronico (componentistica varia, transistori

Caratterizzazione e integrazione della nuova versione dell'elettronica

PAVIA



Struttura

bipolari a microonde, produzione circuiti stampati, cavi resistenti alle

di lettura con la camera a ionizzazione al Lawrence Berkley National

radiazioni)

Laboratory (40 giorni uomo); test del sistema al CERN (40 giorni uomo)

IMPORTI

ParzialiTotale

Compet.


4,0

2,0

18,0

12,0

4,0

36,0

2,0

12,0

18,0

Codice EsperimentoBEAMON

Gruppo5050

Resp. loc.: P.F. Manfredi



PAVIA



Struttura


A) ATTIVITA' SVOLTA FINO AL GIUGNO 2002

Nel primo semestre dell'anno 2002 l'attività del Gruppo di Pavia relativa all'esperimento BEAMON si è concentrata sui problemidi ottimizzazione del sistema di lettura, composto da una camera a ionizzazione multigap e da un canale di lettura a bassorumore. E' stato dimostrato che l'elettronica di front-end ottenuta al termine della seconda iterazione ha le proprietà necessarieper effettuare una formatura rapida del segnale, compatibile con il periodo di interbunch di LHC (25 ns), in presenza di unrivelatore con capacità dell'ordine di 50 pF. I risultati del test su fascio effettuato al CERN nel settembre del 2001 hannoevidenziato che la nuova versione del rivelatore, approntata nell'estate dello stesso anno, è priva delle componenti induttive cheavevano caratterizzato il prototipo, ma presenta d'altro canto una capacità di uscita di circa 180 pF. In queste condizioni, ilsistema di rivelazione non è in grado di fornire, in corrispondenza di ciascun evento, un segnale con la durata alla baserichiesta. Sono dunque state proposte due versioni alternative del canale di lettura, che consentano di ottenere i risultatidesiderati, in termini di velocità di elaborazione, pur in presenza di un rivelatore con caratteristiche non ottimali. La primasoluzione consiste nell'inserimento, nella catena di elaborazione, di due stadi di cancellazione polo-zero. Il loro compito è quellodi eliminare gli effetti di aumento della durata del segnale legati al tempo di raccolta della carica nel rivelatore ed alla costante ditempo associata all'impedenza caratteristica della linea di trasmissione ed alla capacità parassita della camera a ionizzazione.Nella seconda soluzione, di tipo delay-line clipper, il segnale all'uscita del canale di misura viene sommato ad una sua versioneopportunamente ritardata ed attenuata. Durante il periodo gennaio -giugno 2002 sono state effettuate simulazioni circuitaliriguardanti i due schemi proposti, allo scopo di verificarne l'efficacia e la fattibilità.Durante lo stesso periodo del 2002 è stato condotto uno studio della resistenza alle radiazioni ionizzanti dei transistori bipolaridiscreti impiegati nella realizzazione del preamplificatore di carica. I dispositivi sono stati esposti a raggi g presso il Laboratorioper l'Energia Nucleare Applicata (LENA) di Pavia. La dose finale di 100 kGy è stata raggiunta attraverso quattro successiviirraggiamenti con dosi integrate parziali di 25 kGy.

B) ATTIVITA' PREVISTA PER L'ANNO 2003

Sulla base dei risultati ottenuti nel 2002 si prevede una terza iterazione dell'elettronica di lettura. Il nuovo circuito di front-enddovrà essere in grado di effettuare misure di carica alla frequenza di 40 MHz su segnali provenienti da un rivelatore concapacità di 180 pF. Si prevede dunque il progetto e la fabbricazione di alcuni prototipi che implementino le soluzioni studiate(con linea di ritardo e con stadi di cancellazione polo-zero); seguirà, nel settembre del 2003, il collaudo del sistema completo(rivelatore ed elettronica di lettura) sul fascio del Super Proton Syncrotron presso il CERN di Ginevra. Sempre nel 2003 sidevono eseguire i test di resistenza alla radiazione del cavo e dell'elettronica di front-end.


Gruppo5050


In kEuro

Mod. EC. 3

Note:





Nesssuna



PAVIA

Struttura


Gruppo5050


Miss. interno

Miss. estero

Mater. di cons.

Trasp.eFacch.

SpeseCalcolo


Mat.inventar.

Costruz.apparati

TOTALECompetenza

2,0 18,0 12,0 4,0 36,0

TOTALI 18,0 12,0 4,0 36,0

ANNIFINANZIARI

2003

2,0


Note:

Mod. EC. 4



Miss. interno

Miss. estero

Mater. di cons.

Trasp. eFacch.

Spese Calc.


Mater.inventar.

Costruz. appar.

TOTALECompet.


12,0 4,0 36,0 0,0

TOTALI 2,0 18,0 12,0 4,0 36,0

Struttura

PAVIA 2,0 18,0

0,0



PAVIA

Struttura



Gruppo5050

Resp. Naz.: P.F. Manfredi

Mod. EC. 5





AnnoFinanziario

Missioni interno

Missioni estero

Materiale diconsumo

Trasp. eFacch.

SpeseCalcolo


Materialeinventar.


TOTALE



PAVIA

Struttura


Gruppo5050


In kEuro

Mod. EC. 6

Note:

PREVISIONE DI SPESA



Miss. interno

Miss. estero

Materialedi

cons.

Trasp.eFacch.

SpeseCalcolo


Mat.inventar.

Costruz.apparati

TOTALECompetenza

2,0 18,0 12,0 4,0 36,0

TOTALI 2,0 18,0 12,0 4,0 36,0

ANNIFINANZIARI

2003



PAVIA

Struttura


Gruppo5050


Cognome e Nome

Qualifica



Affer. al

Gruppo



Gruppo

PAVIA

5050



Struttura


RICERCATORI

Cognome e Nome

Qualifica



TECNOLOGI

N N

3,0




Cognome e Nome

Qualifica



Assoc.tecnica

TECNICI

N

Numero totale dei Tecnici

Tecnici Full Time Equivalent

MANFREDI Pierfrancesco 301P.C.1

RE Valerio 201P.A.2

SPEZIALI Valeria 305P.A.3

CALDARA Michele 50Bors.1

MANGHISONI Massimo 20Ric2

RATTI Lodovico 30Ric3

TRAVERSI Gianluca 50Dott.4




Gruppo

PAVIA

5050



Struttura


SERVIZI TECNICI Annotazioni:

Mod. EC/EN 8



Data completamento


31-12-2003 Test su fascio al CERN del sistema completo comprendente le nuove versioni dell'elettronica di front-end e dellacamera a ionizzazione. Prove di resistenza alla radiazione sul cavo e sull'elettronica di front-end.

Descrizione

Nessuna



Effetti biologici delle radiazioni massive utilizzate nella BNCT

LENA - Università di Pavia

EFRAM

Reattore nucleare Triga Mark II

Neutroni termici - φ =10+10 cm -2 sec -1

Rilascio di energia e dosi biologiche in tessuti di diversi organi

Telescopio di rivelatori al silicio - doppia catena elettronica - analizzatore - criostato per lapreparazione di campioni biologici - imaging

Pavia

clinica chirurgica università Paviadipartimento biologia animale università di Paviapoliclinico S. Matteo - Pavia

2 anni

Linea di ricerca



dal Laboratorio

Acceleratore usato

Fascio






Durata esperimento

Mod. EC. 1

Esperimento Gruppo


PAVIA

510 EFRAM 5

T. Pinelli

Pavia

Inc. Ric.T. Pinelli



Struttura

[email protected]:

[email protected]




e-mail:




VOCIDI

SPESA



Totale

bilancia pesata campioni (risoluzione 0.01mg)

Mod. EC. 2

contatti con altre sezioni INFN; seminari e Workshop

gas liquefatti (N, He)

trasporto materiale radioattivo

congressi e visite centri di ricerca applicata alla medicina

PAVIA



Struttura

visite ai fornitori

rivelatore Ortec Si extrasottile

materiale e costruzione fantocci

1 rivelatore Si Ortec (50µm)

materiali vari per elettronicavari materiali per misure con apparati elettronici

IMPORTI

ParzialiTotale

Compet.


1,5

6,0

4,0

8,0

12,0

3,0

15,5

42,5

3,5

3,0

8,0

0,5

8,01,5

6,5

4,0

Codice EsperimentoEFRAM

Gruppo5510

Resp. loc.: T. Pinelli



PAVIA



Struttura


Nel primo semestre del 2002 è stato messo a punto il sistema biofisico per la misura dellasopravvivenza delle cellule tumorali dell'adenocarcinoma del colon. La misura prevede diottenere la percentuale della sopravvivenza in frazione della dose fisica somministrata. Lemisure sono iniziate.

Purtroppo non è stato possibile acquisire il rivelatore speciale Ortec extrasottile perinsufficienza di fondi. E' stato iniziato il montaggio insieme alle prime provedell'apparecchiatura elettronica da accoppiare al detto rivelatore. Appena possibile sarannoiniziate le misure di stopping power di particelle α in tessuti epatici.


Gruppo5510


In kEuro

Mod. EC. 3

Note:






A causa di un disguido il finanziamento èstato molto inferiore al previsto. Le richiesteper il 2003 sono fondi superiori al previsto.



PAVIA

Struttura


Gruppo5510


Miss. interno

Miss. estero

Mater. di cons.

Trasp.eFacch.

SpeseCalcolo


Mat.inventar.

Costruz.apparati

TOTALECompetenza

4,0 8,0 12,0 3,0 15,5 42,5

TOTALI 8,0 12,0 3,0 15,5 42,5

ANNIFINANZIARI

2003

4,0


Note:

Mod. EC. 4



Miss. interno

Miss. estero

Mater. di cons.

Trasp. eFacch.

Spese Calc.


Mater.inventar.

Costruz. appar.

TOTALECompet.


12,0 3,0 15,5 42,5 5,0

TOTALI 4,0 8,0 12,0 3,0 15,5 42,5

Struttura

PAVIA 4,0 8,0

5,0



PAVIA

Struttura



Gruppo5510

Resp. Naz.: T. Pinelli

Mod. EC. 5




-Misure dose-effetto in riferimento alla sopravvivenza di cellule di colon carcinoma trattate con BNCT.-Preparazione apparati per misura de/dx in tessuto epatico.

- Estensione delle misure ad altri organi trapiantati. Eventuale misura di EBR in cellule epatiche sane.


AnnoFinanziario

Missioni interno

Missioni estero

Materiale diconsumo

Trasp. eFacch.

SpeseCalcolo


Materialeinventar.


TOTALE

2002 1,0 2,0 9,0 1,5 12,0 25,5

1,0 2,0 9,0 1,5 12,0 25,5



PAVIA

Struttura


Gruppo5510


In kEuro

Mod. EC. 6

Note:

PREVISIONE DI SPESA



Miss. interno

Miss. estero

Materialedi

cons.

Trasp.eFacch.

SpeseCalcolo


Mat.inventar.

Costruz.apparati

TOTALECompetenza

1,0 2,0 9,0 1,5 12,0 25,5

TOTALI 5,0 10,0 21,0 4,5 27,5 68,0

ANNIFINANZIARI

2002



PAVIA

Struttura

4,0 8,0 12,0 3,0 15,5 42,52003


Gruppo5510


Cognome e Nome

Qualifica



Affer. al

Gruppo



Gruppo

PAVIA

5510



Struttura


RICERCATORI

Cognome e Nome

Qualifica



TECNOLOGI

N N

3,0


Numero totale dei TecnologiTecnologi Full Time Equivalent

Cognome e Nome

Qualifica



Assoc.tecnica

TECNICI

N



ALTIERI Saverio 503R.U.1

FOSSATI Francesca 705P.A.2

PINELLI Tazio 605P.O.3




Gruppo

PAVIA

5510



Struttura


SERVIZI TECNICI



Annotazioni:

Mod. EC/EN 8



Data completamento

MILESTONES PROPOSTE PER IL 2003 (a cura del responsabile nazionale)Descrizione

Nessuna



sviluppo del codice MC FLUKA e delle sue applicazioni interdisciplinari e tecnologiche

interazione particelle elementari con la materia

MI, LNF, PV, PD

CERN (Svizzera), NASA (USA), GSF (Germania), ETH (Svizzera)

4 anni

Linea di ricerca



dal Laboratorio

Acceleratore usato

Fascio






Durata esperimento

Mod. EC. 1

Esperimento Gruppo




PAVIA

514 FLUKA 5

G. Battistoni

Milano

Dir. Ric.D. Scannicchio



Struttura

[email protected]:[email protected]:




(a cura del responsabile locale)Mod. EC. 2

PAVIA



Struttura

Codice EsperimentoFLUKA

Gruppo5514

Resp. loc.: D. Scannicchio

VOCIDI

SPESA



Totale

incontri con collaboratori nazionali

Supporti vari, software

1.5 mesi uomo al CERN per collaborazioni con il CERN (A. Ferrari etal)

Note:

2 partecipazioni a congressi internazionali

IMPORTI

ParzialiTotale

Compet.


1,0

2,0

10,0

1,0

13,0

2,0

7,03,0



PAVIA



Struttura


ATTIVITA' PREVISTA PER LE SEZIONI DI PAVIA E MILANO(Le sezioni di Pavia e Milano portano avanti la propria attività in modo integrato e coordinato con il gruppo del CERN (Ferrari etal))

1) Aspetti tecnologici

Nel 2002 e' stato messo in funzione il server web INFN per FLUKA, aprendo anche il dominio "fluka.org". Nel 2003 si prevede diaumentare le funzionalita' offerte dal server completando il servizio FAQ e la documentazione accessibilegià . Sara'ulteriormente definito il protocollo di utilizzo, che in una versione molto preliminare e' stato introdotto per il rilascio del codicetramite l'attuale server web.E' stata iniziata la stesura aggiornata del manuale FLUKA in LaTeX e nel 2003 sara' completata la versione HTML. A questoproposito ci si propone di implementare una serie di esempi documentati dell'uso FLUKA accessibili elettronicamente. Nelquadro del miglioramento degli strumenti di interfaccia utente del codice Fluka, ci si propone nel 2003 di implementare il codicecon un nuovo formato di output, che permetta di effettuare le analisi fisiche con l'ambiente grafico Root, sviluppato al Cern eormai ben noto in ambito INFN.Nel 2003 proseguira' lo studio per il trasferimento della gestione del codice in ambiente CVS.Nel 2002 sara' completata l'interfaccia alla geometria di GEANT-4 (FLUGG) e se ne prevede la diffusione nel 2003.

2) Sviluppo della modellistica e del codice

Nel 2002 e' stata rilasciata una prima versione di FLUKA interfacciata al modello DPMJET-II.5 per l'interazione di ioni con E>5GeV/A. Per il 2003 prevediamo il passaggio a DPMJET-III che offre piu' garanzie.Per quanto riguarda la regione E<5 GeV/A, nel 2002 e' stato iniziato lo studio di fattibilita' dell'interfaccia con un modello basatosulla Quantum Molecular Dynamics. Per il 2003 prevediamo di arrivare ad una decisione finale in merito a questo approccio enel contempo di cominciare il lavoro di integrazione di un modello sviluppato da E.Gadioli e altri a Milano per le interazioni di ionisotto i 100 MeV/amu, basato sulla Boltzmann Master Equation. Nel 2003 è anche previsto l'upgrade di certi aspetti del modellodi interazione adronica.Nel 2002 e' stato iniziato il lavoro sul miglioramento e la semplificazione del codice, attraverso lo sviluppo di una nuovageometria, con un livello maggiore di astrazione, e l'eliminazione di file intermedi per i materiali nel caso delle simulazioni delleinterazioni elettromagnetiche. Il lavoro proseguira' nel 2003, rilasciando progressivamente le versioni iniziali.Sempre nel capitolo geometria, gia' nel 2002 e' stato iniziato il lavoro per l'introduzione della geometria 3-D a "voxel".

3) Sviluppo delle applicazioni del codice

Nel 2002 e' stata iniziato il lavoro di accoppiamento del codice FLUKA a fantocci antropomorfi per il calcolo degli effettiradio-biologici. Tale lavoro andra' portato avanti anche nel 2003, nel quadro della attivita' già in corso sul fantoccio 3D.Per quanto riguarda le applicazioni relative ai raggi cosmici, gia' a partire dal 2002 si sta cercando di definire una collaborazionecon il gruppo di Karlsruhe per introdurre l'uso di Fluka nel pacchetto di codici del Monte Carlo CORSIKA.


Gruppo5514


In kEuro

Mod. EC. 3

Note:





Nessuna



PAVIA

Struttura

Miss. interno

Miss. estero

Mater. di cons.

Trasp.eFacch.

SpeseCalcolo


Mat.inventar.

Costruz.apparati

TOTALECompetenza

2,0 10,0 1,0 13,0

TOTALI 10,0 1,0 13,0

ANNIFINANZIARI

2003

2,0


Gruppo5514


Cognome e Nome

Qualifica



Affer. al

Gruppo



Gruppo

PAVIA

5514



Struttura


RICERCATORI

Cognome e Nome

Qualifica



TECNOLOGI

N N

8,0



Cognome e Nome

Qualifica



Assoc.tecnica

TECNICI

N



BALLARINI Francesca 205AsRic1

COPPOLA Antonio 805AsRic2

DI LIBERTO Riccardo 305Pol.S.Matte

3

GARZELLI Maria Vittoria 805AsRic4

MONTAGNA Paolo 203R.U.5

OTTOLENGHI Andrea 205P.A.6

PANZARASA Alberto 203DIS7

SCANNICCHIO Domenico 502P.O.8



Nessuna


Gruppo

PAVIA

5514



Struttura

COMPOSIZIONE DEL GRUPPO DI RICERCA (cont.)






Rivelatori a semiconduttore a bassa temperatura con bassa soglia di rivelazione

PV, PD, FE

NEMESI

Drift di elettroni in semiconduttori ultrapuri a bassa temperatura e processo dimoltiplicazione su microstrip o per evaporazione in vuoto sotto alti campi per mezzo distrutture a micro-punte.

Criostati - camere per alto vuoto

PD, PV, FE, RM1

1 anno (prolungamento)

Linea di ricerca



dal Laboratorio

Acceleratore usato

Fascio






Durata esperimento

Mod. EC. 1

Esperimento Gruppo


PAVIA

320 NEMESI 5

G. Bressi

Pavia

I RicercatoreG. Bressi



Struttura

[email protected]:

[email protected]




e-mail:




VOCIDI

SPESA



Totale

Mod. EC. 2

Trasferte PD e FE

Criogenia (LN2 + metabolismo)

PAVIA



Struttura

IMPORTI

ParzialiTotale

Compet.


1,0

2,0

1,0

3,0

2,0

Codice EsperimentoNEMESI

Gruppo5320

Resp. loc.: G. Bressi



PAVIA



Struttura


L'esperimento era previsto della durata di 2 anni. Si chiede il prolungamento di un anno,questo a causa di ritardi nella sperimentazione su diodi con strutture moltiplicanti. Questidevices vengono costruiti nel laboratorio di Ferrara, consentendo ampie libertà diprogettazione e costi contenuti (solo materiale) che non sarebbero possibili con lacollaborazione con ditte esterne. Il gruppo di Ferrara si è aggregato da un anno, ed ilritardo è dovuto ai tempi necessari per attrezzarsi ed acquisire esperienza nellaprogettazione e costruzione dei rivelatori.


Gruppo5320


In kEuro

Mod. EC. 3

Note:








PAVIA

Struttura


Gruppo5320


Miss. interno

Miss. estero

Mater. di cons.

Trasp.eFacch.

SpeseCalcolo


Mat.inventar.

Costruz.apparati

TOTALECompetenza

2,0 1,0 3,0

TOTALI 1,0 3,0

ANNIFINANZIARI

2003

2,0


Note:

Mod. EC. 4



Miss. interno

Miss. estero

Mater. di cons.

Trasp. eFacch.

Spese Calc.


Mater.inventar.

Costruz. appar.

TOTALECompet.


14,0 1,5 11,5 33,0 0,0

TOTALI 9,0 4,0 19,0 1,5 11,5 45,0

Struttura

FERRARA 2,0 4,0

0,0



PAVIA

Struttura


1,0 4,0 0,0ROMA1 3,01,0 3,0 0,0PAVIA 2,03,0 5,0 0,0PADOVA 2,0


Gruppo5320

Resp. Naz.: G. Bressi

Mod. EC. 5




- vedere allegato -

Misure su diodi al silicio con strutture moltiplicanti sia a microstrip che a micropunte a bassa temperatura: misure di efficienzae stabilità.Misure di trasporto e di trapping su diodi al silicio spessi (vari cm.) a basse temperature.


AnnoFinanziario

Missioni interno

Missioni estero

Materiale diconsumo

Trasp. eFacch.

SpeseCalcolo


Materialeinventar.


TOTALE

2001 11,0 5,5 47,5 10,0 74,0

20,0 11,5 93,5 10,0 135,0



PAVIA

Struttura

2002 9,0 6,0 46,0 61,0


Gruppo5320


In kEuro

Mod. EC. 6

Note:

PREVISIONE DI SPESA



Miss. interno

Miss. estero

Materialedi

cons.

Trasp.eFacch.

SpeseCalcolo


Mat.inventar.

Costruz.apparati

TOTALECompetenza

9,0 4,0 19,0 1,5 11,5 45,0

TOTALI 9,0 4,0 19,0 1,5 11,5 45,0

ANNIFINANZIARI

2003



PAVIA

Struttura


Gruppo5320


Cognome e Nome

Qualifica



Affer. al

Gruppo



Gruppo

PAVIA

5320



Struttura


RICERCATORI

Cognome e Nome

Qualifica



TECNOLOGI

N N

2,0



Cognome e Nome

Qualifica



Assoc.tecnica

TECNICI

N



BRESSI Giacomo I Ric 5051

FERRARI Roberto I Ric 3012




Gruppo

PAVIA

5320



Struttura


SERVIZI TECNICI



Annotazioni:

Mod. EC/EN 8



Data completamento

MILESTONES PROPOSTE PER IL 2003 (a cura del responsabile nazionale)Descrizione

Nessuna


ESPERIMENTO NEMESI :

ATTIVITA’ SVOLTA NELLA PRIMA META’ DEL 2001

Per quanto riguarda i rivelatori al germanio sono state effettuate misure su campioni

spessi sino ad 1cm. alla temperatura di 10 0K con una semplice struttura metallo-semiconduttore –metallo , al posto della struttura PIN che viene fornita dalle casecostruttrici di questi rivelatori. I risulaltati sono stati ottimi dal punto di vista della

risoluzione in energia, ottenendo per la stessa gli stessi valori dei prodotti commercialimolto piu’ costosi. La realizzazione del rivelatore si e’ rivelata molto semplice, basandosisolo su una evaporazione su entrambe le facce di un elettrodo metallico.

Dal punto di vista pero’ della nostra applicazione, i valori di corrente oscura si sonomantenuti su valori dell’ordine del nA per cm2 , che risultano proibitivi per larealizzazione di strutture amplificanti necessarie per portare la soglia di rivelazione a

pochi elettroni.Per quanto riguarda invece i rivelatori al silicio, sono stati ottenuti dal laboratorio diFerrara dei diodi PIN con correnti di fuga inferiori al pA/cm2 con campi di 1-2KV/cm a

temperature dai 10 ai 77 0K, che sono stati testati agli inizi dell’anno e che hannomostrato una buona risoluzione energetica.Stanno per essere prodotti solo in questi ultimi tempi campioni di questi diodi con

strutture amplificanti (micropunte e microstrips) su di una faccia. Il ritardo e’ dovutosostanzialmente al tempo necessario al laboratorio di Ferrara ( che e’ entrato nellacollaborazione dopo il primo anno) ad attrezzarsi ed ad acquisire esperienza in merito.

La collaborazione con un laboratorio universitario permette sicuramente di portare avantiuna sperimentazione del genere con costi contenuti (solo materiale ed attrezzature) : lacosa non sarebbe possibile con ditte esterne se non a prezzi esorbitanti trattandosi di

produzioni non standard dal punto di vista commerciale.Per questo motivo si chiede il prolungamento di un anno dell’attivita’ con richiesteeconomiche modeste : solo la sezione di Ferrara chiede un finaziamento ragionevole,

mentre Pavia e Padova che sono i laboratori di test chiedono un minimo finanziamento,potendo farsi riassegnare il residuo di quest’anno sull’anno prossimo . Buona parte delbudget di Pavia e Padova non e’ stato speso poiche’ si sono effettuati pochi tests.

Prevediamo quindi che nel prossimo autunno e agli inizi del prossimo anno si possanorealizzare le misure necessarie a definire il rivelatore a bassa soglia, puntando tutto sulSilicio per le sue caratteristiche di bassissima corrente di fuga a temperature che vannodai 10 ai 77 0K (LN2).


PAVIA



Struttura


Reazioni nucleari indotte da neutroni veloci, analisi elementare con spettroscopia gamma con latecnica della particella associata, sviluppo di un sistema di tracciamento di neutroni di 14 MeV perapplicazioni nell'ambito della sicurezza

L.N.L., LENA-Pavia, Institute Rudjer Boskovic-Zagabria

VdG dell'IRB-Zagabria, sorgenti isotopiche di neutroni, generatore di neutroni da 14 MeV

Neutroni da 14 MeV

Emissione gamma in coincidenza con fasci di neutroni etichettati, analisi di elementileggeri (HCNO)

Apparato di tracciamento della particella associata, scintillatori per rivelazione alfa,scintillatori per rivelazione gamma, generatori portatili di neutroni, sistemi di acquisizionedati ed analisi automatica

PD, LNL, TO, AL, ROMAIII, PV,BS

Institute Rudjer Boskovic (Zagabria), EADS-SODERN (Parigi), CRYTUR (Praga)

2 anni (2003-2004)

Linea di ricerca


Acceleratore usato

Fascio(sigla e caratteristiche)





Durata esperimento

Mod. EN. 1

P R O G R A M M A D I R I C E R C A

A) I N F O R M A Z I O N I G E N E R A L I

B) S C A L A D E I T E M P I : piano di svolgimento

PERIODO ATTIVITA’ PREVISTA

2003

2004

Costruzione e test dei sistemi a PV e LNL, scrittura codici di calcolo e analisi dati

Costruzione e test dei sistemi a PV e LNL , scrittura codici di calcolo e analisi dati

Nuovo Esperimento GruppoAENEAS 5

Nebbia

Padova

Primo RicercatoreV. Filippini

[email protected]:



[email protected]:



(a cura del responsabile locale)Mod. EN. 2

PAVIA



Struttura


Resp. loc.: V. Filippini

VOCIDI

SPESA



Totale

Acquisto prototipo generatori di neutroni

Riunioni di collaborazione

Mantenimento laboratorio di neutroni

Test IRB Zagabria

Note:

Missioni LNL

Attività UE

IMPORTI

ParzialiTotale

Compet.


5,0

30,0

4,0

2,0

5,0

30,0

41,0

1,0

sj

di cui 30 sj

di cui 30 sj

4,0

1,0


(a cura del responsabile locale)All. Mod. EN. 2

PAVIA



Struttura

ALLEGATO MODELLO EN 2

- vedere allegato -



In kEuro

Mod. EN. 3

Note:





Nessuna



PAVIA

Struttura



Miss. interno

Miss. estero

Mater. di cons.

Trasp.eFacch.

SpeseCalcolo


Mat.inventar.

Costruz.apparati

TOTALECompetenza

4,0 2,0 5,0 30,0 41,0

TOTALI 4,0 10,0 30,0 52,0

ANNIFINANZIARI

2003

8,0

4,0 2,0 5,0 11,02004

Cognome e Nome

Qualifica



Affer. al

Gruppo


Codice EsperimentoAENEAS

Gruppo

PAVIA

5



Struttura


RICERCATORI

Cognome e Nome

Qualifica



TECNOLOGI

N N

2,0



Cognome e Nome

Qualifica



Assoc.tecnica

TECNICI

N



FILIPPINI Valerio I Ric 4031

ZENONI Aldo 303P.S.2



Nessuna

Codice EsperimentoAENEAS

Gruppo

PAVIA

5



Struttura

COMPOSIZIONE DEL GRUPPO DI RICERCA (cont.)





Proposta di Esperimento in CSN V , 27.6.2002

AENEAS

Analisi Elementale con Neutroni nell’Ambito della Sicurezza

Introduzione :

L’utilizzo di reazioni indotte da neutroni veloci per l’analisi elementale non distruttiva di campionimassivi è ben documentato in numerose applicazioni industriali, per il monitoraggio dell’ambiente,per la salvaguardia nucleare ed in campo medico[1-3].Un particolare interesse riguarda l’ utilizzo di tali tecniche nell’ambito della sicurezza e dellarepressione del contrabbando, ovvero nella ricerca di materiali illeciti che transitino attraverso lefrontiere con varie modalità di trasporto utilizzando i canali commerciali (aeroporti, porti marittimi,autotrasporti ecc.), o che vengano introdotti illegalmente in ambienti pubblici a scopo terroristico(aerostazioni, sistemi di trasporto urbani, uffici pubblici, impianti sportivi ecc.).L’interesse nelle applicazioni sopra descritte risiede nelle seguenti specificità :

a) i neutroni veloci prodotti con generatori portatili (tipicamente di energia En = 14 MeV)possono facilmente penetrare un notevole volume di materiale senza essere fortementeattenuati;

b) con neutroni di 14 MeV è possibile eccitare tramite reazioni di diffusione anelastica livellinucleari anche di energia piuttosto elevata (ad esempio Ex = 4.4 MeV nel 12C o Ex = 6.1MeV nel 16O) con emissione di radiazione gamma energetica che può a sua voltaattraversare spessori di materiale di svariate decine di centimetri ed essere rivelataall’esterno dei campioni con elevata efficienza;

c) la maggior parte dei materiali illeciti in questione , in particolare esplosivi e droghe, sonocaratterizzati da una composizione chimica con peculiari rapporti stechiometrici fra elementicome H, C, N ed O, e sono trasportati in forme e dimensioni che li rendono difficilmentericonoscibili alle analisi radiografiche utilizzate dagli usuali sistemi di sicurezza .

L’utilizzo di fasci di neutroni veloci per irradiare oggetti chiusi di varie dimensioni (dalla valigetta“24 ore” al container) permette quindi , attraverso l’analisi spettrale della radiazione gamma indottada reazioni anelastiche , di caratterizzare il contenuto degli oggetti ispezionati con un elevato gradodi specificità.Un ulteriore specifico di utilizzo delle tecniche di analisi neutronica è rappresentato dalla ricerca diarmi chimiche. Le tecniche in esame sono già state utilizzate nella caratterizzazione del contenutodi ordigni bellici inesplosi in campi di addestramento o inutilizzati ed immagazzinati perdendotraccia del contenuto. In particolare tali tecniche sono state utilizzate con un certo grado di successonel programma NSCMP (Non Stockpile Chemical Material Program) dell’Esercito USA, allo scopodi identificare il contenuto di proiettili di artiglieria inesplosi e sospettati di contenere agenti chimicicome il SARIN o il Mustard Gas. Entrambe questi composti possono essere identificati tramite ilrapporto di elementi leggeri H,C,N,O e dalla presenza di quantità anomale di Cl e S, oppure di P edF. I risultati riportati dimostrano una identificazione di tali composti con un successo del 98% nelcaso di munizionamento da 105 mm che scende drasticamente al 28% nel caso di munizionamentoda 75 mm.Tali risultati dimostrano che, mentre da un lato la tecnica impiegata assicura una non ambiguaidentificazione dei composti ricercati, dall’altro la sensibilità della tecnica (legata al volume delcampione analizzato) richiederebbe un notevole miglioramento per ampliare lo spettro delle

Il problema del parametro “sensibilità” è quindi nodale nel caso riportato ma anche in tutte leapplicazioni simili nelle quali si utilizzi una sorgente di neutroni isotropa. Tale parametro è infattidirettamente legato al rapporto Segnale/Rumore (S/R) determinato dalla presenza nello spettrogamma risultante dall’irraggiamento di componenti dovute alle collisioni dei neutroni con ilmateriale circostante l’oggetto investigato, con le strutture dell’apparato nonché con gli stessirivelatori.Nelle precedenti attività di ricerca del nostro gruppo, il problema dell’ ottimizzazione del rapportoSegnale/Rumore in sistemi che utilizzano neutroni da 14 MeV è stato studiato in dettaglio sull’apparato che utilizza fasci “etichettati” di neutroni realizzato presso l’acceleratore CN deiLaboratori Nazionali di Legnaro[4]. I risultati delle misure effettuate con tale apparato dimostranoche il rapporto S/R nell’identificazione di campioni di C ed O migliora almeno di un fattore 4rispetto ad un irraggiamento senza tracciamento del neutrone aumentando quindi di un medesimofattore la sensibilità del metodo.Con l’ esperimento AENEAS proponiamo di studiare l’ applicazione delle tecniche di analisinon distruttive specificatamente nel campo della sicurezza.

Proposta di attività biennale nell’ambito della sicurezza :

Il problema dell’identificazione di materiale illecito nascosto in bagaglio e/o containerscommerciali presenta alcune caratteristiche che lo differenziano dalla identificazione di esplosiviapplicata allo sminamento umanitario, su cui abbiamo lavorato in passato (esperimentoEXPLODET). Di conseguenza le tecnologie messe a punto per questo ultimo scopo richiedonoalcune modifiche ed adattamenti.Da una parte vi sono alcuni requisiti rigorosi per l’utilizzo nel campo del de-mining che diventanomeno stringenti per l’applicazione in ambienti protetti e serviti da impianti tecnologici come adesempio aeroporti o edifici pubblici : limitazioni di peso ed ingombro degli apparati, robustezza,impermeabilità, resistenza ad alte e basse temperature, basso consumo di potenza elettrica, assenzadi sistemi di raffreddamento .D’altra parte, per non rallentare il flusso di merci e persone attraverso i sistemi di sicurezza econtrollo, i sistemi di scanning devono prevedere un sensore veloce in grado di ispezionarerapidamente un contenitore ed identificare la zona sospetta ed un sensore ad alta specificità in gradodi verificare la posizione e la natura dell’oggetto sospetto.Le tecnologie attualmente disponibili e/o allo studio prevedono l’impiego di metodi radiograficiavanzati ( dual energy X-radiography, X-ray tomography, ground penetrating radars ecc.) checomunque sono in grado solamente di dare un’immagine del contenuto degli oggetti ispezionati,oppure di analisi microchimiche di elementi in traccia (ad es. ion mobility chromatography) cheoltre ad essere intrinsecamente piuttosto lente, richiedono la presenza sulla superficie dell’oggettodi particelle del composto chimico ricercato.L’utilizzo di metodi di analisi non distruttiva basate sulla diffusione anelastica di neutroni incombinazione con il metodo basato sul backscattering di neutroni possono rappresentare unatecnologia competitiva nel campo della sicurezza che coniughi la velocità di scansione e laspecificità dell’informazione.

La realizzazione di un sistema completo di sensori che soddisfino i requisiti sopra descritti richiedel’utilizzo di :

1) un generatore portatile sigillato di neutroni da 14 MeV con un rateo su 4π di 107-108

neutroni/sec dotato di un sistema integrato di tracciamento della particella alfa . Peresempio, un fascio di neutroni etichettati di circa 25-30 msrad (utilizzando per il tagging unrivelatore di α di 1x1 cm2 posto a circa 6-7 cm. dal bersaglio di trizio) permette di

di neutroni di circa 105 n/sec. Considerando una risoluzione temporale di circa 1-2 nsec peril singolo evento neutrone-gamma, si può definire una finestra di circa 10 cm nella zona dianalisi ottenendo cosi’ l’identificazione di un elemento di volume (voxel) di circa 10x10x10cm3 . Tali dimensioni sono adeguate alla analisi di oggetti di dimensioni di svariate decine dicm come ad esempio valige, bauli e scatoloni. Un sistema evoluto dovrebbe essere in gradodi ispezionare simultaneamente più voxel.

2) Un sistema di rivelazione a grande area ed elevata efficienza per la identificazione rapida dianomale concentrazioni di idrogeno nell’oggetto ispezionato in quanto sia gli esplosivi chela maggior parte delle droghe sono caratterizzate da alte concentrazioni di idrogeno ecomunque di elementi leggeri. Tale sistema può essere quindi basato sulla tecnica delbackscattering neutronico come dimostrato dai risultati preliminari del progetto DIAMINE.Un tale sistema deve essere in grado di identificare concentrazioni di materiale idrogenatodell’ordine di almeno 100-150 g, e di identificarne la posizione, in tempi compatibili con lanormale movimentazione dei colli ispezionati (ad esempio la Federal AviationAdministration prevede un tempo di ispezione di 6-7 secondi per bagaglio).

3) Un sistema di rivelatori di radiazione gamma di elevata efficienza e con ottima risoluzionetemporale (per assicurare la dimensione trasversale del voxel analizzato in circa 10 cmcome descritto al punto 1). Come già riportato, uno dei fattori più rilevanti checaratterizzano la presenza di esplosivi e droghe differenziandoli dal “background” è dato dalrapporto Carbonio/Ossigeno. Di conseguenza i rivelatori γ utilizzati devono garantireun’adeguata efficienza per radiazione gamma nel range 4-7 MeV. Tali rivelatori devonoaltresi’ consentire l’identificazione e l’analisi quantitativa di elementi caratteristici(P,S,F,Cl) di agenti chimici in munizionamento inesploso, occorre quindi studiare conattenzione anche la risposta dei rivelatori considerati a radiazione gamma di più bassaenergia (1-2 MeV).

Si propone un programma di ricerca biennale (2003-2004) per la definizione, la realizzazioneed il test di laboratorio delle componenti fondamentali per la realizzazione di un futurosistema di analisi non distruttiva avente le caratteristiche descritte ai punti 1-3. Taleprogramma utilizzarà le competenze acquisite, le strutture realizzate e le collaborazionistabilite sia in Italia che all’estero nell’ambito delle attività precedenti (EXPLODET,DIAMINE) del nostro gruppo.

Il programma proposto di articola nei seguenti punti.

Generatore di neutroni e sistema di tracciamento :

La realizzazione di un generatore di neutroni portatile che preveda l’utilizzo della particellaassociata è stato affrontato nell’ ambito di un PRIN cofinanziato dall’ INFN negli anni 1999-2000-2001 in collaborazione con la ditta francese EADS-Sodern. Le condizioni di lavoro di un tubogeneratore sono tali per cui l’inserimento al suo interno di un rivelatore di particelle carichepresenta alcune difficoltà tecnologiche rilevanti. I sistemi portatili sono infatti sigillati a causa delcontenuto di trizio (circa 1 GBq) per superare problemi legati alla contaminazione dell’ambiente, intali condizioni il vuoto all’interno del sistema elettrostatico (che opera tipicamente ad una tensionedi 90-120 KV) è garantito da sistemi passivi (tipo getter) e dalla pulizia e degassamento di tutte lecomponenti interne. A tale scopo, all’atto dell’assemblaggio finale, il generatore è sottoposto ad unciclo termico di alcune ore ad una temperatura di circa 400 oC . La procedure di adsorbimento delgas di trizio sul bersaglio viene inoltre effettuata con il generatore completamente assemblato senza

ulteriori fasi di pompaggio e/o pulizia. Si impongono quindi una serie di requisiti stringenti nellascelta delle componenti da inserire all’interno del tubo generatore stesso :

a) Tutti i materiali utilizzati devono essere compatibili con l’alto vuoto nel tubo acceleratore(10-8 torr). Il rateo di degassamento deve essere inferiore a 10-11 torr/litro.sec.

b) Vanno evitati materiali che rilascino polveri, con alta tensione di vapore (plastiche, collanti),e materiali idrogenabili (Ti, Zr, V, ecc).

c) Vanno utilizzati materiali compatibili con un ciclo di riscaldamento a circa 400 oC peralcune ore ad una pressione di circa 10-8 torr, mentre le condizioni di utilizzo richiedono unapressione di 10-6 torr ed una temperatura massima di esercizio di circa 80 oC.

d) Il rivelatore deve essere compatibile con flussi di particelle α di circa 105 sec-1 e deve esserepossibile evaporare sulla superficie un assorbitore in grado di arrestare i deutoni diffusielasticamente sul rivelatore stesso.

E’ necessario quindi studiare rivelatori che garantiscano una buona “pulizia” rispetto alle condizionidi vuoto, una alta resistenza meccanica ed alla temperatura, un’ottima risoluzione temporale ed unarisoluzione energetica che permetta di discriminare le particelle α di circa 3.5 MeV dalla radiazionedi fondo presente all’interno del generatore stesso (elettroni, radiazione X, deutoni diffusi, neutroni)ed infine un’alta resistenza al danneggiamento da radiazioni.Tra i nuovi materiali a disposizione lo YAP:Ce [5] sembra fornire le migliori caratteristiche inrelazione sia alle proprietà meccaniche che alla buona resa luminosa ed al tempo di decadimento delsegnale. Il cristallo YAP:Ce (formula chimica YalO3) ha proprietà meccaniche di estrema durezza,resistenza alle aggressioni chimiche, non igroscopicità. Il punto di fusione è di 1875 oC (daconfrontarsi ad esempio con i 615 oC del NaI(Tl) ) , la resa luminosa dello YAP:Ce è ottima (40%relativo al NaI(Tl)) ed ha una costante di decadimento di soli 27 nsec (da confrontare ad esempiocon i 230 nsec del NaI(Tl)).Vi è da notare come l’ utilizzo di fasci etichettati permette in molte applicazioni non invasive diottenere precise informazioni non solo sulla presenza di un determinato elemento, ma anche la sualocalizzazione spaziale. A tale fine possono essere utilizzate sia informazioni sul tempo di volo delneutrone che ha generato un particolare tipo di evento, sia la distribuzione di questa classe di eventiin un array di rivelatori operati in coincidenza con il tracciatore. Un tipico esempio di questaprocedura è dato dalla registrazione degli spettri gamma prodotti da reazioni di scattering inelasticodi neutroni in sistemi di scintillatori (vedi ref 4). In tale modo è possibile esplorare la composizionedel singolo elemento di volume della regione irradiata. Un limite pratico nella risoluzione spazialeottenibile è dato dall’ intensità del fascio dei neutroni etichettati, cosi’ come e’ definito dallasuperficie del rivelatore di etichettamento e dal rateo integrato di produzione. Quest’ ultimo èlimitato sia dalle caratteristiche tecniche della sorgente neutronica che dalle normativaradioprotezionistica. In definitiva non è pratico aumentare il rateo integrato di produzione limitandol’ accettanza spaziale del rivelatore di tracciamento. Risulta quindi opportuno percorrere la via dimassimizzare l’ area sensibile del rivelatore di tracciamento aumentandone la granularità, cioe’realizzando dei piccoli array di rivelatori per particelle alfa.Si propone quindi la realizzazione di un array lineare formato da 5 cristalli di YAP:Ce didimensioni 1x1 cm2 ciascuno da montare a secco su di una flangia ottica di transizione a suavolta accoppiata all’esterno con il sistema di lettura della luce. Quest’ultimo punto prevede lostudio e la realizzazione di una flangia otticamente segmentata nonché l’utilizzo di una seriedi fotomoltiplicatori veloci miniaturizzati. Il sistema di tracciamento cosi’ realizzato dopo itest di laboratorio dovrebbe essere inserito all’ interno di un sistema sigillato della EADS-Sodern.

Rivelatori per l'identificazione rapida con la tecnica del "neutron back-scattering"

Per questa parte di programma si propone di estendere lo sviluppo di rivelatori RPC (ResistivePlate Chamber) a singola gap adattandolo alla rivelazione di neutroni termici (attività già iniziatapresso la Sez. di Torino ed il Gr. Coll. Di Alessandria nell’ambito del progetto DIAMINE) al fine direalizzare un sistema di identificazione rapida di oggetti con alto contenuto di idrogeno utilizzandola tecnica del "neutron back-scattering".La Resistive Plate Chamber è un rivelatore gassoso di concezione abbastanza recente largamenteutilizzato sia in esperimenti per raggi cosmici sia come rivelatore di trigger negli esperimenti di altaenergia presso gli acceleratori [6-8]. Le ragioni del largo uso sono da ricercarsi nella buonarisoluzione spaziale, inferiore al centimetro, e nell’ottima risoluzione temporale, dell’ordine delnanosecondo, a fronte di un costo molto contenuto e di una relativa semplicita’ di costruzione edimpiego. L’estensione dell’utilizzo delle RPC alla rivelazione dei neutroni termici appare dunqueparticolarmente attraente. L’esperienza acquisita dai gruppi proponenti nell’ambito del programmaDIAMINE ha mostrato la reale possibilita’ di ottenere un rivelatore la cui efficienza siasensibilmente migliore di quella ottenuta in lavori pionieristici [9].Il rivelatore e' composto da un volume di gas racchiuso da due elettrodi piani resistivi, realizzabiliin bakelite o vetro. La rivelazione dei neutroni termici procede attraverso la conversione inparticelle cariche per mezzo della reazione 10B(n,α)7Li. Questa reazione ha luogo in un convertitorecostituito da un sottile strato di 10B o di 10B4C depositato sulla faccia interna ( a contatto con il gas)di uno degli elettrodi. Grazie all'esiguo spessore del coating (pochi µm) le particelle cariche (α e7Li) hanno una probabilita' non nulla di raggiungere il volume di gas, ionizzandolo e dando dunqueinizio, grazie al forte campo elettrico applicato, al processo di moltiplicazione. Grazie all'altaresistivita' (compresa fra 109 e 1012 Ωcm) gli elettrodi risultano essere "trasparenti" al segnale chepuo' pertanto essere raccolto su due piani di strip o pad.Il programma di ricerca che si intende sviluppare presso la sez. di Torino ed il gruppo collegato diAlessandria consiste essenzialmente dei seguenti punti:

1. Ottimizzazione del processo di deposito, realizzazione degli elettrodi con coating di Boro oCarburo di Boro e loro caratterizzazione. Attualmente sono in studio due metodi:l'evaporazione ed il magnetron sputtering, entrambi presentano problemi di adesione delmateriale sul substrato ed inoltre l'alta temperatura raggiunta durante il processopotrebbe danneggiare le qualita' dell'elettrodo stesso (innalzamento della resistivita' dellabakelite) .

2. Realizzazione di prototipi di RPC per neutroni termici e test in laboratorio dei medesimi.Tali test verteranno soprattutto sullo studio del rumore del rivelatore e della sua efficienzaper raggi cosmici. Un basso rumore del rivelatore ed una bassa efficienza per raggicosmici (cioe' per particelle al minimo di ionizzazione) sono infatti prerequisiti di rilievoper poter utilizzare propriamente l’apparato nella rivelazione di neutroni termici.

3. Test dei rivelatori su fasci di neutroni termici. Scopo principale di questi test e' diottimizzare i parametri di lavoro delle RPC per la rivelazione di neutroni termici (misceladi gas e regime di funzionamento: streamer o avalanche) e di misurare l'efficienza perneutroni termici. Un ulteriore aspetto che potra' essere studiato in tali test e' la risoluzionespaziale del rivelatore per i neutroni.

Sistema di analisi della radiazione gamma caratteristica :

L’analisi dello spettro di emissione γ dovuta all’irraggiamento di un campione complesso (formatoda vari materiali in diverse quantità) con rivelatori al Germanio permette una elevata precisione

una serie di svantaggi per le applicazioni in questione : innanzitutto l’efficienza assoluta per gammadi energia superiore a 1-2 MeV è proibitivamente bassa per permettere un’analisi in tempi brevi(alcuni minuti con i flussi di neutroni citati), la risoluzione temporale è del tutto inadeguata perl’utilizzo in coincidenza con il sistema di tracciamento dei neutroni, non ultimo i costi di acquistoper un array di tali rivelatori è piuttosto elevato.La scelta cade quindi su rivelatori a scintillazione che presentino caratteristiche di robustezza, altadensità(quindi alta efficienza), velocità di risposta e possibilmente costi contenuti.Dai risultati preliminari citati in precedenza (ref. [4]) emerge l’importanza di un “timing”abbastanza spinto (risoluzione totale rivelatore α - rivelatore γ dell’ordine di 1-2 ns) allo scopo diidentificare con precisione il voxel analizzato e di ridurre quindi il “background”.D’altra parte, nonostante l’analisi delle componenti elementali nel voxel venga effettuata conl’unfolding globale dello spettro gamma e non con l’ analisi dei singoli fotopicchi, la risoluzioneenergetica risulta essere ancora un fattore importante per la performance complessiva del sistema.

Si propone quindi di studiare le caratteristiche di vari rivelatori ( NaI, BGO, BaF2 ) incondizioni di utilizzo “realistiche” utilizzando la tecnica della particella associata inlaboratorio irraggiando vari campioni di materiali e dimensioni compatibili con leapplicazioni proposte. A tal fine si utilizzarà il sistema sviluppato in precedenza e descritto in[4]. Lo scopo di questa parte del programma di ricerca è di identificare il migliorecompromesso risoluzione energetica/risoluzione temporale nell’analisi qualitativa equantitativa degli oggetti ispezionati e quindi di definire i tempi di misura e le minimequantità identificabili. La collaborazione dispone già di rivelatori NaI(Tl) e BGO di recentecostruzione, mentre i rivelatori BaF2 del sistema di ref.4 sono obsoleti (circa 15 anni).Si propone l’acquisto di un rivelatore BaF2 di 3”x 3” accoppiato ad un fotomoltiplicatoreveloce per realizzare i test proposti, nel secondo anno si propone l’acquisto di 3 rivelatorigamma (del tipo prescelto) per l’allestimento dell’array da utilizzare in connessione conl’array alfa del sistema di tracciamento.

Strutture esistenti e collaborazioni :

Il programma di ricerca dovrebbe avvalersi di strutture esistenti presso varie sedi dell’INFN nonchédi collaborazioni e/o accordi in corso con altri partners.Presso i Laboratori Nazionali di Legnaro sono state realizzate due strutture schermate di circa 30 m2

ciascuna attrezzate per la collocazione di sorgenti di neutroni. La prima ospita una sorgente di 252Cfcon un intensità di emissione di circa 107 neutroni/sec che può essere utilizzata per test preliminarisui rivelatori γ e sui sistemi basati sul backscattering. La seconda è dotata di autorizzazione adospitare un generatore di neutroni con emissione non superiore a 107 neutroni/sec.Presso il laboratorio LENA di Pavia è installato un generatore di neutroni sigillato tipo GENIE-16che produce un rateo integrato di 107 neutroni/sec da 14 MeV. Tale generatore può esseremodificato con una nuova unità di accelerazione che alloggi un sistema di rivelazione α utilizzandole alimentazioni e l’elettronica di controllo e gestione esistenti.E’ stato recentemente siglato un MOU tra l’Istituto Rudjer Boskovic di Zagabria ed il Dipartimentodi Fisica di Padova relativo al trasferimento a Zagabria della stazione di misura con particellaassociata attualmente sviluppata nel PRIN 1999-2001 e finora utilizzata presso i LaboratoriNazionali di Legnaro. Al Rudjer Boskovic l’apparto in questione verrà installato presso unacceleratore elettrostatico da 400 KeV che verrà utilizzato prevalentemente per questa attività.Ciò permetterà un utilizzo estremamente più efficace dell’apparto in questione mentre l’ utilizzo deifasci del CN a Legnaro è stato sempre molto limitato.

Attività nell’ambito del Sesto Programma Quadro (FP6) della UE:

Il gruppo di ricercatori afferenti al progetto AENEAS ha partecipato al “Call for Expression ofInterest” per il Sesto Programma Quadro della UE con la proposta del NoE denominatoNOVANUC-TMD (Novel Application of Nuclear Techniques in the field of Threat MaterialDetection). Si chiede che il costo delle missioni estere relative alla partecipazione dei proponentialle attività legate ai futuri “Calls for Proposal” del FP6 facciano parte della presente proposta diesperimento.

Sviluppo temporale del programma di ricerca :

2003

1) Definizione dei Project Requirements in termini dei materiali da rivelare, dello scenario tipoe delle osservabili fisiche.

2) Studio del rivelatore per la particella associata:2.1) studio della segmentazione di una flangia ottica da vuoto;2.2) studio di un sistema di read-out ottico;3) Studio del rivelatore γ ottimale per l’analisi non invasiva di esplosivi,droghe ed agenti

chimici; test sotto fascio dei possibili rivelatori.4) Studio di un sistema di rivelazione veloce per elevate concentrazioni di materiale idrogenato

basato sulla tecnica del backscattering, completamento delle sviluppo degli RPC sensibili aineutroni.

5) Definizione delle caratteristiche ed ordine del un prototipo di unità di accelerazione conparticella associata da installare nel sistema SODERN esistente a Pavia

2004

1) Realizzazione di un prototipo completo di sistema di tracciamento α a pixel.2) Realizzazione del sistema di identificazione rapida basato sulla tecnica del backscattering di

neutroni.3) Test dell’apparato completo presso l’Istituto Rudjer Boskovic utilizzando il generatore

elettrostatico da 400 keV4) Test del sistema sigillato con particella associata SODERN a Pavia e studio

dell’accoppiamento del sistema di tracciamento α a pixel con un tubo generatore di neutronicommerciale.

5) Definizione della fattibilita’ e dimensionamento di un possibile sistema di uso pratico.

Referenze :

[1] D.R. Brown et al., Nucl. Instr. Meth. B99 (1995) 753[2] P.A. Dokhale et al., Appl. Rad. Isot. 54 (2001) 967[3] J.J. Kehayias et al. Ann. NY Acad. of Sci. 904 (2000) 140[4] G.Nebbia et al. Int. Conf. Crete2001, and to be published[5] S.Baccaro et al. Nucl. Instr. Meth. A361 (1995) 209[6] Santonico R. and Cardarelli R., Nucl. Instr. and Meth. 187 (1981) 377.[7] A. Aloisio et al., Nucl. Instr. and Meth. A456 (2000) 113.[8] C. Bacci et al., Nucl. Instr. and Meth. A456 (2000) 121.[9] Calligarich E. et al.,Nucl. Instr. and Meth. A307 (1991) 142.

Sedi coinvolte :

Sezione di Padova : G.Nebbia (responsabile nazionale) 100%, S. Pesente 80%, G.Viesti 30%,M.Lunardon 20%

Laboratori Nazionali di Legnaro : M.Cinausero 20%, M.Barbui 100%

Sezione di Pavia e Gr. Coll. Di Brescia : V. Filippini 40%, A.Zenoni 30%

Sezione di Torino : A .Piccotti 20%, A.Ferretti 20%, C.Oppedisano 20%, A.Musso 10%,E.Vercellin 10% , Colla 20%

Gruppo collegato di Alessandria : G. Dellacasa 30%, E.Scalas 20%, P.Cortese 10%

Sezione di Roma III : F. Denotaristefani 20%, V.Cancelli 10%,V.Plastino 10%

Totale FTE : 6.3

Piano finanziario:

2003

Nel corso del primo anno si prevede:1) l’acquisto di 4 cristalli di YAP:Ce di spessori 0.5 mm ed 1 mm e dimensione 1x1 cm2 e 4

relativi fotomoltiplicatori2) l’acquisto di un rivelatore BaF 2 e di un rivelatore BGO3) Il completamento dello sviluppo del rivelatore di backscattering.4) L’ ordine del prototipo di unità acceleratrice con particella associata da installare nel

sistema GENIE-16 di Pavia. Tale item potrebbe essere posto sub-judice alla messa acatalogo da parte della SODERN di un item di questo tipo, cosa che dovrebbe essere chiaritanei prossimi 6-8 mesi.

Missioni interno per riunioni della collaborazione, misure preliminari presso i LNL e Pavia .Missioni estero per contatti con EADS-Sodern , installazione e primi test del sistema di misurapresso l’ Istituto Rudjer Boskovic, partecipazione alle attività UE relative al FP6.

2004

Nel corso del secondo anno si prevede la realizzazione dei sotto sistemi finali quali il sistema ditracciamento , la realizzazione dei sensori di backscattering, la realizzazione dll’array finale dirivelatori gamma. Acquisto della flangia segmentata finale e dei cristalli YAP(Ce) finali (4 unità) edegli scintillatori gamma finali.Missioni interno per riunioni della collaborazione e misure presso i LNL e Pavia.Missioni estero per una campagna di tests delle varie componenti dell’apparato, nonché del sistemacompleto presso l’Istituto Rudjer Boskovic, contatti con EADS-Sodern per studiare l’inserimentodel rivelatore di tracciamento a pixel in un generatore portatile di neutroni.

Richieste finanziarie complessive in KEuro:

2003 :

Inventario : 30 sj (modulo SODERN con particella associata)Consumo : 40 (cristalli YAP e fototubi, montaggi meccanica, flangie da vuoto emateriale per read out ottico, materiale per NBT, rivelatore gamma)Interno : 28Estero : 14Totale : 82 + 30 sj

2004 :Consumo : 38 (flangia ottica segmentata, costruzione NBT, array YAP definitivo,array gamma definitivo)Interno : 28Estero : 18Totale : 84

Totale generale : 166 + 30 sj

Piano finanziario per sede : (in KEuro)

2003

Sez. di Padova

- ConsumoCristalli scintillatori + fotomoltiplicatori ( 1 BaF2 , 1 BGO) 6Meccanica montaggio esperimento a Zagabria, campioni per irraggiamento 2Fisiologia 2

Totale 10

- InternoRiunioni collaborazione e contatti resp. naz. 4Misure a Pavia 2Missioni LNL 2

Totale 8

- Estero Contatti EADS_SODERN 2 Installazione apparato IRB Zagabria 1 Attività UE 1Totale 4

Lab. Naz. Legnaro

- ConsumoMantenimento installazione sorgenti 5

Totale 5

- InternoRiunioni collaborazione 2Misure a Pavia 2

Totale 4

- EsteroInstallazione apparato IRB Zagabria 1Attività UE 1

Totale 2

Sez. di Torino

- ConsumoProgettazione e realizzazione prototipo RPC grande area 3Fisiologia 2

Totale 5

- InternoRiunioni collaborazione 2Misure a Pavia e LNL 2

Totale 4

- EsteroTest IRB Zagabria 1Attività UE 1

Totale 2

Gr. Coll. di Alessandria

- ConsumoSviluppo elettrodi per RPC, meccanica, materiale evaporazione elettrodi 3Fisiologia 2

Totale 5


Totale 4

- EsteroMisure IRB Zagabria 1Attività UE 1

Totale 2

Sez. Roma III

- ConsumoCristalli YAP(4), fotomoltiplicatori(2), HPD(2) 6Flangia quarzo, accoppiamento ottico, meccanica rivelatori alfa 2Fisiologia 2

Totale 10

- InternoRiunioni collaborazione 2Test rivelatori alfa a Pavia e LNL 2

Totale 4

- EsteroTest rivelatori alfa IRB Zagabria 1Attività UE 1

Totale 2

Sez. di Pavia e Gr. Coll. di Brescia

- InventarioAcquisto prototipo testa generatore di neutroni 30 sj

Totale 30 sj

- ConsumoMantenimento laboratorio generatore di neutroni 5

Totale 5

- InternoRiunioni collaborazione 2Missioni LNL 2

Totale 4

- EsteroTest IRB Zagabria 1Attività UE 1

Totale 2

2004

Sez. di Padova

- ConsumoCristalli e fotomoltiplicatori finali ( 3 ) 9Fisiologia 1

Totale 10

- InternoRiunioni collaborazione e contatti resp. naz. 4Misure a Pavia 2Missioni LNL 2

Totale 8

- Estero Contatti EADS_SODERN 2 Misure IRB Zagabria 1 Attività UE 1Totale 4

Lab. Naz. Legnaro

- ConsumoMantenimento installazione sorgenti 5

Totale 5

- InternoRiunioni collaborazione 2Misure a Pavia 2

Totale 4

- EsteroMisure IRB Zagabria 2

Totale 2

Sez. di Torino

- ConsumoRealizzazione RPC grande area finale 4Fisiologia 1

Totale 5


Totale 4

- EsteroMisure IRB Zagabria 1Attività UE 1

Totale 2

Gr. Coll. di Alessandria

- ConsumoProduzione elettrodi finali per RPC grande area 3Fisiologia 2

Totale 5


Totale 4


Totale 2

Sez. Roma III

- ConsumoCristalli YAP finali(4) fotomoltiplicatori compatti (4) 6Flangia ottica segmentata 3Fisiologia 1

Totale 10


Totale 4


Totale 2

Sez. di Pavia e Gr. Coll. di Brescia

- ConsumoMantenimento laboratorio generatore di neutroni 5

Totale 5

- InternoRiunioni collaborazione 2Missioni LNL 2

Totale 4

- EsteroMisure IRB Zagabria 1Contatti EADS-SODERN 1

Totale 2

INFORMAZIONI GENERALI (MOD. EN1)

Linea di ricerca : reazioni nucleari indotte da neutroni veloci, analisi elementale con spettroscopiagamma con la tecnica della particella associata, sviluppo di un sistema di tracciamento di neutronidi 14 MeV per applicazioni nell’ambito della sicurezza

Laboratorio ove si raccolgono i dati : L.N.L., LENA-Pavia, Institute Rudjer Boskovic-Zagabria

Sigla dell’esperimento assegnata dal laboratorio : AENEAS

Acceleratore usato : VdG dell’ IRB-Zagabria, sorgenti isotopiche di neutroni, generatore dineutroni da 14 MeV

Fascio (sigla e caratteristiche) : Neutroni da 14 MeV

Processo fisico studiato : emissione gamma in coincidenza con fasci di neutroni etichettati, analisidi elementi leggeri (HCNO)

Apparato strumentale utilizzato : apparato di tracciamento della particella associata, scintillatoriper rivelazione alfa, scintillatori per rivelazione gamma, generatoni portatili di neutroni, sistemi diacquisizione dati ed analisi automatica

Sezioni partecipanti all’esperimento : PD, LNL, TO, AL, ROMAIII, PV, BS

Istituzioni esterne all’Ente partecipanti : Insitute Rudjer Boskovic (Zagabria), EADS-SODERN(Parigi), CRYTUR (Praga).

Durata esperimento : DUE (2003-2004)


PAVIA



Struttura


Studio di tecnologie CMOS di nuova generazione su strato isolante e in bulk di silicio perfront-end monolitici a basso rumore e resistenti alle radiazioni

Laboratori locali, Lawrence Berkeley National Laboratory

Sorgenti di raggi gamma, di raggi X, di neutroni, di particelle cariche, di ioni pesanti

Rumore elettronico e fenomeni fisici di danneggiamento da radiazione in dispositivi MOS acanale fortemente submicrometrico

Strumentazione per la caratterizzazione statica, di segnale e di rumore di dispositivi ecircuiti integrati

Pavia

Lawrence Berkeley National Laboratory

3 anni

Linea di ricerca


Acceleratore usato






Durata esperimento

Mod. EN. 1





2003

2004

2005

Progetto e sottomissione di strutture di test in tecnologia bulk CMOS 0.18 micron e CMOSSOI. Avvio dello studio sperimentale delle strutture di test in tecnologie bulk CMOS 0.18micron e CMOS SOI (caratteristiche statiche e dinamiche, analisi di rumore, resistenza alleradiazioni, misure a temperatura criogenica)

Completamento dello studio sperimentale delle strutture di test in tecnologie bulk CMOS0.18 e CMOS SOI (caratteristiche statiche e dinamiche, analisi di rumore, resistenza alleradiazioni) .Progetto strutture di test in tecnologia bulk CMOS 0.13 micron

Completamento dello studio sperimentale delle strutture di test in tecnologia bulk CMOS0.13 micron (caratteristiche statiche e dinamiche, analisi di rumore, resistenza alleradiazioni, misure a temperatura criogenica)

Nuovo Esperimento GruppoELRAD 5

Valerio Re

Pavia

AssociatoV. Re

[email protected]:



[email protected]:




PAVIA



Struttura


Resp. loc.: V. Re

VOCIDI

SPESA



Totale

Criostato per misure a bassa temperatura

Riunioni gruppo V, visite presso altre sezioni

Quota associazione Europractice

Irraggiamenti presso LNL e/o laboratori europei, meeting a Berkeley

Note:

Materiale elettronico per test su circuiti integratiSottomissione chip di test in tecnologia CMOS 0.18 micronLiquidi criogenici (azoto, argon)

IMPORTI

ParzialiTotale

Compet.


1,0

6,0

2,0

15,0

38,0

6,0

61,0

2,0

15,0

30,02,0

5,0



PAVIA



Struttura


Missioni estere

Irraggiamenti a LBNL e/o laboratori europei, meeting a BerkeleyQuesta attività di ricerca sarà condotta in collaborazione con ricercatori del Lawrence Berkeley National Laboratory, dove sonoprevisti alcuni meeting. Inoltre si prevede di effettuare irraggiamenti con particelle cariche in un laboratorio ancora da definire (aLBNL oppure in Europa).

Materiale di consumo e inventariabile

Quota associazione Europractice e sottomissione chip di test in tecnologia CMOS0.18 micron Nel 2003 è prevista la sottomissione di strutture di test in tecnologia CMOS 0.18 micron. L’accesso a questa tecnologia avverràattraverso il consorzio Europractice, che consente la fabbricazione di multiproject chip a basso costo per il singolo utente. E’quindi necessario sottoscrivere l’associazione a Europractice (0.9 kEuro + VAT). Il costo minimo del silicio nel processo CMOS0.18 micron (UMC mixed-signal) offerto da Europractice è di 25 kEuro + VAT (area di silicio di 5 x 5 mm).Si richiedono inoltre 5 kEuro per coprire le spese legate all’attività di test di dispositivi e circuiti.Il programma di ricerca prevede inoltre misure a bassa temperatura (fino a 77 K), per cui si richiedono fondi per l’acquisto di uncriostato (6 kEuro) e di liquidi criogenici (2 kEuro). Queste cifre si basano su stime preliminari basate sull’esperienza deiricercatori del gruppo.


Resp. loc.: V. Re

In kEuro

Mod. EN. 3

Note:





Nessuna



PAVIA

Struttura


Miss. interno

Miss. estero

Mater. di cons.

Trasp.eFacch.

SpeseCalcolo


Mat.inventar.

Costruz.apparati

TOTALECompetenza

2,0 15,0 38,0 6,0 61,0

TOTALI 45,0 108,0 12,0 171,0

ANNIFINANZIARI

2003

6,0

2,0 15,0 50,0 6,0 73,020042,0 15,0 20,0 37,02005

In kEuro

Mod. EN. 4

Note:

PREVISIONE DI SPESA





PAVIA

Struttura


Miss. interno

Miss. estero

Materialedi

cons.

Trasp.eFacch.

SpeseCalcolo


Mat.inventar.

Costruz.apparati

TOTALECompetenza

2,0 15,0 38,0 6,0 61,0

TOTALI 6,0 45,0 108,0 12,0 171,0

ANNIFINANZIARI

2003

2,0 15,0 50,0 6,0 73,02004

2,0 15,0 20,0 37,02005


PROPOSTA DI NUOVO ESPERIMENTO

PROPOSTA DI NUOVO ESPERIMENTOSTUDIO DI TECNOLOGIE CMOS DI NUOVA GENERAZIONE SU STRATO ISOLANTE E IN BULK DI SILICIO PER FRONT-ENDMONOLITICI A BASSO RUMORE E RESISTENTI ALLE RADIAZIONI

IntroduzioneLo scopo di questo programma di ricerca è studiare le proprietà delle più recenti generazioni delle tecnologie monolitiche CMOS in vista delloro impiego in circuiti di front-end a basso rumore che debbano operare in condizioni critiche dal punto di vista della radiazione. Ilprogramma prevede lo studio sia di processi in cui i dispositivi sono realizzati nel bulk di silicio (con isolamento a giunzione) sia di unatecnologia CMOS SOI (Silicon-on-Insulator) con dispositivi isolati dielettricamente dal substrato da uno strato di ossido sepolto.Negli ultimianni le tecnologie CMOS sono state ampiamente utilizzate nella realizzazione di circuiti integrati di lettura per diversi tipi di rivelatori inesperimenti di fisica delle alte energie. La diffusione delle tecnologie CMOS in questo settore applicativo è stato favorito dalla progressivariduzione delle dimensioni dei dispositivi ("device scaling"), in termini sia di lunghezza minima di canale sia di spessore dell’ossido di gate.Processi "deep submicron" (con lunghezza minima di gate di 0.25 micron) con dispositivi realizzati nel bulk di silicio hanno dimostrato diessere molto resistenti alle radiazioni ionizzanti proprio grazie al fatto che a spessori di ossido di gate inferiori ai 10 nm il tunneling deglielettroni nell’ossido rimuove la carica accumulata per effetto della radiazione [1]. Attualmente numerosi chip di lettura per esperimenti comeATLAS, CMS, BTEV, ALICE ed altri vengono sviluppati in tecnologia CMOS 0.25 micron [2, 3, 4]. Tuttavia risulta di fondamentale importanzache il progetto di sistemi di front-end per rivelatori di radiazione segua la tendenza delle tecnologie CMOS commerciali allo scaling deidispositivi, da un lato per sfruttare i possibili vantaggi che questo può comportare in termini di densità di integrazione, dall’altro per evitareche il progressivo abbandono dei processi meno recenti renda obsolete le versioni dei chip attualmente disponibili [5]. Questo programma diricerca vuole quindi investigare processi CMOS con dimensione minima inferiore al quarto di micron con l’obiettivo primario di valutarne lecaratteristiche in vista del progetto delle sezioni analogiche del sistema di front-end (preamplificatore, formatore). L’aspetto importante diquesta ricerca consiste nel poter confrontare tecnologie CMOS con differenti caratteristiche di minima lunghezza di canale e di spessore diossido. I processi presi in esame hanno rispettivamente lunghezza di canale minima di 0.18 micron con spessore di ossido di 4 nm elunghezza di canale minima di 0.13 micron con spessore di ossido di 2.2 nm. Dispositivi appartenenti a un processo a 0.18 micron nellaversione di bulk, con isolamento a giunzione fra i dispositivi, sono già stati parzialmente analizzati e confrontati con dispositivi realizzati in unprocesso a 0.35 micron (spessore di ossido di 7.2 nm) dalla stessa fonderia. Uno degli scopi del presente programma di ricerca è quello dicompletare l’analisi relativa al comportamento su segnale, alle proprietà di rumore e di resistenza alla radiazione dei dispositivi di bulk, conparticolare enfasi dedicata al confronto fra i dispositivi con lunghezza di canale minima di 0.13 micron e 0.18 micron. Per queste tecnologie"bulk CMOS" si vuole studiare in primo luogo il rumore 1/f e la sua dipendenza dallo spessore di ossido. Si ha ragione di sospettare che ladensità di difetti nell’ossido non rimanga costante al diminuire del suo spessore. Avendo a disposizione tre processi con spessore di ossidoscalato approssimativamente di un fattore 2 l’uno rispetto all’altro si pensa di poter comprendere se l’aumento di densità di difetti nell’ossidosegna o meno una precisa tendenza al diminuire dello spessore. In secondo luogo si vuole studiare il rumore termico di canale e la suadipendenza dalla lunghezza di gate, che può avere un comportamento molto diverso da quello previsto in dispositivi a canale lungo, come sievidenzia già in processi a dimensione minima di 0.35 micron [6]. Si vuole inoltre studiare l’effetto di radiazioni di diversa natura sulcomportamento di segnale, sulle caratteristiche di rumore e sulle correnti di fuga fra dispositivo e dispositivo, approfondendo i risultatipreliminari ottenuti su un processo a 0.18 micron [7]. In particolare si vogliono studiare le caratteristiche di NMOS a struttura aperta e astruttura chiusa, per verificare nei due casi l’influenza della radiazione ionizzante sul passaggio dall’interdizione alla conduzione dicommutatori analogici a NMOS. Nel caso dei MOS canale P si intende studiare l’importanza degli anelli di guardia nel ridurre le correnti difuga da dispositivo a dispositivo [8]. Le tecnologie CMOS SOI, in cui i dispositivi sono realizzati su isole di biossido di silicio, presentanovantaggi intrinseci da questo punto di vista grazie all’isolamento dielettrico fra dispositivi adiacenti e verso il substrato, che può anchecomportare migliori caratteristiche in termini di velocità e densità di integrazione [9, 10]. Questo programma di ricerca prevede quindi dicaratterizzare dispositivi appartenenti a un processo CMOS SOI approfondendo diversi aspetti di interesse per la realizzazione di circuitianalogici di front-end. In primo luogo si vuole studiare il rumore 1/f e un suo eventuale peggioramento rispetto al caso dei dispositivi in bulk,dovuto a difetti presenti nell’ossido sepolto. In secondo luogo si vuole determinare il prodotto banda-guadagno e il suo possibile aumentorispetto ai CMOS in bulk risultante dalla riduzione delle capacità parassite di drain. Infine, limitazioni legate all’accumulo di carica nell’ossidosepolto e ad effetti di "floating body" saranno investigati con l’esposizione dei dispositivi a diversi tipi di radiazioni (raggi g e X, particellecariche). Ciò permetterà anche di determinare la riduzione delle correnti di fuga da dispositivo a dispositivo in strutture prive di anelli diguardia. Tutti questi risultati sperimentali consentiranno di valutare la competitività della tecnologia SOI rispetto ai processi "bulk CMOS".Suidispositivi "bulk CMOS" e CMOS SOI si vuole inoltre effettuare un’analisi del comportamento a bassa temperatura di parametri di segnale edi rumore (rumore 1/f, rumore termico di canale). Risultati sperimentali su precedenti generazioni CMOS indicano che l’operazione atemperature criogeniche comporta un miglioramento delle prestazioni dei dispositivi. Questo aspetto è di particolare interesse ad esempio inapplicazioni in cui l’elettronica di front-end sia utilizzata con rivelatori che debbano operare a temperatura criogenica per garantire lanecessaria resistenza alle radiazioni [11]. Più in generale si ritiene molto importante investigare se il funzionamento a bassa temperaturaconsente di superare i limiti nelle prestazioni di rumore che le tecnologie CMOS presentano a temperatura ambiente.Questa attività è di notevole interesse anche per settori applicativi diversi dagli esperimenti di fisica delle alte energie (ad esempio perapplicazioni all’imaging) e verrà condotta in collaborazione con ricercatori del Lawrence Berkeley National Laboratory che hanno manifestatointeresse per questi temi di ricerca.



PAVIA

Struttura

Mod. EN. 5

(a cura del rappresentante nazionale)Pag. 1



PROGRAMMA DI RICERCAIl programma di ricerca prevede lo studio delle caratteristiche di dispositivi CMOS in processi bulk a 0.18 e 0.13 micron e in processi SOI acorrenti di drain inferiori a 1 mA, come imposto dai limiti alla dissipazione di potenza in sistemi di front-end a elevata densità di integrazione.Verranno inoltre progettati e realizzati blocchi analogici come stadi di amplificazione per studiare la fattibilità di chip di lettura a basso rumoreed elevata resistenza alle radiazioni in questi processi.Lo studio riguarderà i seguenti aspetti:1) Progetto di un chip di test con singoli dispositivi NMOS e PMOS a diversa geometria di gate (diversa lunghezza L e larghezza W,struttura aperta o chiusa) e realizzazione in processi bulk CMOS 0.18 micron e 0.13 micron e CMOS SOI.L’accesso ai processi bulk CMOS avverrà attraverso il consorzio Europractice, che consente di realizzare prototipi a basso costo nell’ambitodi chip "multiproject". L’accesso alla tecnologia CMOS SOI avrà luogo nell’ambito del programma scientifico di una borsa di studio INFN –STMicroelectronics.2) Analisi sperimentale delle caratteristiche statiche, di segnale e di rumore sui singoli dispositivi.Verranno studiati i parametri fondamentali dei dispositivi per applicazioni analogiche (resistenza dinamica drain-source, transconduttanza,rumore termico di canale e rumore 1/f). In circuiti "low-power" i dispositivi CMOS submicrometrici lavorano in condizioni di debole o moderatainversione: questo, assieme agli effetti di canale corto, può modificare notevolmente i criteri ottimi di progetto circuitale rispetto quelliusualmente considerati, riferiti a dispositivi a effetto di campo a canale lungo [12]. Nel caso dei dispositivi SOI, si vuole valutare come lapresenza dell’ossido sepolto di isolamento influenzi i parametri di MOS canale P e canale N.3) Esposizione a radiazione ionizzante (elevate dosi integrate, 1 MGy) gamma e X, possibile irraggiamento con neutroni e particelle caricheNel caso delle tecnologie bulk CMOS si vuole verificare che la riduzione dello spessore di ossido di gate comporta una minore sensibilità deiparametri dei dispositivi alle radiazioni ionizzanti. Si vuole inoltre stabilire se nei processi con dimensione minima inferiore al quarto di micronè ancora rilevante il problema dell’isolamento fra dispositivi determinato dall’inversione del silicio sottostante l’ossido di campo. Questo effettoè dovuto all’accumulo di cariche in seguito all’esposizione a radiazione, e nelle tecnologie fino a 0.25 micron impone di realizzare gli NMOScon geometria chiusa e conseguenti vincoli sulle dimensioni dei dispositivi. Nel caso dei dispositivi CMOS SOI, si vuole determinare se e inche misura l’ossido sepolto può determinare una minore tolleranza alle radiazioni ionizzanti. Per questi test verranno utilizzate sorgenti diraggi gamma e X presenti al L.E.N.A. (Laboratorio di Energia Nucleare Applicata) di Pavia. Si vuole inoltre valutare la possibilità di effettuareirraggiamenti con particelle cariche (protoni) presso laboratori europei o americani. Questo tipo di test è molto importante per evidenziare ivantaggi rispetto ai processi "bulk" della tecnologia SOI in cui i dispositivi hanno un volume attivo minore e sono dielettricamente isolati dalsubstrato.4) Progetto e fabbricazione di blocchi analogici in tecnologia bulk CMOS e CMOS SOI, da singoli stadi di amplificazione a unpreamplificatore di carica completoAssieme ai singoli transistori MOS saranno progettati e integrati blocchi analogici, come strutture cascode, cascode attivo, preamplificatore dicarica, formatore nelle tecnologie prima descritte. L’obiettivo è verificare la possibilità di ottenere elevate prestazioni in termini di rumore,velocità operativa, resistenza alle radiazioni con le nuove generazioni dei processi CMOS. Si vuole inoltre valutare la fattibilità di unamplificatore integrato da utilizzare per misure di rumore ad elevata frequenza. La realizzazione di questo circuito consentirebbe di ridurreconsiderevolmente le componenti parassite che rendono problematiche misure di densità spettrale di rumore a frequenze di qualchecentinaio di MHz con amplificatori a componenti discreti [13]. Misure a frequenze così elevate sono necessaria per separare la componentedi rumore termico di canale da quella di rumore 1/f in MOS a canale corto.5) Test delle caratteristiche di segnale, di rumore e di resistenza alle radiazioniAnche sui blocchi analogici integrati nelle tecnologie CMOS verranno effettuati i test di resistenza alle radiazioni previsti per i singolidispositivi. Oltre all’analisi dei parametri statici, dinamici e di rumore sarà possibile evidenziare eventuali problemi legati alla perdita diisolamento fra i dispositivi.L’obiettivo finale del programma è definire i criteri di progetto della sezione analogica di un chip di front-end nelle tecnologie CMOSesaminate. Saranno utilizzate tutte le informazioni ricavate dallo studio sperimentale di dispositivi e circuiti, per arrivare a mettere adisposizione dei progettisti tutti i dati necessari alla realizzazione di chip di readout di nuova generazione.

ATTIVITA' PREVISTA PER IL 2003Nella prima metà del 2003 si vogliono progettare strutture di test in tecnologia bulk CMOS a 0.18 micron e in tecnologia CMOS SOI. Talistrutture includeranno singoli dispositivi con diverse dimensioni di gate (lunghezza L e larghezza W). Questo consentirà non solo dideterminare l’andamento dei parametri dei dispositivi in funzione di L e W, ma anche di valutarne l’utilizzo come elementi di ingresso insistemi di front-end per rivelatori di diversa capacità (dai pixel alle microstrip lunghe). Verranno inoltre progettati e integrati blocchi analogicinelle tecnologie suddette. Negli ultimi mesi del 2003 si prevede di ricevere i chip di test dalle fonderie e di avviare le prove sperimentali, checonsisteranno in misure delle caratteristiche statiche e di rumore e in prove di resistenza alle radiazioni. Nel corso del 2003 verrà definito unprogramma di irraggiamento con sorgenti di raggi gamma e X (a Pavia) e con particelle cariche in un laboratorio da definire.

RIFERIMENTIAllegato



PAVIA

Struttura

Mod. EN. 5


Cognome e Nome

Qualifica



Affer. al

Gruppo


Codice EsperimentoELRAD

Gruppo

PAVIA

5



Struttura


RICERCATORI

Cognome e Nome

Qualifica



TECNOLOGI

N N

4,0




Cognome e Nome

Qualifica



Assoc.tecnica

TECNICI

N



MANFREDI Pierfrancesco 201P.C.1

RE Valerio 301P.A.2

SPEZIALI Valeria 405P.A.3

SVELTO Francesco 505P.A.4

MANGHISONI Massimo 30Ric1

RATTI Lodovico 30Ric2


Resp. loc.: V. Re

Codice EsperimentoELRAD

Gruppo

PAVIA

5



Struttura



Mod. EC/EN 8


Resp. loc.: V. Re

Data completamento


30-06-2003 Progetto e sottomissione di strutture di test in tecnologia bulk CMOS 0.18 micron e CMOS SOI

31-12-2003 Avvio dello studio sperimentale delle strutture di test in tecnologie bulk CMOS 0.18 micron e CMOS SOI(caratteristiche statiche e dinamiche, analisi di rumore, resistenza alle radiazioni)

Descrizione

Nessuna

Resp. Naz.: Valerio Re

RIFERIMENTI

1) T.R. Oldham, "Ionizing Radiation in MOS Oxides", World Scientific Publishing Co., 1999.2) G. Anelli, et al., ``Radiation tolerant VLSI circuits in standard deep submicron CMOS technologiesfor the LHC experiments: practical design aspects'', IEEE Trans. Nucl. Sci., Vol. 45, No. 4, Issue 6,Part 1, pp. 1690-1696, 1999.3) G. Anelli, F. Faccio, S. Florian, P. Jarron: "Noise characterization of a 0.25 µm CMOS technologyfor the LHC experiments", NIM A457 (2001), pp. 361-368.4) P.F. Manfredi, M. Manghisoni, "Front-end electronics for pixel sensors", Nucl. Instr. and Meth. A465 (2001), pp. 140-147.5) M. Campbell, G. Anelli, E. Cantatore, F. Faccio, E.H.M. Heijne, P. Jarron, J.-C. Santiard,W.Snoeys, K. Wyllie, “An introduction to deep submicron CMOS for vertex applications", Nucl Instr.and Meth. A, 473 (2001), pp. 140-145.6) V. Re, I. Bietti, R. Castello, M. Manghisoni, V. Speziali, F. Svelto: "Experimental Study andModeling of the White Noise Sources in Submicron P and N-MOSFETs ", IEEE Trans. Nucl. Sci. ,Vol. 48, No 4, 2001.7) M. Manghisoni, L. Ratti, V. Re, V. Speziali: "Study of the radiation tolerance of a 0.18 µm CMOSprocess", presented 7th International Conference on Advanced Technology and Particle Physics, VillaOlmo, Como 15-19 October 2001. Proceedings to be published by World Scientific.8) W. Snoeys et al., “Layout techniques to enhance the radiation tolerance of standard CMOStechnologies demonstrated on a pixel detector readout chip", Nucl. Inst. Meth. A 439 (2000) 349-60.9) J.R. Schwank, “Advantages and limitations of Silicon-on-Insulator Technology in RadiationEnvironments”, Microelectronic Engineering 36 (1997) 335-342.10) S. Cristoloveanu, “State-of-the-art and future of silicon on insulator technologies, materials, anddevices”, Microelectronics Reliability 40 (2000) 771-777.11) L. Casagrande et al, “Review on the development of cryogenic silicon detectors”, NIM A461(2001), 150-154.12) M. Manghisoni, L. Ratti, V. Re, V. Speziali: "Low-noise design criteria for detector readoutsystems in deep submicron CMOS technology”, Nucl. Instr. and Meth. in Phys. Res., A 478 (2002), p.362-366.13) M. Manghisoni, V. Re, V. Speziali, F. Svelto, ``Experimental studies of the noise properties of adeep submicron CMOS process'', NIM A461 (2001), 537-539.


PAVIA



Struttura


Meccanismi di formazione di danni da particelle cariche in cellule umane; misuresperimentali e modelli teorici

L.N.L., L.N.S., NIRS (Chiba - Giappone), BNL (Upton - U.S.A.), ISS (Roma)

CN (L.N.L.), CS (L.N.S.), Syncroton (NIRS), Syncroton (BNL)

p, α, C, Fe

Interazione radiazioni ionizzanti - sistemi biologici

Facilities per irraggiamento, laboratori di radiobiologia delle sezioni della collaborazione

Pavia, Roma1-Gruppo Collegato Sanità

3 anni

Linea di ricerca


Acceleratore usato






Durata esperimento

Mod. EN. 1





2003

2004

2005

Misura di DSB in cellule irradiate con γ, p e ioni C e Fe; danno ossidativo (DO) da p di bassa energiaed alto LET e p di alta energia e basso LET; simulazione danno al DNA da γ e p e di aberrazionicromosomiche (AC) radioindotte; calcolo effetti radioprotettivi da radicali OH; estensione modelloframmentazione (MF) a processi non casuali e costruzione modello per SCGE.

Completamento ed estensione misure di DSB del I anno; misura riparazione DSB indotte da γ e ioniC; DO per p di alta energia e medio LET; simulazione danno al DNA da α ed estensione modelloper AC visibili con tecnica FISH; sviluppo MF per caratterizzazione riparazione, applicazione delmodello SCGE ai dati sperimentali.

Completamento misure di induzione e riparazione di DSB indotte da p e ioni C e Fe; DO per p confascio modulato; uso di FLUKA per campi misti e modello teorico per effetto bystander; estensioneed applicazione MF con introduzione cinetica di riparazione delle dsb.

Nuovo Esperimento GruppoMIDPAC 5

Andrea Ottolenghi

Pavia

Incarico di ricercaA. Ottolenghi

[email protected]:



andrea.ottolenghi@ pv.infn.ite-mail:




PAVIA



Struttura


Resp. loc.: A. Ottolenghi

VOCIDI

SPESA



Totale

PC linux con doppio processore con due dischi ad alta capacità, 1GB

Riunioni di collaborazione nazionale, missioni AC LNL e LNS

Supporti vari, software

1 mese uomo al GSF (Monaco, Germania)

Note:

1 partecipazione a congresso nazionale

Ram, Gruppo di continuità, Monitor

2 partecipazioni a congressi internazionali

IMPORTI

ParzialiTotale

Compet.


1,0

2,0

8,0

1,0

4,0

15,0

5,0

2,0

4,0

3,0



PAVIA



Struttura


Danno al DNAUtilizzando come base di partenza il codice PARTRAC sviluppato con il GSF di Monaco, attualmente in grado di trasportareelettroni, fotoni e protoni di diversa energia e di simularne l'interazione con strutture biologiche caratterizzate da diversi livelli diorganizzazione (dalla doppia elica ai "loops" di fibra di cromatina), sarà simulata l'induzione di danni al DNA di diversacomplessità: oltre ai single- e double-strand breaks (ssb e dsb), anche danni "clusterizzati" caratterizzati da diversi livelli dicomplessità. Particolare attenzione sarà posta alle condizioni ambientali, tipicamente alla presenza di scavengers e istoni, chepossono entrambi giocare un ruolo protettivo in quanto competono con il il cosiddetto "danno indiretto". A parità di condizioniambientali, le simulazioni saranno effettuate per protoni di diversa energia e, per confronto, per raggi gamma.

Aberrazioni cromosomicheNell'ambito di un precedente esperimento INFN ("DOSBI-Dosimetria Biologica da linfociti: monitoraggio citogenetico inradioterapia", resp. naz. G. Gialanella, resp. loc. A. Ottolenghi), l'Unità di Milano/Pavia ha sviluppato un modello e un codice disimulazione in grado di simulare l'induzione di varie categorie di aberrazioni cromosomiche in seguito all'irraggiamento dilinfociti umani con campi monocromatici di fotoni e ioni leggeri, assumendo che solo le "lesioni complesse" (definite come due opiù dsb entro 30 coppie di basi e calcolate con simulazioni di struttura di traccia) siano in grado di evolvere in aberrazionicromosomiche. Mediante il confronto con dati sperimentali disponibili in letteratura, il modello è stato validato nel casodell'induzione di dicentrici e anelli centrici da parte di raggi gamma e particelle alfa di alto LET (ª100 keV/micron); le curvedose-risposta simulate hanno mostrato un ottimo accordo con quelle misurate.Nel corso del primo anno del presente progetto si intende implementare nel modello il livello di background di aberrazionicromosomiche, che a basse dosi può giocare un ruolo fondamentale in quanto le lesioni di background possono interagire conquelle radioindotte. Inoltre il modello sarà esteso al caso di protoni di basso LET (ª10 keV/micron o meno) e validato medianteconfronti con dati sperimentali disponibili in letteratura. Su queste basi il rapporto tra dicentrici e anelli centrici sara' testato comepossibile marcatore biologico della radiazione.



In kEuro

Mod. EN. 3

Note:





Nessuna



PAVIA

Struttura


Miss. interno

Miss. estero

Mater. di cons.

Trasp.eFacch.

SpeseCalcolo


Mat.inventar.

Costruz.apparati

TOTALECompetenza

2,0 8,0 1,0 4,0 15,0

TOTALI 24,0 3,0 4,0 37,0

ANNIFINANZIARI

2003

6,0

2,0 8,0 1,0 11,020042,0 8,0 1,0 11,02005

In kEuro

Mod. EN. 4

Note:

PREVISIONE DI SPESA





PAVIA

Struttura


Miss. interno

Miss. estero

Materialedi

cons.

Trasp.eFacch.

SpeseCalcolo


Mat.inventar.

Costruz.apparati

TOTALECompetenza

12,0 26,0 21,0 29,0 88,0

TOTALI 36,0 78,0 63,0 39,0 216,0

ANNIFINANZIARI

2003

12,0 26,0 21,0 5,0 64,02004

12,0 26,0 21,0 5,0 64,02005



- vedere allegato -



PAVIA

Struttura

Mod. EN. 5






PAVIA

Struttura

Mod. EN. 5


Cognome e Nome

Qualifica



Affer. al

Gruppo


Codice EsperimentoMIDPAC

Gruppo

PAVIA

5



Struttura


RICERCATORI

Cognome e Nome

Qualifica



TECNOLOGI

N N

6,0



Cognome e Nome

Qualifica



Assoc.tecnica

TECNICI

N



BALLARINI Francesca 805AsRic1

CANDONI Bruno (MI) 1005P.A.2

GARZELLI Maria Vittoria 205AsRic3

GIROLETTI Elio 1005Ric4

OTTOLENGHI Andrea 805P.A.5

SCANNICCHIO Domenico 302P.O.6



Codice EsperimentoMIDPAC

Gruppo

PAVIA

5



Struttura



Mod. EC/EN 8



Data completamento


30-06-2003 Simulazione di danni al DNA da gamma e protoni e quantificazione del ruolo protettivo di istoni e scavangers

30-06-0200 Misura delle DSB indotte da protoni e raggi gamma

30-06-2003 Estensione modello frammentazione a processi non casuali ed applicazioni a primi esperimenti

31-12-2003 Implementazione del background di aberrazioni nel codice di simulazione di AC radioindotte e validazione del modelloper protoni di basso LET

Descrizione

31-12-2003 Aggiornamento dell'analisi dei dati disponibili in letteratura sul bystander effect

31-12-2003 Misura delle DSB indotte da ioni carbonio e ioni ferro

31-12-2003 Danno ossidativo per protoni ad alto LET (LNL) per due valori di dose (5 e 10 Gy)

31-12-2003 Danno ossidativo per protoni di alta energia e basso LET (LNS) (20 Gy)

31-12-2003 Costruzione modello per analisi esperimenti SCGE

Nessuna

Resp. Naz.: Andrea Ottolenghi

Meccanismi di formazione di danni da particelle cariche in cellule umane: misure sperimentali emodelli teorici

Sigla: MIDPAC (Meccanismi d' Induzione di Danni da PArticelle Cariche)Durata del progetto: 3 anni: 2003-2005

Sezioni partecipanti

Pavia Roma 1 – Gruppo Collegato Sanità

Francesca Ballarini 80% Francesca Antonelli 100%Bruno Candoni 100% Mauro Belli 80%Maria Vittoria Garzelli 20% Alessandro Campa 80%Elio Giroletti 100% Valentina Dini 100%Andrea Ottolenghi 80% Giuseppe Esposito 100%Domenico Scannicchio 30% Sveva Grande 100%

Laura Guidoni 50%Antonella Rosi 100%Giustina Simone 80%M. Antonella Tabocchini 80%Vincenza Viti 50%

Anna Maria Luciani 50%Eugenio Sorrentino 100%

Giacomo Cuttone dei LNS e Roberto Cherubini dei LNL, con i loro collaboratori, hanno dato la lorodisponibilità a coadiuvare i partecipanti all’esperimento durante gli irraggiamenti necessariall’espletamento delle misure programmate. Inoltre, i LNL sono disponibili ad ospitare i ricercatoripresso il Laboratorio di Radiobiololgia ed i LNS a rendere disponibile la strumentazione necessaria agliesperimenti.

Introduzione

I meccanismi alla base della catena di eventi che porta dalla deposizione iniziale di energia da partedelle radiazioni ionizzanti (r.i) alla produzione di lesioni molecolari, al loro processamento da parte deisistemi cellulari di difesa sino ai cambiamenti genomici stabili ed alle conseguenti modificazioni nellafunzionalità cellulare non sono ancora noti in dettaglio. In particolare, l'individuazione dellecaratteristiche fisiche che modulano l'efficacia biologica di radiazioni di diversa qualità è un problemaancora aperto.L’approfondimento delle conoscenze dell’influenza della qualità della radiazione su diversi end-pointbiologici può contribuire ad una migliore determinazione dei fattori di peso della radiazione utilizzati inradioprotezione e all’individuazione di bioindicatori del rischio radioindotto. Sono inoltre evidenti lepossibili ricadute nel campo della radioterapia con adroni, che sfrutta la localizzazione spaziale delladose rilasciata dalle particelle cariche in corrispondenza del picco di Bragg e l’eventuale aumento diefficacia biologica relativa (RBE) rispetto alle radiazioni convenzionali.Nell'ambito dello studio dei meccanismi di induzione di danni radiobiologici, sono di grande aiuto siamisure sperimentali ad hoc relative ad end-point specifici, sia modelli teorici basati sulla struttura di

traccia della radiazione, che permettono di testare assunzioni diverse sui vari step intermedi delprocesso d'interesse (vedasi la fig. 1).

Fig. 1: rappresentazione schematica dei processi d'induzione di danni biologici da radiazioni ionizzanti a diversi livelli

Questo esperimento si propone di studiare i meccanismi di base responsabili della maggiore efficacia diparticelle cariche rispetto a radiazioni fotoniche e sfrutta una parte delle competenze acquisiteattraverso precedenti esperimenti INFN effettuati nell’ambito di collaborazioni tra le Sezioni Sanità(attualmente Gruppo collegato Sanità-Sezione di Roma1), Legnaro, Milano, Napoli, Catania e Pavia.I gruppi proponenti possiedono anche l’esperienza acquisita con la partecipazione a consorzi di ricercafinanziati dalla Comunità Europea, quali il progetto LowDoseRiskModels (Improved cancer riskquantification for environmental, medical and occupational exposures to low doses of ionizingradiation by mechanistic models) e RADNA (Induction, repair and biological consequences of DNAdamages caused by radiation of various qualities).

Gli obiettivi generali dell’esperimento proposto sono i seguenti: a) comprensione dei meccanismid'induzione di danno al DNA, considerato il target principale delle r.i., con particolare attenzione alruolo della qualità della radiazione e delle caratteristiche del sistema biologico studiato (organizzazionedella cromatina, presenza di radioprotettori endogeni/esogeni); b) comprensione dei meccanismi dievoluzione del danno al DNA (relazione tra danno iniziale, danno residuo dopo riparazione ed effetti alivello cellulare; formazione di aberrazioni cromosomiche) con particolare attenzione al ruolo dellacomplessità delle lesioni e della loro distribuzione; c) identificazione degli effetti metabolici radiondottiimmediati e tardivi in cellule tumorali umane, con particolare attenzione al danno a carico dei lipidi edegli altri metaboliti e cataboliti cellulari, in relazione al blocco proliferativo e al danno ossidativo.

Il progetto si articolerà in una parte che prevede lo studio di specifici end-point biologici mediantediversi approcci sperimentali e di una parte focalizzata allo sviluppo di modelli teorici relativi aimeccanismi di formazione del danno radioindotto. L’integrazione dei due approcci potrà costituire unsinergia per la comprensione dei meccanismi alla base del danno da radiazioni.

1. Misure sperimentali

Sono previste irradiazioni di cellule in coltura da effettuare presso diverse facility in Italia e all’estero,e misure riguardanti il danno a livello molecolare (essenzialmente danni al DNA) e cellulare (dannimetabolici, blocco proliferativo, perdita della capacità riproduttiva, induzione di mutazioni) utilizzandole tecniche più avanti specificate.

1.1 Radiazioni di interesse

Si prevede di studiare gli effetti prodotti da ioni accelerati quali protoni, ioni carbonio e ferro, eparticelle alfa emesse da sorgente. Nel caso di ioni accelerati, verranno presi in considerazione fascicon diversa struttura di traccia, sia dal punto di vista del trasferimento lineare di energia che del profiloradiale. Il confronto tra stesse particelle con diverso LET e particelle diverse con LET simili potrà dareinformazioni sull’influenza della struttura della traccia sui diversi end-point biologici considerati.Inoltre, le informazioni relative agli effetti biologici indotti dagli ioni ferro, in particolare quelli di piùalta energia, sono estremamente limitate, e quindi la loro acquisizione è di estremo interesse.

In tabella sono riportate le caratteristiche dei fasci di interesse per gli esperimenti proposti conindicazione delle facility presso le quali sono disponibili.

Tipo di radiazione Energia incidente LET Range residuo Facility

Protoni 0.88 MeV 28 keV/µm 19.7 µm CN-LNLProtoni 62 MeV 1.1 keV/µm 32.3 mm CS-LNS

Ioni carbonio 62 MeV/u 40 keV/µm 10.9 mm CS-LNSIoni carbonio 135 MeV/u 22 keV/µm 43.4 mm HIMAC-NIRS

Ioni ferro 414 MeV/u 200 keV/µm 71.6 mm HIMAC-NIRSIoni ferro 1.05 GeV/u 148 keV/µm 285.4 mm AGS-BNLIoni ferro 5.00 GeV/u 164 keV/µm 1780 mm AGS-BNL

CN-LNL: CN Van de Graaff da 7 MV dei Laboratori Nazionali di Legnaro (LNL) – INFN;CS-LNS: Ciclotrone Superconduttore dei Laboratori Nazionali del Sud (LNS) - INFN (Catania);HIMAC-NIRS: doppio Sincrotrone del Heavy Ions Medical Accelerator (HIMAC) del NationalInstitute for Radiological Sciences (NIRS, Chiba, Giappone);AGS-BNL: Alternate Gradient Syncrotron del Brookhaven National Laboratory (BNL, Upton, USA).

Per quanto riguarda le particelle alfa, potrà essere utilizzata la sorgente di 244Cm (picco principale dellospettro di emissione a 5800 keV), progettata in collaborazione con i LNL e realizzata presso l’ISS.Come radiazione di riferimento saranno considerati raggi gamma da 60Co.

1.2 Sistemi cellulari modello

Per gli esperimenti saranno utilizzati sistemi modello costituiti da cellule umane in coltura.In particolare, verranno considerati fibroblasti AG1522, derivanti da tessuti sani, cellule HeLa, ottenuteda un carcinoma della cervice uterina e cellule MCF7, da carcinoma mammario. Per alcuni esperimentisi utilizzeranno inoltre sferoidi costituiti da aggregati multicellulari, che rappresentano un sistemamodello rappresentativo dei tumori solidi.

Verrà anche effettuato uno studio di fattibilità per verificare l’idoneità dell’impiego di una linealinfoblastoide (utile anche per un confronto con la risposta di linfociti del sangue perifericoampiamente utilizzati per esperimenti di induzione di aberrazioni cromosomiche) e linee derivanti damelanomi oculari.

1.3 Produzione e riparazione del danno al DNA e relazione con effetti a livello cellulare

Sebbene le doppie rotture (DSB) nel DNA delle cellule irradiate siano considerate le lesioni critiche perimportanti effetti cellulari (quali la formazione di aberrazioni cromosomiche, l’induzione di mutazionie la morte cellulare), non si osserva in generale una correlazione tra l’efficacia di induzione di dannomolecolare e danno cellulare da parte dei vari tipi di radiazione (Obe et al, 1992). Questa mancanza dicorrelazione è stata già da tempo evidenziata dal gruppo Sanità in collaborazione con i LNL (Belli et al,1996, 1998) utilizzando ioni leggeri e sistemi cellulari di roditore (cellule di Hamster cinese V79).Una possibile ragione di questa discrepanza è una possibile sottostima del numero di DSB dovuta sia alimitazioni delle tecniche di analisi sia alle assunzioni alla base dei modelli di calcolo che prevedonouna loro distribuzione casuale lungo la molecola di DNA (Holley e Chatterjee, 1996, Löbrich et al1996, Rydberg, 1996). Poiché ci si aspetta che radiazioni densamente ionizzanti producano cluster diionizzazioni con efficienza relativamente elevata, influendo quindi sul tipo di danno prodotto e sullasua distribuzione spaziale (Goodhead, 1994; Ward, 1985; Ottolenghi et al, 1997), le comuni tecniche dianalisi possono non essere in grado di discriminare tra lesioni “semplici” e lesioni “complesse”. Questepossono risultare meno riparabili e dar luogo ad un aumento di severità del danno a livello cellulare.

In questo esperimento verrà studiato sia il danno iniziale al DNA, sia quello residuo dopo un certotempo di riparazione da parte della cellula. Questi danni verranno messi in relazione con gli effetti alivello cellulare. A questo fine saranno utilizzate le curve di sopravvivenza ottenute in precedenzanell’ambito delle collaborazioni citate, o determinate direttamente nel caso di fasci non ancora studiatiper questo end-point. Inoltre, in caso di risposta positiva dello studio di fattibilità con cellulelinfoblastoidi, verranno effettuati, sia esperimenti di sopravvivenza che di induzione di mutazioniHPRT.

Il danno al DNA verrà analizzato mediante tecniche elettroforetiche quali la “Pulsed Field GelElectrophoresis” (PFGE) e la “Single Cell Gel Electrophoresis” (SCGE, nota anche come “Cometassay”).La PFGE consente di determinare sia il numero di frammenti di DNA (e quindi di DSB) che la lorodistribuzione in diversi intervalli di peso molecolare (Newman et al., 1997; Hoglund et al., 2000).Attraverso lo sviluppo di modelli di frammentazione ed il confronto con le misure sperimentali, èpossibile stimare la correlazione spaziale di queste lesioni lungo la molecola di DNA (Belli et al.,2000a,b; 2001; 2002, Friedland et al, 1999). Ci si aspetta, in particolare per le radiazioni densamenteionizzanti, una distribuzione di doppie rotture non casuale, con un maggior numero di frammenti dibasso peso molecolare. Il gruppo Sanità ha una consolidata esperienza in questo settore sia per quantoriguarda le tecniche sperimentali che lo sviluppo e l’applicazione di modelli per l’analisi del danno daradiazioni (Belli et al., 1997a,b; 2001; Belli e Campa, 1999).

Rispetto alla PFGE, la SCGE è una tecnica di analisi che permette di utilizzare dosi inferiori,confrontabili con quelle usate per la risposta a livello cellulare (sopravvivenza). Inoltre, l’analisi vieneeffettuata a livello della singola cellula (Fairbairn et al., 1995). Questa caratteristica è di particolarerilevanza nel caso di particelle cariche per le quali ci si aspetta una significativa disomogeneità nelladistribuzione locale di dose.

La SCGE, pur essendo una tecnica ampiamente utilizzata in modo empirico anche per screeninggenotossici (Collins et al., 1997), manca ancora di una descrizione biofisica dei suoi principi difunzionamento.Ci si propone quindi di effettuare una modellizzazione dei meccanismi che sono alla base della tecnicaallo scopo di identificare i parametri rilevanti per la quantificazione del danno in termini di numero dirotture della catena del DNA. In particolare, si cercherà di mettere in relazione la forma e l’intensitàdelle immagini di fluorescenza alla quantità del danno radioindotto sul DNA cellulare basandosi sulladiversa mobilità nel campo elettroforetico dei “loop” di DNA che hanno subito danno a seguitodell’irradiazione.

1.4 Studio del danno ossidativo e del blocco proliferativo

Oltre ai danni sul DNA, sono documentati effetti a carico di altre strutture cellulari, in particolaremembrane e lipidi, effetti che possono essere rilevanti soprattutto alle dosi caratteristiche dellaradioterapia (Radford 1999, Cornelissen et al 2002, Giusti et al 1998)

Sulla base di esperimenti effettuati negli anni passati (Grande et al. 1999a, Grande S. et al 1999b,Grande et al 2001) su cellule in coltura stabilizzate, sono stati messi in luce cambiamenti metaboliciradioindotti a carico dei lipidi cellulari o di metaboliti solubili, fra cui in primo luogo il glutatione, ilcui ruolo in relazione al danno ossidativo è stato più volte messo in evidenza. Questi effetti sonoascrivibili a danni di tipo ossidativo mediati da radicali. Le connessioni fra il danno ossidativo a caricodelle membrane e gli effetti sul glutatione sono state anche recentemente messe in luce da ricerchevolte a chiarire il ruolo protettivo della caffeina in relazione agli effetti dipendenti dall’ossigeno insistemi mitocondriali in vitro (Kamat et al 2000).

Il glutatione risulta implicato in diverse reazioni che avvengono in seguito all’irraggiamento. La suaconcentrazione è indice della radiosensibilità cellulare (Yanagisawa et al 1997). La capacità cellulare disintesi del glutatione è in relazione con il ruolo di un enzima, la γ -glutammil-sintetasi (Mackey andIanzini 2000) e questo enzima è “sopra-regolato” nelle cellule radioresistenti.

Particolarmente interessanti possono essere poi le osservazioni a carico dell’acido glutammico che è unmetabolita implicato nel ciclo del glutatione che si può quantificare anche negli spettri di MRS in vivoanche a campi molto bassi.

Altri metaboliti legati al metabolismo lipidico sono la fosforilcolina e fosforiletanolamina e i cataboliticolina, glicerofosforilcolina (GPC) e glicerofosforiletanolamina (GPE). Questi composti vanno presi inconsiderazione in quanto studi effettuati su tumori irraggiati hanno evidenziato un aumento della GPCe della GPE in seguito ad irraggiamento (Muschel et al 1992, Sharma and Jain 2001), attribuibile ad unalterato funzionamento degli enzimi suddetti, legato alle condizioni di stress in cui si trova la cellula inseguito all’irraggiamento.

I nostri primi risultati che hanno confermato il fenomeno, hanno indicato anche che la rispostametabolica è non solo quantitativamente, ma forse anche qualitativamente diversa per radiazionicaratterizzate da più alto LET rispetto ai raggi gamma (Grande et al. 1999a, Grande et al 1999b,Grande et al 2001). Alcuni degli effetti osservati potrebbero essere più rilevanti per i protoni rispetto aigamma e potrebbero essere coinvolti cataboliti e metaboliti diversi.

I risultati ottenuti in precedenza tramite la Risonanza Magnetica Nucleare (RMN) hanno messo inevidenza un incremento nel danno metabolico indotto da fasci protonici con LET 30 keV/µm superioreper un fattore 2 rispetto alle radiazioni gamma. Questo effetto verrà ulteriormente investigato infunzione del tempo intercorso dall’irraggiamento, in modo da discriminare tra gli effetti immediati equelli in cui intervengono i meccanismi di produzione di danno mediati dal metabolismo cellulare.Inoltre, si procederà all’irraggiamento degli sferoidi cellulari che costituiscono un modello migliorerispetto alle colture in monostrato per la risposta di tumori solidi, soprattutto per quanto riguarda lecomunicazioni cellula-cellula e la disponibilità di ossigeno negli strati interni (Hamilton, 1998).

Lo studio del blocco proliferativo radioindotto è da mettere in relazione con le varie alterazioni neicammini metabolici che vengono perturbati dall’irraggiamento. Verrà approfondito l’effetto sui lipidicellulari, in quanto esistono diverse evidenze sperimentali che mostrano effetti selettivi a carico delmetabolismo lipidico e la modulazione dei cosiddetti lipidi mobili (ML, essenzialmente trigliceridi) .Un risultato confermato da misure di microscopia elettronica, è stato ottenuto in precedenza trattando lecellule HeLa con il farmaco antitumorale lonidamina, che provoca blocco della crescita cellularemediante inibizione delle funzioni mitocondriali ed è stato interpretato con il fatto che le cellule,bloccate nella loro progressione attraverso il ciclo, continuano ad accumulare trigliceridi (Grande et al1999c, Rosi et al 1999).Questi risultati sono in accordo con evidenze recenti in cui l’accumulo di trigliceridi è associatoall’instaurarsi di apoptosi ( Hakumaki et al. 1999 e Al Saffar et al. 2002). A questo riguardo, laspettroscopia di Risonanza magnetica nucleare è considerata la tecnica di elezione in quanto permettedi rilevare queste strutture nel sistema intatto.

L’identificazione e la relativa quantificazione dei metaboliti sarà effettuata mediante spettroscopia dirisonanza magnetica (1H MRS) in alta risoluzione (400-600 e 700 MHz), sui lipidi estratti dai sistemibiologici in esame. Il confronto fra gli spettri dei sistemi biologici intatti e quelli dei relativi estrattipermetterà di discriminare fra gli effetti dovuti a variazioni di concentrazione e quelli dovuti avariazioni di struttura.

Per correlare le osservazioni metaboliche con le modificazioni della proliferazione cellulare indottedall’irraggiamento è necessario conoscere la distribuzione delle cellule nelle varie fasi del ciclo dicrescita, in quanto i processi metabolici, in particolare la sintesi lipidica, sono dipendenti dallaregolazione del ciclo cellulare, almeno nelle cellule non perturbate. Inoltre si intende monitorare lavariazione dei volumi cellulari, in quanto questo parametro, in particolare la distribuzione dei volumi, èfortemente influenzato dall’irraggiamento, non è in semplice connessione con le variazioni delle fasidel ciclo ed è in grado di fornire informazioni sul blocco proliferativo.

Le variazioni delle fasi del ciclo cellulare nei sistemi irraggiati saranno determinate mediante tecnichedi citofluorimetria a flusso, mentre i volumi cellulari saranno determinati utilizzando un CoulterCounter.

2. Modelli teorici

L’approccio utilizzato nel presente progetto di ricerca sarà quello tradizionalmente adottato dal gruppoproponente, che possiede un'ampia esperienza nel campo della modellizzazione degli effetti delleradiazioni ionizzanti su strutture biologiche a diversi livelli, sia in termini di modelli meccanicistici ecodici di simulazione (Ottolenghi et al 1995, 1997a-c, 2001, 2002; Friedland et al 1999; Ballarini et al1999, 2000, 2002a-d), sia in termini di modelli semi-empirici basati su parametri forniti dalle misuresperimentali (Belli et al., 2001; 2000a). Caratteristica comune agli studi meccanicistici è un approcciobasato sulla fisica del problema, in termini di struttura di traccia della radiazione descritta sia a livellodel nanometro (codici "event-by-event" come PARTRAC, che descrivono ogni singola deposizione dienergia e sono adatti a livello sub-cellulare e cellulare), sia a livello del micron (codici "condensed-history" come FLUKA, adatti a livello supra-cellulare, Battistoni et al, 2002). In particolare in questoprogetto si intende focalizzarsi sul danno al DNA e sulle aberrazioni cromosomiche. L'approccioadottato sarà, oltre che meccanicistico e stocastico, "ab initio": le previsioni dei modelli, sviluppatisulla base di alcune assunzioni fondamentali, saranno confrontate direttamente con i dati sperimentali(sia quelli disponibili in letteratura, sia quelli ottenuti nel corso del progetto); sarà evitata l'introduzionedi parametri liberi da determinare a posteriori sulla base di "best fit" con dati sperimentali, in modo damantenere un approccio completamente meccanicistico.L'approccio semi-empirico risulta quindi complementare a quello meccanicistico, e fa da ponte dicollegamento con gli aspetti sperimentali del progetto.Oltre al danno al DNA e alle aberrazioni cromosomiche, sarà investigato il ruolo della comunicazionecellulare rispetto al cosiddetto "bystander effect", consistente nell'induzione di danni in cellule che nonsono state direttamente attraversate dalla radiazione. I dati sull'effetto bystander disponibili inletteratura sono ormai sufficientemente numerosi e affidabili da permettere lo sviluppo di approcci ditipo modellistico; questi ultimi possono essere di grande aiuto nella comprensione dei meccanismicoinvolti, che sono ancora poco chiari, nonostante sia ormai assodato che le varie forme dicomunicazione cellulare giochino un ruolo fondamentale.L’attività modellistica sarà svolta con il GSF di Monaco, Germania (HG Paretzke e coll.), con cuiesiste una consolidata attività di collaborazione nell’ambito di consorzi europei (Paretze et al, 2000).

2.1 Danno al DNA

Utilizzando come base di partenza il codice PARTRAC sviluppato con il GSF di Monaco, attualmentein grado di trasportare elettroni, fotoni e protoni di diversa energia in acqua liquida e di simularnel'interazione con modelli di strutture biologiche caratterizzate da diversi livelli di organizzazione (dalladoppia elica ai "loops" di fibra di cromatina), sarà simulata l'induzione di vari tipi di danno al DNA:oltre ai single- e double-strand breaks (ssb e dsb), anche danni "clusterizzati" caratterizzati da diversilivelli di complessità. Particolare attenzione sarà posta alle condizioni ambientali, tipicamente allapresenza di scavengers e proteine istoniche, che possono giocare un ruolo protettivo in quantocompetono con il cosiddetto "danno indiretto", dovuto all'attacco del DNA da parte di radicali libericome l'OH. A parità di condizioni ambientali, le simulazioni saranno ripetute per radiazioni di diversaqualità (in particolare fotoni, protoni, particelle alfa e, in prospettiva, ioni più pesanti), al fine diquantificare il ruolo giocato dalla struttura di traccia. Nel caso di protoni e particelle alfa, i risultatiottenuti saranno confrontati con un lavoro precedente (Ottolenghi et al., 1995) effettuato con unmodello geometrico di DNA. Tale confronto permetterà di stimare il ruolo del livello di dettaglioutilizzato nella descrizione della doppia elica.

Per quanto riguarda l'approccio semi-empirico, in questo progetto saranno proposti modelli per larappresentazione dei vari pattern di frammentazione del DNA ottenuti sperimentalmente, considerandosia il caso di cellule appena irraggiate, sia quello di cellule in cui ha avuto luogo il processo di riparo.L’approccio tradizionale per la descrizione dei pattern di frammentazione prevede il confronto tra i datisperimentali ed una distribuzione di doppie rotture casuale nei cromosomi irradiati. È stata giàsviluppata una generalizzazione di questo metodo, in cui si tiene conto dell'ulteriore frammentazioneindotta non dalla radiazione, ma dalla procedura connessa all’elettroforesi (e messa in evidenza dallaframmentazione del campione di controllo); questo significa in pratica ipotizzare una frammentazioneradioindotta casuale non di cromosomi intatti, ma di un campione polidisperso. Tale generalizzazione èstata per ora applicata allo studio di pattern di frammentazione indotti da raggi gamma, che non erapossibile riprodurre senza considerare la polidispersione. Si intende ora introdurre esplicitamente lecorrelazioni tra doppie rotture che ci si aspetta con particelle cariche. Ci si propone più avanti diintrodurre nel modello la cinetica di riparazione delle DSB.

Si prevede anche lo sviluppo di un modello per la rappresentazione delle quantità ricavabili dagliesperimenti di Single Cell Gel Electrophoresis (SCGE o “Comet assay”). In particolare, sicalcoleranno, in funzione della quantità di danno radioindotto sui “loop” di DNA, la forma e l’intensitàdelle immagini di fluorescenza. In questa modellizzazione occorre inserire come input la dimensionemedia dei “loop” e la distribuzione spaziale dei loro punti di ancoraggio. Quindi il confronto con lemisure sperimentali, oltre che permettere di valutare il numero medio di doppie rotture, forniràinformazioni anche su queste caratteristiche strutturali della molecola di DNA.

2.2 Aberrazioni cromosomiche

Nell'ambito di un precedente esperimento INFN ("DOSBI-Dosimetria Biologica da linfociti:monitoraggio citogenetico in radioterapia", resp. naz. G. Gialanella, resp. loc. A. Ottolenghi), sono statisviluppati un modello teorico e un codice Monte Carlo in grado di simulare l'induzione di variecategorie di aberrazioni cromosomiche in seguito all'irraggiamento di linfociti umani con campimonocromatici di fotoni e ioni leggeri, assumendo che solo le "lesioni complesse" (definite come due opiù dsb entro 30 coppie di basi e calcolate con simulazioni di struttura di traccia) siano in grado dievolvere in aberrazioni cromosomiche (Ballarini et al 1999, Ottolenghi et al 2001, Ballarini et al2002c). Mediante il confronto con dati sperimentali disponibili in letteratura, il modello è stato validatonel caso dell'induzione di dicentrici e anelli centrici da parte di raggi gamma e particelle alfa di altoLET (≈100 keV/micron); le curve dose-risposta simulate hanno mostrato un ottimo accordo con quelleosservate sperimentalmente.Nell'ambito del presente progetto, si intende estendere e validare il modello al caso di protoni di bassoLET (≈10 keV/micron o meno) e di protoni e particelle alfa di LET intermedio (tra i 10 e i 100keV/micron). Il modello sarà inoltre esteso al caso di particolari aberrazioni - come le traslocazioni,fortemente correlate con il rischio, e gli scambi complessi - visibili solo con la tecnica di colorazioneFISH, che è stata implementata nel codice ma non ancora testata in modo sistematico medianteconfronti con dati sperimentali. Sarà inoltre implementata nel modello la possibilità di simularel'irraggiamento con campi misti, la cui composizione sarà scelta di volta in volta sulla base dellespecifiche condizioni (sperimentali o "reali") che si intendono riprodurre. Specialmente nel caso diirraggiamento con ioni accelerati, per cui la probabilità che avvengano reazioni nucleari non ètrascurabile, bisogna infatti considerare che anche un fascio inizialmente monocromatico può esserecostituito da componenti diverse quando interagisce con il bersaglio. Nel caso di esperimenti in vitrociò è dovuto essenzialmente alle interazioni che si verificano lungo la linea di fascio, mentre per

esposizioni in vivo giocano un ruolo importante le interazioni con i vari costituenti dell'organismo. Ilproblema sarà affrontato mediante l'utilizzo del codice Monte Carlo FLUKA, al fine di ottenere unadescrizione stocastica dei campi di radiazione d'interesse. Gli spettri così ottenuti saranno utilizzaticome input per i modelli di induzione di danni radiobiologici di cui sopra.

2.3 Bystander effect

Negli ultimi dieci anni, soprattutto in seguito all'introduzione dei cosiddetti "microbeams" si sonoandati accumulando numerosi dati sperimentali che mostrano l'induzione di diversi tipi di danni (mortecellulare, mutazioni, aberrazioni cromosomiche ecc…) in cellule non direttamente attraversate dallaradiazione. I meccanismi che governano questi processi sono ancora poco chiari, ma è ormai assodatoche le varie forme di comunicazione cellulare giocano un ruolo fondamentale. Questi fenomeni,osservati per diversi endpoints e con diverse tecniche, hanno due caratteristiche comuni essenziali: simanifestano a basse dosi (0.5 Gy o meno) e hanno una risposta sovra-lineare, il che potrebbe averedelle notevoli implicazioni sulla stima del rischio a basse dosi, che fino ad ora si basasull'estrapolazione lineare di dati a dosi maggiori. Data l'importanza del fenomeno, il gruppoproponente questo progetto ha svolto un'analisi critica dei principali set di dati disponibili in letteratura(Ballarini et al 2002a,d). Tale analisi ha messo in evidenza l'importanza di almeno due forme dicomunicazione cellulare, quella mediata dal mezzo di coltura e quella mediata dalle cosiddette "gap-junctions", che sono canali che mettono in comunicazione i citoplasmi di due cellule adiacenti,permettendo il passaggio di molecole di piccole dimensioni (inferiori ai 2000 Dalton) che possonogiocare il ruolo di messaggeri. In questo progetto, oltre ad effettuare l'analisi dei nuovi dati che sirenderanno disponibili in futuro, si intende sviluppare un modello teorico che sia in grado di descrivereuno o piu' effetti bystander (tipicamente morte cellulare e mutazioni), al fine di chiarire i principalimeccanismi coinvolti e di determinare la dipendenza di questi fenomeni da fattori quali la dose, il dose-rate, la qualità della radiazione, le condizioni di irraggiamento e di coltura ecc. Saranno inoltreanalizzate le possibili implicazioni dell'effetto bystander in termini di rischio da radiazioni.

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Pianificazione delle attività delle sezioni coinvolte su scala triennale

Roma 1 – Gruppo Collegato SanitàI anno:• Misura delle DSB in cellule irradiate con protoni (LNL), ioni carbonio (LNS), ioni ferro (BNL) e raggi gamma.• Danno ossidativo e blocco proliferativo indotto da protoni di bassa energia ed alto LET e di alta energia e basso LET.• Estensione del modello di frammentazione per considerare processi non casuali per l’analisi degli esperimenti di PFGE.• Costruzione del modello per l’analisi degli esperimenti di SCGE.

II anno• Completamento delle misure delle DSB in cellule irradiate con protoni (LNL), ioni carbonio (LNS), ioni ferro (BNL) e

raggi gamma. Estensione delle misure ai fasci di ioni carbonio e ferro del NIRS.• Esperimenti di riparazione delle DSB indotte da protoni (LNL) e ioni carbonio (LNS).• Studio di fattibilità per esperimenti di induzione di mutazioni indotte da raggi gamma in cellule HL60.• Danno ossidativo e blocco proliferativo indotto da protoni di alta energia e medio LET.• Applicazione dei modelli di frammentazione per l’analisi della riparazione delle DSB indotte dalle diverse radiazioni.• Applicazione del modello per l’analisi degli esperimenti di SCGE disponibili.

III anno• Completamento degli esperimenti di induzione e riparazione delle DSB indotte da protoni (LNL), ioni carbonio (LNS,

NIRS) e ioni ferro (BNL, NIRS).• Analisi dati e confronto tra le metodiche utilizzate.• Eventuali esperimenti di induzione di mutazioni indotte da particelle alfa in cellule HL60.• Danno ossidativo e blocco proliferativo indotto da fascio modulato di protoni.• Estensione del modello di frammentazione con l’introduzione di parametri rappresentativi delle cinetiche di riparazione

delle DSB e confronto con i dati sperimentali.

PaviaI anno:• danno al DNA:

- quantificazione del ruolo protettivo di istoni e scavengers rispetto all'attacco dei radicali OH distribuiti lungo la tracciadella radiazione- simulazione di diversi tipi di danni al DNA indotti da raggi gamma e protoni.

• aberrazioni cromosomiche:- implementazione background di aberrazioni cromosomiche (AC) nella simulazione delle AC radioindotte;- validazione del modello nel caso di protoni di basso LET;

• bystander effect:- aggiornamento dell'analisi critica dei dati disponibili in letteratura

II anno:• danno al DNA:

- simulazione di diversi tipi di danni al DNA indotti da particelle alfa.• aberrazioni cromosomiche:

- estensione e validazione del modello nel caso di aberrazioni visibili solo con la tecnica FISH (tipicamentetraslocazioni e scambi complessi);- implementazione nel modello delle condizioni di irraggiamento isotropo per gli ioni

• bystander effect: aggiornamento sui modelli disponibili in letteratura

III anno• campi misti:

- identificazione dei campi misti d'interesse e loro caratterizzazione mediante il codice FLUKA;• aberrazioni cromosomiche:

- estensione del modello a campi misti;• bystander effect:

- sviluppo di un modello teorico, ed eventualmente un codice di simulazione, in grado di descrivere l'induzione di dannispecifici (tipicamente morte cellulare) in cellule non attraversate dalla radiazione ma vicine a cellule irraggiate.

COMPOSIZIONE DEI GRUPPI DI RICERCA: A) - RICERCATORI - INFN · 2002. 7. 11. · 20 RASELLI Gianluca...

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