Esperimento Struttura Flag Resp. Naz. STARTRACK L.N.L. 1 ... · MICRODOSIMETRIA L.N.L. Tandem,...

STARTRACK

Esperimento Struttura Flag Resp. Naz.

STARTRACK L.N.L. 1

STARTRACK PADOVA

EC4 ricalcolato

Allegato 1

http://preventivi1.infn.it:591/preventivi_2003/FMPro?-db=...p_naz_flag&-sortorder=descend&-sortfield=struttura&-find= [30/07/2002 14.11.08]

Ricercatoreresponsabile locale:

L.N.L.

ISTITUTO NAZIONALE DI FISICA NUCLEARE

Preventivo per l'anno 2003

Struttura

(a cura del rappresentante nazionale)

MICRODOSIMETRIA

L.N.L.

Tandem, Tandem+Alpi

Protoni 16 -30 MEVIoni Carbonio 48-240 MEV

Struttura della traccia di ionizzazione di adroni

Nanodosimetro di traccia

LNL, PADOVA

Università di Padova, Université Paul Sabatier di Tolosa (Francia), Université deBourgogne di Digione (Francia), Ioannina Unovesity (Grecia), PTB Braunschweig(Germania), SOLTAN Institute (Polonia)

4 ANNI

Linea di ricerca

Laboratorio ovesi raccolgono i dati

Acceleratore usato

Fascio(sigla e caratteristiche)

Processo fisico studiato

Apparato strumentale utilizzato

Sezioni partecipanti all'esperimento

Istituzioni esterneall'Ente partecipanti

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

2005-2006

Costruzione del rivelatore, della piattaforma e della camera di misura. Inizio sviluppo delladiagnostica di fascio, del DAQ, del software di analisi e del nuovo collettore di elettroni.

Assemblaggio camera di misura e diagnostica di fascio. Test rivelatore. CompletamentoDAQ e sviluppo software analisi statistica.

Caratterizzazione nuovo collettore di elettroni. Completamento software di analisi dati.Misure su fascio con volume sensibile da 20 nm e da 10 nm e analisi dati.

Nuovo Esperimento GruppoSTARTRACK 5

COLAUTTI Paolo

LNL

RicercatoreCOLAUTTI Paolo

[email protected]:

RappresentanteNazionale:

Struttura diappartenenza:

[email protected]:

Posizionenell'I.N.F.N.:

PREVENTIVO LOCALE DI SPESA PER L’ANNO 2003In kEuro

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

L.N.L.



Struttura


Resp. loc.: COLAUTTI Paolo

VOCIDI

SPESA

DESCRIZIONE DELLA SPESA

Consorzio Ore CPU Spazio Disco Cassette Altro

Totale

Sistema di diagnostica fascio (vedi allegato)

Modifica camera di misura e costruzione piattaforma (v.all.)

Contatti con ditte e gruppi di ricerca

Sistema di diagnostica fascio (vedi allegato)

Contatti con il gruppo di Tolosa

Note:

1 congresso per 2 persone

Alimentatori di alta tensione del rivelatore (vedi Allegato)

IX Neutron Dosimetry Symposium (per 2 persone)

IMPORTI

ParzialiTotale

Compet.

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

10,0

17,0

29,0

2,0

4,0

10,0

40,0

29,0

85,0

1,0

1,0

1,0

23,0

3,0

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. EN. 2

L.N.L.



Struttura

ALLEGATO MODELLO EN 2

Diagnostica (consumo)2 microchannel plate: 1.62 connettori da vuoto multipin: 1.880 preamplificatori dei segnali delle griglie e alimentatore: 3.01 Faraday cup modello Alpi: 0.7un sistema di griglie e supporto regolabile: 0.5cavi segnali e remotizzazione sistema di acquisizione: 0.3+ IVA

Diagnostica (inventario)1 sistema di acquisizione dei dati costituito da PC, programma labview, interfaccia GPIB, scheda acquisizione dati: 7.21 elettrometro Keithley per misurare le bassissime correnti della Faraday cup: 5.61 alimentatore alta tensione per micro channel plate: 1.1+ IVA

Alimentatori alta tensione del rivelatore (inventario)1 Power supply system della CAEN: 7.71 scheda alta tensione 3 kV 12 canali: 3.31 scheda alta tensione + 250 V 12 canali: 3.91 scheda alta tensione -250 V 12 canali : 3.9+IVA

Modifica camera di misura e costruzione della piattaforma (apparati)1 supporto portante con movimenti di traslazione verticali motorizzati: 9.31 modifiche per introdurre la movimentazione della diagnostica, della sorgente di calibrazione e del trigger: 4.11 automazione delle movimentazioni: 7.73 encoder: 3.4+IVA



In kEuro

Mod. EN. 3

Note:

PREVISIONE DI SPESA: PIANO FINANZIARIO LOCALE

PER GLI ANNI DELLA DURATA DEL PROGETTO

(a cura del responsabile locale)

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

Il supporto richiesto è compatibile con le risorse della struttura



L.N.L.

Struttura


Miss. interno

Miss. estero

Mater. di cons.

Trasp.eFacch.

SpeseCalcolo

Affitti emanut.appar.

Mat.inventar.

Costruz.apparati

TOTALECompetenza

2,0 4,0 10,0 40,0 29,0 85,0

TOTALI 18,0 40,0 55,0 58,0 181,0

ANNIFINANZIARI

2003

10,0

2,0 4,0 10,0 15,0 29,0 60,02004

3,0 5,0 10,0 18,02005

3,0 5,0 10,0 18,02006

In kEuro

Mod. EN. 4

Note:

PREVISIONE DI SPESA

Piano finanziario globale di spesa




L.N.L.

Struttura


Miss. interno

Miss. estero

Materialedi

cons.

Trasp.eFacch.

SpeseCalcolo


Mat.inventar.

Costruz.apparati

TOTALECompetenza

TOTALI 20,0 36,0 83,0 55,0 58,0 252,0

ANNIFINANZIARI

4,0 8,0 37,0 40,0 29,0 118,02003

4,0 8,0 16,0 15,0 29,0 72,02004

6,0 10,0 15,0 31,02005

6,0 10,0 15,0 31,02006


PROPOSTA DI NUOVO ESPERIMENTO

VEDI ALLEGATO



L.N.L.

Struttura

Mod. EN. 5

(a cura del rappresentante nazionale)Pag. 1


PROPOSTA DI NUOVO ESPERIMENTO



L.N.L.

Struttura

Mod. EN. 5

(a cura del rappresentante nazionale)Pag. 2

Cognome e Nome

Qualifica

Dipendenti Incarichi

Ruolo Art. 23 Ricerca Assoc.

Affer. al

Gruppo

Numero totale dei Ricercatori

Codice EsperimentoSTARTRACK

Gruppo

L.N.L.

5



Struttura

COMPOSIZIONE DEL GRUPPO DI RICERCA

RICERCATORI

Cognome e Nome

Qualifica


Ruolo Art. 23 Ass. Tecnol.

TECNOLOGI

N N

1,0

1,0Ricercatori Full Time Equivalent

Numero totale dei Tecnologi 3,0

1,5Tecnologi Full Time Equivalent

Cognome e Nome

Qualifica


Ruolo Art. 15 Collab.tecnica

Assoc.tecnica

TECNICI

N

Numero totale dei Tecnici 1,0

0,2Tecnici Full Time Equivalent

COLAUTTI Paolo Ric 10051 CANELLA Stefania Tecn 251

CONTE Valeria Tecn 1002

POGGI Marco Tecn 253

CHIURLOTTO Francesca Cter 201

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



Gruppo

L.N.L.

5



Struttura

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

SERVIZI TECNICI

SCAAS 11

Serv. Tecn. Mec. Mat. 62

Annotazioni:

Mod. EC/EN 8

Denominazione mesi-uomo


Data completamento

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

30/06/2003 Installazione scheda di acquisizione, configurazione e controllo

30/09/2003 Costruzione del rivelatore

31/12/2003 Sviluppo software di acquisizione e controllo remoto

31/12/2003 Costruzione piattaforma e modifica camera di misura

Descrizione

31/12/0203 Costruzione dell'hardware della diagnostica di fascio

Resp. Naz.: COLAUTTI Paolo

Ricercatoreresponsabile locale:

PADOVA



Struttura


MICRODOSIMETRIA

Laboratori Nazionali di Legnaro

TANDEM,TANDEM+ALPI

PROTONI 16-30 MeVIONI CARBONIO 48-240 MeV

STRUTTURA DELLA TRACCIA DI IONIZZAZIONE DI ADRONI

NANODOSIMETRO DI TRACCIA

LNL, PADOVA

Universita' di Padova, Universite' P. Sabatier di Tolosa (Francia), Universite' de Bourgognedi Digione (Francia), Ioannina University (Grecia), PTB di Braunschweig (Germania),Soltan Institute (Polonia)

Linea di ricerca

Laboratorio ovesi raccolgono i dati

Acceleratore usato

Fascio(sigla e caratteristiche)

Processo fisico studiato

Apparato strumentale utilizzato

Sezioni partecipanti all'esperimento

Istituzioni esterneall'Ente partecipanti

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

2005-2006

Costruzione del rivelatore, della piattaforma e della camera di misura. Inizio sviluppodiagnostica di fascio, del DAQ, del software di analisi e del nuovo collettore di elettroni.

Assemblaggio camera di misura e diagnostica di fascia. Test rivelatore. CompletamentoDAQ e sviluppo software di analisi statistica.

Caratterizzazione nuovo collettore di elettroni. Completamento software di analisi dati.Misure su fascio con volume sensibile da 20 nm e da 10 nm ed analisi dati.


Paolo COLAUTTI

LNL

I RicercatoreGiorgio TORNIELLI

[email protected]:

RappresentanteNazionale:

Struttura diappartenenza:

[email protected]:

Posizionenell'I.N.F.N.:

PREVENTIVO LOCALE DI SPESA PER L’ANNO 2003In kEuro

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

PADOVA



Struttura


Resp. loc.: Giorgio TORNIELLI

VOCIDI

SPESA

DESCRIZIONE DELLA SPESA

Consorzio Ore CPU Spazio Disco Cassette Altro

Totale

Contatti con ditte e con gruppi di ricerca.

Costruzione rivelatore, griglie e sistema di cablaggio (v. allegato)

Contatti con gruppi di ricerca.

Note:

Partecipazione ad un congresso per due persone.

1 congresso (IX neutron dosimetry symposium) per due persone.

IMPORTI

ParzialiTotale

Compet.

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

27,0

2,0

4,0

27,0

33,0

1,0

2,0

sj

di cui 2 sj

sj

sj

di cui 4 sj

di cui 27 sj

di cui 33 sj

1,0 sj

2,0 sj

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. EN. 2

PADOVA



Struttura

ALLEGATO MODELLO EN 2

Costruzione rivelatore e griglie (materiale di consumo):- 40 griglie in materiale stesalite con passo e diametro dei fili variabili: 3 keuro- costruzione collettore di elettroni: 7.5 keuro-costruzione colonna di drift del rivelatore e supporto: 2 keuro-implementazione del sistema di alimentazione del rivelatore: 10 keurotutte le voci sono da considerarsi +IVA 20%



In kEuro

Mod. EN. 3

Note:

PREVISIONE DI SPESA: PIANO FINANZIARIO LOCALE

PER GLI ANNI DELLA DURATA DEL PROGETTO

(a cura del responsabile locale)

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

NON SONO STATE PRESENTATE RICHIESTE ALLA SEZIONE.



PADOVA

Struttura



Miss. interno

Miss. estero

Mater. di cons.

Trasp.eFacch.

SpeseCalcolo


Mat.inventar.

Costruz.apparati

TOTALECompetenza

2,0 4,0 27,0 33,0

TOTALI 18,0 43,0 71,0

ANNIFINANZIARI

2003

10,0

2,0 4,0 6,0 12,02004

3,0 5,0 5,0 13,02005

3,0 5,0 5,0 13,02006

Cognome e Nome

Qualifica


Ruolo Art. 23 Ricerca Assoc.

Affer. al

Gruppo

Numero totale dei Ricercatori


Gruppo

PADOVA

5



Struttura

COMPOSIZIONE DEL GRUPPO DI RICERCA

RICERCATORI

Cognome e Nome

Qualifica


Ruolo Art. 23 Ass. Tecnol.

TECNOLOGI

N N

2,0

1,6Ricercatori Full Time Equivalent

Numero totale dei TecnologiTecnologi Full Time Equivalent

Cognome e Nome

Qualifica


Ruolo Art. 15 Collab.tecnica

Assoc.tecnica

TECNICI

N

Numero totale dei Tecnici

Tecnici Full Time Equivalent

DE NARDO Laura 805AsRic1

TORNIELLI Giorgio 805P.A.2




Gruppo

PADOVA

5



Struttura

COMPOSIZIONE DEL GRUPPO DI RICERCA (cont.)

SERVIZI TECNICI Annotazioni:


Denominazione mesi-uomo


Missioni interno

Missioni estero

Mater.di

Cons.

Tras. eFac.

SpeseCalc

Aff. eManut. App.

Mater.invent.

Costruz.apparati TOTALE

Pub.Scien.

SpesSem

Invitiospitistran.ESPERIM.

Esperimento gruppo Rappresentante nazionale Struttura res_naz

STARTRACK 5 COLAUTTI Paolo LNL nuovonuovo_continua

Ricercatori

FTE

Personale

Tecnologi

FTE

Tecnici

FTEServizi mesi uomo

Rapporti (FTE/numero) Ricercatori Ricercatori+Tecnologi0,80 0,80

2,0

1,6

2 4 27 33STARTRACK

2 4 27 33di cui sj

2 4 27 33

2 4 27 33di cui sj

Totali

Richieste/(FTE ricercatori+tecnologi) 20,63

Ricercatori

FTE

Personale

Tecnologi

FTE

Tecnici

FTEServizi mesi uomo

Rapporti (FTE/numero) Ricercatori Ricercatori+Tecnologi1,00 0,63

1,0

1,0

3,0

1,5

1,0

0,2 7,0

2 4 10 40 29 85STARTRACK

di cui sj

2 4 10 40 29 85

di cui sj

Totali

Richieste/(FTE ricercatori+tecnologi) 34,00

4 8 37 40 29 118Totali

2 4 27 33di cui sj

Mod. EC4 dati

4,0 8,0 37,0 40,0 29,0 118,0Totali-Dati EC4

TOTALI

Confronto con il modello EC4

Ricercatori 3,0

2,6FTE

Personale Tecnologi 3,0

1,5FTE

Tecnici 1,0

0,2FTE 7,0

Servizi mesi uomo

0,87 0,68Rapporti (FTE/numero) Ricercatori Ricercatori+Tecnologi Richieste/(FTE ricercatori+tecnologi) 28,78

STARTRACK

nanodosimetric STructure of hAdRon TRACKs

Introduzione Come è noto il cancro è uno dei principali problemi della salute pubblica europea. Ogni anno 1,5

milioni di europei sviluppano un tumore maligno e solo il 40% circa di essi vengono curati con successo. Le radiazioni ionizzanti sono largamente utilizzate nella cura del cancro e con relativo successo, visto che esse vengono impiegate nel 50-60% dei casi che si risolvono positivamente. L’utilizzo degli adroni in radioterapia ha ulteriormente aumentato l’impatto terapeutico delle radiazioni e promette ulteriori successi nella cura dei tumori quando questa recente terapia sarà ottimizzata.

Ioni leggeri quali protoni, ioni elio, carbonio, ossigeno, neon hanno una grande selettività fisica poiché permettono di irradiare la zona malata minimizzando la dose ai tessuti sani circostanti. Tali ioni possiedono anche un’efficacia biologica superiore a quella dei raggi X o gamma. Tale proprietà consente di controllare meglio la crescita tumorale, ma è necessario evitare che essa aumenti anche il danno collaterale ai tessuti sani. Sta perciò aumentando l’interesse per lo studio delle radiazioni sui tessuti viventi. Uno degli obiettivi è la conoscenza ed il monitoraggio dell’efficacia biologica dei fasci adronici per poter aumentare l’impiego terapeutico di queste particelle.

Al GSI, per esempio,l’efficacia biologica di ioni carbonio viene valutata mediante un modello, il Local Effect Model o LEM, la cui validità è supportata dall’efficacia dei piani di trattamento praticati [1]. Tuttavia questo modello non ha validità generale, inoltre esso descrive solo macroscopicamente la qualità media della struttura di traccia; non si conoscono la relazioni che collegano i parametri usati in questo modello e le fluttuazioni delle ionizzazioni dovute al passaggio di un singolo ione, una conoscenza, quest’ultima, che è necessaria per progettare dei monitor di qualità basati sulla rivelazione di particelle singole.

Il progetto ATER, finanziato dal GR V dell’INFN, ha d’altra parte dimostrato che è possibile monitorare l’efficacia biologica di fasci terapeutici di protoni [2] utilizzando dei mini rivelatori proporzionali a gas che misurano lo spettro microdosimetrico del campo di radiazione in un dato punto in siti di 1-2 µm di diametro. Tale spettro viene utilizzato per stimare l’efficacia biologica del campo stesso utilizzando un’empirica funzione di risposta che è stata ricavata per confronto con i dati radiobiologici di sopravvivenza cellulare [3]. Anche questo approccio non ha però validità generale, anche perché manca una teoria generale dell’azione biologica delle radiazioni. In altre parole, non esiste una funzione di risposta biologica unica, dipendendo quest’ultima dall’end-point biologico e dal livello di sopravvivenza (ossia dalla dose). Un R&D basato sul confronto di set di dati radiobiologici, sufficientemente vasti e presi su fasci di diversa qualità, con i corrispettivi spettri microdosimetrici potrebbe mettere a disposizione funzioni di risposta ad hoc per gli end-point e le dosi di interesse terapeutico. Tale R&D sarebbe tuttavia impegnativo e costoso e non ci sarebbe la sicurezza a priori dell’esistenza di una funzione di risposta per ogni end-point.

La scoperta che il danno biologico primario delle radiazioni avviene prevalentemente in siti di dimensioni comprese tra i 2 nm della doppia elica del DNA ed i 30 nm della fibra di cromatina [4], ha portato ad ipotizzare che in questo intervallo di dimensioni esista un sito a cui potrebbe essere associata una funzione di risposta di validità generale [5]. A queste dimensioni tuttavia, il rivelatore misurerebbe non solo le fluttuazioni di ionizzazione dovute al tipo ed all’energia della particella, ma anche quelle dovute alla variazione della struttura interna di una traccia di ionizzazione. L’estensione radiale della traccia è infatti ordini di grandezza più grande della dimensione del volume sensibile di misura di un nanodosimetro. Per poter progettare monitor di qualità che abbiano validità generale è perciò necessario conoscere la struttura di una traccia di ionizzazione e la sua variazione con il tipo e la velocità della particella primaria.

L’attuale conoscenza della traccia di ionizzazione di una particella carica Calcoli di struttura di una traccia di ionizzazione

Figura 1. Valori calcolati (linee intere) di energia lineale, mediata in dose, in siti di 20 nm di diametro

posti a distanza b dalla traccia primaria. Calcoli effettuati per ioni idrogeno, elio e litio di 20 MeV/nucleone [8].

Figura 2. Sezione d’urto biologica per inattivazione di cellule di mammifero in funzione del libero

cammino medio di ionizzazione primaria [11].

Conoscere la struttura di una traccia di ionizzazione significa conoscere le sue proprietà statistiche locali, le quali dipendono, oltre che dal tipo e dalla velocità della particella primaria, anche dalla dimensione del sito di definizione (diametro del volume sensibile del rivelatore) e dalla distanza di quest’ultimo dalla traiettoria della particella primaria. La nostra attuale conoscenza ci deriva quasi

esclusivamente da modelli numerici di simulazione (Monte Carlo). Tali modelli hanno messo in evidenza alcune interessanti proprietà di invarianza nella struttura di traccia di ionizzazione prodotta da particelle cariche. Una di queste riguarda le distribuzioni di ionizzazioni prodotte “indirettamente” dalla particella carica primaria in siti nanometrici, cioè quelle prodotte nella zona cosiddetta di penombra dall’interazione di raggi delta emergenti dalla traccia. Calcoli effettuati con protoni hanno evidenziato come, in tale zona della traccia, le distribuzioni dei cluster di ionizzazione siano indipendenti sia dalla distanza del sito dalla traiettoria della particella primaria, sia dall’energia della particella primaria [6-7]. Altri calcoli mostrano come, nella zona di penombra, l’energia lineale media in siti di 20 nm sia indipendente dal tipo di particella primaria, a parità di velocità [8] (vedi figura 1). Qualora le distribuzioni dei cluster di ionizzazione fossero indipendenti sia dalla distanza del sito dalla traiettoria della particella primaria, sia dall’energia e dal tipo di particella primaria, come suggerito da tali calcoli, l’unica zona della traccia significativa nel caratterizzare i diversi tipi di particelle sarebbe quella centrale, il cosiddetto core. In questa zona, calcoli Monte Carlo riguardanti tracce di protoni e di elettroni [9-10] indicano che le proprietà statistiche delle distribuzioni di ionizzazioni in siti nanometrici sono riconducibili a quelle della sola distribuzione delle ionizzazioni primarie. Se tale caratteristica fosse valida anche per altri ioni di diverse velocità, l’unico parametro significativo che rimarrebbe a caratterizzare la traccia di ionizzazione di una particella sarebbe il cammino libero medio di ionizzazione (λ) della particella primaria. Tale conclusione è supportata anche da un’analisi critica dei dati radiobiologici disponibili [11], che individua in λ la grandezza fisica univocamente correlabile all’effetto biologico causato da differenti tipi di ioni (vedi figura 2).

Figura 3. Energia specifica media depositata in siti di diametro equivalente a 500 nm (cerchi vuoti) ed a

250 nm (quadrati vuoti) posti a distanze radiali b dalla traccia primaria. Dati sperimentali su ioni germanio di 17.2 MeV/amu [15].

Misure della struttura di una traccia di ionizzazione

L’odierna tecnologia di rivelazione non permette di misurare spettri di ionizzazione in acqua condensata. Perciò tutte le misure di spettri, in siti micrometrici o meno, sono fatte in gas organici. Confronti dei dati sperimentali con i modelli numerici di simulazione di una traccia in vapore acqueo ed in acqua condensata mostrano tuttavia un buon accordo [12,13]. Rimane l’attuale impossibilità di monitorare gli eventi di eccitazione che avvengono in fase condensata. Sebbene ci siano indizi

sperimentali su una qualche efficacia biologica delle eccitazioni [14], non si conosce l’importanza relativa, che si ritiene comunque piccola, di tale componente del deposito energetico, per l’impossibilità di separarne gli effetti da quelli delle ionizzazioni.

La conoscenza sperimentale della struttura di una traccia di ionizzazione deriva quindi esclusivamente da misure in gas, tuttavia, a parte le nostre recenti misure di cui parleremo in seguito, non esistono misure sperimentali in siti di dimensioni inferiori ai 30 nm per verificare l’esistenza di una regione di ionizzazione dalle caratteristiche statistiche invarianti con la posizione rispetto alla traccia primaria. Sono state invece fatte misure in siti di diametro maggiore o uguale a 125 nm utilizzando contatori proporzionali a gas sferici o cilindrici wall-less, che cioè utilizzano per catodo una griglia ad alta trasparenza.

I risultati delle misure fatte negli anni ’80-’90 con vari ioni (dai protoni all’uranio) sembravano confermare l’invarianza dell’energia media assorbita in siti micrometrici (o poco meno) posti a varie distanze radiali dalla traccia. In figura 3 sono mostrati i dati per ioni germanio [15].

Figura 4. Energia specifica media in siti di 150 nm di diametro in funzione della distanza r dalla traccia

della particella primaria. A sinistra misure con ioni elio, a destra misure con ioni carbonio (vedi ref. 16). Le linee continue indicano le previsioni di un modello basato sulla dinamica classica delle collisioni [17]

Misure più recenti non sembrano confermare tale invarianza (vedi figura 4), se non per gli ioni elio

[16]. Dato il volume sensibile relativamente grande del rivelatore, queste misure hanno però investigato la “nuvola” di ionizzazione dei raggi δ a distanze relativamente grandi dalla traccia primaria.

L’Unione Europea ha finanziato due progetti (nel III e nel IV programma quadro) per sviluppare apparati di misura in grado di misurare la struttura di ionizzazione di traccia di una particella carica e modelli di azione biologica basati sull’interazione di una singola particella con strutture biologiche di dimensioni nanometriche [10,18].

Nell’ambito di tali progetti abbiamo realizzato un apparato sperimentale, basato su un contatore di singoli elettroni [19], in grado di misurare le distribuzioni di ionizzazioni in siti di dimensioni pari a circa 20 nm.

Figura 5. Schema dell’apparato sperimentale sviluppato per misurare i cluster di ionizzazione (puntini

rossi) generati in un volume di gas dal diametro equivalente a circa 20 nm da una particella alfa (pallina blu). Gli elettroni delle ionizzazioni vengono fatti diffondere in un debole campo elettrostatico costante. Alla fine della colonna di diffusione un contatore proporzionale a molti stadi conta gli elettroni ad uno ad uno, posto che la loro separazione in tempo sia superiore a circa 20 ns.

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��

��

��

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��

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� ��

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Figura 6. Distribuzioni condizionali (esclusi cioè gli eventi 0) delle ionizzazioni in un sito di 24 nm di

diametro posto a varie distanze d dalla traccia alfa primaria [20].

Con tale rivelatore, abbiamo misurato le distribuzioni di cluster di ionizzazione in siti di 21 e 24

nanometri equivalenti posti a diverse distanze radiali dalla traccia di una particella alfa del 244Cm. Le nostre misure confermano che la statistica delle ionizzazioni generate dai raggi δ in siti nanometrici

non dipende dalla distanza dalla traccia primaria di una particella alfa.

Obiettivi dell’esperimento Il pairwise lesion interaction model [21 ] ed il λ model [ 11] suggeriscono che la qualità biologica di

una radiazione potrebbe essere monitorata misurando semplicemente λ: il cammino libero medio della ionizzazione primaria. Questa forte riduzione della complessità dei fenomeni fisici, che sono alla base dell’azione biologica della radiazione, si basa sulla supposta invarianza, con l’energia ed il tipo della particella carica primaria, di alcune proprietà statistiche delle distribuzioni di ionizzazioni relative a siti di dimensioni nanometriche posti vicino alla traccia primaria.

Obiettivo finale dell’esperimento è misurare perciò le distribuzioni dei cluster di ionizzazione, indotte da ioni idrogeno e carbonio di diverse energie, in siti di 20 nm e di 10 nm, sopra ed a lato della traccia primaria.

I risultati di un tale programma di ricerca permetterebbero di sviluppare un sistema di monitoraggio di validità generale della qualità biologica dei fasci utilizzati in radioterapia adronica. Essi sarebbero inoltre significativi anche per sviluppare monitor di radiazione in grado di stimare il danno biologico subito dalle persone che vengono esposte a campi misti di radiazioni non usuali, quali gli astronauti o gli equipaggi degli aerei di linea che volano ad alta quota.

L’interesse internazionale di un tale programma di ricerca è testimoniata dall’ Espresssione di Interesse recentemente sottoposta alla considerazione della Commissione europea ed allegata a questa proposta.

Sottoprogetti in cui si articola l’esperimento

L’esperimento, di durata quadriennale, mira ad aggiornare ed installare presso il laboratorio Tandem-Alpi di Legnaro il sistema di rivelazione di nanodosimetria di traccia sviluppato in questi anni presso i LNL ed a studiare con questo apparato le caratteristiche statistiche delle ionizzazioni di fasci di protoni e di ioni carbonio. L’esperimento si articola nei seguenti sottoprogetti:

1. Up-grade della camera di misura; 2. Costruzione del nanodosimetro di traccia; 3. Up-grade del sistema di controllo; 4. Sviluppo della diagnostica di fascio; 5. Up-grade del sistema di acquisizione; 6. Sviluppo di un nuovo collettore di elettroni; 7. Sviluppo di software di analisi dati; 8. Misura su fasci di ioni idrogeno e carbonio ed analisi dei dati.

Illustreremo brevemente gli 8 sottoprogetti. 1. Up-grade della camera di misura

Lo schema della camera di misura è riportato in figura 7. L’attuale camera di misura è divisa in due comparti A e B pensati per alloggiare rispettivamente la

diagnostica di fascio (a) ed il nanodosimetro di traccia (c). Il comparto A è sotto vuoto, il comparto B è in gas propano alla pressione di qualche mbar.

Un fascio di circa 1 nA verrà focalizzato su un diaframma di 1 mm (a’) che garantisce un ritardo sufficiente all’onda d’urto che si crea in caso di accidentale rottura della finestra che separa il comparto A

dal comparto B. Il fascio verrà quindi sfocalizzato e/o diffuso fino a raggiungere un’intensità compresa tra 0,01 ed 0,1 ppA/cm2 (6⋅104 - 6⋅105 ioni per centimetro quadro e per secondo) prima di entrare in A, dove la diagnostica a di fascio ne misurerà forma e intensità. Il rivelatore di diagnostica verrà quindi spostato in posizione a1, permettendo così al fascio di attraversare una serie di collimatori e la finestra di mylar alluminato che separa i due comparti A e B. Il fascio, di 0,3 mm di diametro (60-600 ioni al secondo) verrà analizzato dal nanodosimetro di traccia che, essendo montato su una piattaforma movimentata da una vite micrometrica, può essere spostato trasversalmente al fascio con grande precisione. Il rivelatore c può essere mosso anche verticalmente, con una vite micrometrica, per posizionarne il volume sensibile correttamente rispetto all’asse del fascio. Le caratteristiche operative del nanodosimetro di traccia verranno aggiustate ed ottimizzate prima della misura utilizzando una mini sorgente di 244Cm di 1 µCi (b). La sorgente verrà quindi spostata in posizione b1; il fascio potrà quindi colpire lo stato solido e, il cui segnale abilita l’acquisizione del rivelatore c, dopo essere passato attraverso l’ultimo collimatore d. Quest’ultimo collimatore può essere spostato trasversalmente al fascio con una vite micrometrica fino alla posizione d1, in tal modo sarà possibile misurare il profilo del fascio analizzato dal rivelatore c. La camera dovrà essere equipaggiata con le movimentazioni di a, b e d (oggi inesistenti); tutte le movimentazioni dovranno essere motorizzate, dotate di encoder e pilotabili a distanza. Il sistema da vuoto del comparto A dovrà essere acquistato, assemblato.

Figura 7. Schema della camera di misura (circa 70 cm x 40 cm) vista dall’alto. Vedi testo.

Tale sottoprogetto si articola nelle seguenti attività: a) costruzione della piattaforma della camera; b) costruzione delle movimentazioni; c) assemblaggio sulla linea di fascio.

2. Costruzione del nanodosimetro di traccia

L’attuale prototipo del sistema di rivelazione (nanodosimetro di traccia) è composto da un collettore di elettroni (EC) e da un contatore di singolo-elettrone che a sua volta è costituito da una colonna di drift (DC) e da un contatore proporzionale a molti stadi di moltiplicazione (MSAC) [19]. Il volume sensibile del rivelatore è definito da un insieme di 20 elettrodi che chiamiamo “collettore di elettroni”. Il collettore di elettroni raccoglie gli elettroni liberi generati dal passaggio della particella e li trasferisce alla colonna

di drift (34 elettrodi), la quale li separa spazialmente sicchè essi arrivano in tempi diversi al contatore proporzionale (4 elettrodi). Sulla base del prototipo attualmente funzionante, verrà costruito un sistema di rivelazione dove le 3 unità siano assemblabili indipendentemente e facilmente agganciabili una all’altra. In tal modo le due unità più critiche (EC e MSAC) potranno essere sostituite sull’apparato già montato sulla linea di fascio. Verrà riprogettato il sistema di cablaggio di tutti i circa 60 elettrodi di alimentazione in modo tale da minimizzare i rumori elettronici ed il rischio di malfunzionamenti. Sarà infatti necessario costruire un sistema ottimizzato della distribuzione delle alte tensioni con filtri di alimentazione del front-end (F.E.), realizzando un lay-out tale da migliorare il disaccoppiamento tra i singoli canali e le altre funzioni elettriche. Sarà inoltre indispensabile rifare i filtri di distribuzione dell'alta tensione e delle interconnessioni, utilizzando dove necessario doppini, etc.

Tale sottoprogetto è composto di due attività: a) progetto e costruzione del sistema di rivelazione; b) progetto e costruzione del sistema di cablaggio delle alimentazioni.

3. Up-grade del sistema di controllo L’attuale prototipo del nanodosimetro di traccia lavora in flusso di gas propano alla pressione di 3-3.5

mbar. Una pompa a membrana, un pompa turbomolecolare, un flussimetro a controllo di massa ed una valvola a farfalla costituiscono gli elementi del sistema di flussaggio del gas i cui parametri dovranno essere controllati in modo remoto durante le misure col fascio. Similmente il sistema di alimentazione dei circa 60 elettrodi dovrà essere pilotato e controllato in modo remoto. La misura prevede diverse configurazioni dei campi elettrici. Si dovrà perciò passare da una configurazione all’altra in modo rapido ed affidabile. La stabilità dei parametri di raccolta, diffusione e moltiplicazione dei singoli elettroni è garantita da una precisione di alimentazione di 0.1 V. Si prevede di usare il multichannel power supply system della CAEN. Il sistema da vuoto della pre-camera di reazione (vedi punto 4) dovrà essere tenuto parimenti sotto controllo. La camera avrà inoltre 2 movimentazioni on-off e 3 movimentazioni micrometriche (vedi punto 4) che dovranno essere controllate remotamente.

4. Sviluppo della diagnostica di fascio

Il sistema di diagnostica sarà composto da tre dispositivi: un collimatore/separatore di vuoto con “4 settori” a lettura indipendente della corrente da ciascun settore, un misuratore di profilo trasversale del fascio e da una Faraday cup. Il fascio incontra (Fig. 7 procedendo da sinistra verso destra) il collimatore/separatore fisso a’, punto su cui l’operatore di macchina focalizzerà il fascio, quindi i due dispositivi in alternativa, il misuratore di profilo o la Faraday cup, entrambi rappresentati con il simbolo a in figura 7, che saranno mobili per poter toglierli dal fascio una volta fatta la misura.

Il collimatore/separatore di vuoto sarà costituito da un pacchetto formato, lungo la traiettoria del fascio, da:

- un disco di tantalio diviso in quattro settori fissi, ciascuno isolato dagli altri, dai quali è possibile prendere una misura di corrente;

- un disco di materiale isolante (tipicamente macor o allumina) che isola la “quattro settori”; - un altro disco di tantalio, con un foro di 1 mm al centro e del diametro del tubo di fascio, che fa da

separatore di vuoto per evitare rientri veloci fino al Tandem in caso di rotture della finestra di mylar che separa il comparto B, in flusso di gas, da quello A, sotto vuoto.

Il misuratore del profilo del fascio sarà costituito da un sistema di 2 micro channel plate che utilizzano come anodo di raccolta una griglia in grado di visualizzare il profilo, sia orizzontale che verticale, del fascio. Il fascio colpisce direttamente il micro channel plate e gli elettroni prodotti e moltiplicati vengono raccolti sulla griglia/anodo. Ciascun ‘filo’ della griglia è letto da un pre-amplificatore; un sistema di multiplexing invierà il segnale sul canale di uscita. E’ previsto un segnale proveniente dai ‘fili’ orizzontali e uno dai verticali. Tutto il sistema è movimentato da un motore passo-passo in modo da essere inserito o estratto dal fascio. Il sistema, che nel suo complesso è già stato collaudato e montato su un altro

esperimento, è in grado di misurare il profilo del fascio fino a rate di meno di 105 particelle al secondo per cm2.

La misura assoluta della corrente verrà fatta con una Faraday cup di tipo tradizionale (come quelle montate al linac ALPI). La lettura sarà effettuata utilizzando un elettrometro estremamente sensibile (meno di 5 fA di corrente di bias con possibilità di misura anche di carica) in modo da raggiungere i limiti richiesti di precisione. Il movimento, rappresentato in figura 7 dalla posizione a1, porterà in asse al fascio prima il misuratore di profilo, poi il misuratore assoluto di corrente, quindi lascerà libero il passaggio del fascio.

Il sistema di acquisizione della diagnostica di fascio deve essere in grado di visualizzare : - 4 segnali di corrente dalla ‘4 settori’; - 2 segnali di tensione multiplexati dai preamplificatori delle griglie; - 1 segnale di corrente dalla Faraday cup.

Inoltre deve poter comandare, e quindi inviare segnali a: - il micro channel plate per alimentarlo; - la movimentazione di griglia e Faraday cup (vedi punto 2); - il sistema di preamplificazione e multiplexing dei segnali dalle griglie; - il misuratore di corrente.

A tale scopo si prevede di integrare tutto il sistema in un PC con scheda di acquisizione e un programma di visualizzazione dei dati, in grado di gestire i controller degli stepping motor delle movimentazioni, il clock per il sistema di multiplexing dei segnali provenienti dal misuratore di profilo del fascio, l’alimentazione del micro channel plate e i comandi del misuratore di corrente.

Il PC sarà posizionato vicino all’esperimento per problemi di minimizzazione del rumore e verrà controllato remotamente tramite rete locale.

Questo sottoprogetto si articola nelle seguenti attività: a) costruzione e test del rivelatore di profilo e del sistema di acquisizione; b) costruzione e test della Faraday cup e del sistema di acquisizione; c) costruzione e test del collimatore a 4 settori e del sistema di acquisizione; d) assemblaggio e test di tutta la diagnostica.

5. Up-grade del sistema di acquisizione

Una particella carica, passando ad una data distanza dal volume sensibile, genererà in esso direttamente o indirettamente (cioè tramite uno o più raggi delta) degli elettroni liberi che, sotto l’azione di un opportuno campo elettrico, vengono risucchiati dentro il cono collettore e quindi migrano verso la MSAC lungo la colonna di drift (vedi punto 1). Poiché al drift è associata anche una diffusione longitudinale, gli elettroni provenienti dal cluster originale arrivano sullo stadio di amplificazione in tempi diversi; con una formazione veloce del segnale è possibile distinguere gli impulsi creati dai singoli elettroni e dunque contarli. Il segnale indotto dalla valanga elettronica sulla griglia dell’ultimo stadio di amplificazione viene raccolto da un preamplificatore di corrente veloce con rise time dell’ordine di 10 ns. Il tempo di raccolta dipende dalla lunghezza della colonna e dal campo di drift applicato. Gli elettroni devono diffondere in misura sufficiente da poter essere contati uno a uno, tenendo contemporaneamente sotto controllo l’attachment e la diffusione laterale, che pure riducono l’efficienza del rivelatore. Studi precedenti hanno dimostrato una buona efficienza di conteggio per clusters di dimensioni fino a 15-20 elettroni [22]. L’ottimizzazione dei campi elettrici fa sì che si abbia tipicamente una diffusione (e dunque un tempo di raccolta) di circa 10 microsec (intervallo temporale tra il primo e l’ultimo elettrone misurati). Poiché la distribuzione temporale degli eventi segue una statistica poissoniana, la probabilità P che un cluster si sovrapponga ad un altro, entro un dato intervallo di tempo T, è dato dalla nota formula:

P = 1− e− RT

dove T è tempo di risoluzione (nel nostro caso il tempo di diffusione temporale del cluster di elettroni lungo la colonna, circa 10 microsecondi), ed R è il rateo di conteggio. Con un rateo di 1000 particelle per

secondo si ottiene un pile-up dell’1%, che potrebbe distorcere significativamente lo spettro di frequenza dei clusters, qualora non si provvedesse a riconoscere gli eventi sovrapposti e a scartarli. L’elettronica di acquisizione dati

Le valanghe elettroniche associate ad ogni elettrone hanno una durata di circa 10 ns; il treno di impulsi, dopo essere stati processati dal preamplificatore di corrente, verrà campionato da un flash ADC. Per poter applicare opportuni algoritmi capaci di filtrare il rumore di fondo, è necessario avere una buona campionatura del segnale stesso, tipicamente a 1 GSamples/sec. Si è individuata come soluzione una scheda PCI (CompuScope 82G della Gage-Tektronix) in grado di eseguire una conversione A/D con risoluzione 8 bit, frequenza di campionamento fino a 2 GSamples/sec e larghezza di banda analogica di 500 MHz. Tale scheda è dotata inoltre di un Buffer di memoria a bordo di 2 MSamples, incrementabile fino a 16 MSamples. Per il controllo e gestione della scheda è utilizzabile un software commerciale della stessa Gage (Gagescope Software 3.0 Pro.), che consente la cattura dei dati in ambiente Windows, la visualizzazione dei segnali su monitor e la loro analisi. I dati immagazzinati nella memoria interna della CompuScope 82G vengono trasferiti (interfaccia Bus PCI a 32 bit) alla memoria del PC per la visualizzazione, l’analisi e l’eventuale registrazione su hard disk. Il trigger di acquisizione di ciascuna traccia viene da un rivelatore a stato solido, che fornisce un segnale selettivo per convertire solo gli eventi che rientrano in una data finestra energetica. Con un campionamento di 1 nsec ogni evento (10 microsec) ha dimensioni pari a 10 KSamples. Con una memoria a bordo di 2 MSamples è possibile registrare localmente 200 eventi, prima di trasferire i dati alla memoria del PC. Secondo le specifiche della scheda 82G, con eventi di dimensioni pari a 10 KS si raggiungono ratei di conteggio di circa 2 KHz.

Analisi dei dati

Per identificare e contare i picchi dovuti agli elettroni, si applica un metodo di correlazione. La forma d’onda digitalizzata viene correlata con un impulso di forma tipica, che viene definito in base all’osservazione di un “buon” impulso sperimentale. Calcolato lo spettro di correlazione, il software di analisi conta i picchi sopra un opportuno livello di soglia e scarta eventuali forme d’onda “anomale” (dovute a cosmici, pile-up o altro). Vengono registrati inoltre le posizioni dei picchi ed il loro guadagno medio, che serviranno per successive analisi statistiche. L’analisi delle tracce può avvenire on-line o off-line; poiché la quantità di dati acquisita sarà notevole (circa 10 MBytes/sec. nelle condizioni di misura sopra citate, con un flusso di 1000 particelle/sec.), si prevede comunque una prima analisi on-line che consenta una riduzione dei dati estraendo le informazioni utili e tralasciando il resto (per esempio il fondo sicuramente sotto soglia). Il sistema d’acquisizione dati deve essere remotizzabile.

Questo sottoprogetto si articola nelle seguenti attività: a) installare la scheda PCI e implementare il software di gestione; b) sviluppare un software di front-end per la riduzione dei dati; c) sviluppare un software di analisi off-line.

6. Sviluppo di un nuovo collettore di elettroni

Il collettore di elettroni che verrà costruito, ottimizzando l’attuale prototipo (vedi punto 1), sarà in grado di raccogliere i cluster di ionizzazione generati in un volume di propano dallo spessore equivalente di 21 o 24 nm (a seconda della pressione del gas di misura). Tali spessori sono comparabili a quello di una fibra di cromatina (~ 25 nm). Poter disporre di un collettore di elettroni con diametro equivalente pari a circa 10 nm permetterà di verificare se le proprietà di invarianza della traccia dipendono dalle dimensioni del sito di misura. La disponibilità di un volume sensibile così piccolo permetterà inoltre il confronto con i dati sperimentali raccolti dai sistemi di rivelazione basati sulla tecnica del conteggio degli ioni positivi [23, 24]. Tale tecnica, che necessita di un pompaggio differenziale per rivelare a circa 10-4

mbar gli ioni positivi generati nella camera di reazione, che si trova a circa 1 mbar di pressione, ben si

presta infatti a simulare volumi di circa 1 nm di spessore equivalente, ma ha un limite superiore che attualmente è di circa 10 nm.

La principale difficoltà nel progettare un collettore di elettroni di 10 nm sta nel mantenere un’efficienza di raccolta sufficientemente alta. La progettazione del collettore di elettroni e la determinazione della sua efficienza di raccolta verrà effettuata utilizzando i modelli numerici Monte Carlo che saranno sviluppati dal gruppo di teorici dell’Università di Tolosa, che è esperto nel trasporto di elettroni in gas in condizioni di non equilibrio.

Il nuovo collettore di elettroni lavorerà con gas propano a pressioni probabilmente minori di 3 mbar (pressione per cui è noto il funzionamento della MSAC). Sarà perciò necessario trovare le condizioni operative per avere alti guadagni (~107), minimizzando contemporaneamente le valanghe secondarie [25]. Verranno perciò costruite diverse griglie con fili di diverso diametro e verranno studiate le caratteristiche di guadagno e di generazione di valanghe secondarie in funzione della pressione del gas (1-3 mbar) e dei campi elettrici della catasta di griglie. Per minimizzare le valanghe secondarie sarà necessario lavorare a guadagni non troppo elevati. Questo sarà possibile solo se i rumori elettronici del sistema di rivelazione saranno minimizzati (vedi punto 1).

Il nuovo collettore di elettroni verrà testato misurando il profilo di ionizzazione media della traccia di una particella alfa del 244Cm. I dati sperimentali verranno confrontati con il modello numerico di traccia sviluppato al PTB di Braunschweig e con i dati sperimentali disponibili. Una volta operativo, il nuovo collettore di elettroni sostituirà il collettore da 20 nm.

Questo sottoprogetto si articola nelle seguenti attività: a) sviluppo di un contatore MSAC per basse pressioni; b) progetto del nuovo collettore; c) costruzione del collettore; d) caratterizzazione del collettore con una sorgente alfa.

7. Sviluppo di software di analisi dati La capacità del nanodosimetro di rivelare tutti gli elettroni di un cluster di ionizzazioni dipende sia

dalla sua efficienza � di raccolta di un singolo elettrone, sia dalle dimensioni del cluster. L’efficienza � non è uniforme all’interno del volume sensibile, ma è una funzione del punto di rilascio del singolo elettrone. Le dimensioni del cluster influiscono sulla capacità del rivelatore di risolvere temporalmente gli elettroni che compongono un cluster. La probabilità di risolvere un numero n di elettroni da un cluster di m elettroni è data da una funzione Qn(m) che dipende dalla dispersione temporale degli elettroni che raggiungono lo stadio di amplificazione del rivelatore (MSAC). Idealmente Qn(m) è uguale alla funzione di Kronecker �mn. In realtà ciò vale solo per piccoli valori di m. L’intervallo di valori di m entro il quale si può considerare valida l’approssimazione Qn(m)��mn dipende dal campo di drift usato. Nelle condizioni di misura esso si estende fino a circa 15 elettroni. La funzione Qn(m) può essere calcolata per ogni m conoscendo le proprietà di drift e di diffusione degli elettroni all’interno del rivelatore. In base a tali funzioni di risposta e mediante opportune tecniche di deconvoluzione cercheremo di ricostruire, a partire dagli spettri misurati, le distribuzioni di elettroni che arrivano alla MSAC. Verranno perciò predisposte procedure di analisi statistica degli spettri di ionizzazione misurati per ricostruire, in base alle proprietà di drift e di diffusione degli elettroni, gli spettri di elettroni che arrivano alla MSAC.

A partire dagli spettri di elettroni che arrivano alla MSAC cercheremo di risalire inoltre alle distribuzioni di elettroni generati all’interno del volume sensibile del rivelatore. A tale scopo è necessario conoscere punto per punto l’efficienza � di raccolta di un singolo elettrone. Per ricostruire, a partire dai dati misurati e dalle curve di efficienza di raccolta del collettore di elettroni, le distribuzioni originarie dei cluster di ionizzazione, saranno utilizzati metodi di analisi bayesiana [26,27].

Questo sottoprogetto si articola nelle seguenti attività: a) ricostruzione delle distribuzioni di elettroni che arrivano alla MSAC; b) ricostruzione delle distribuzioni originarie di elettroni.

8. Misure su fasci di ioni idrogeno e carbonio ed analisi dei dati

L’acceleratore Tandem di Legnaro può fornire protoni da 16 e 30 MeV di energia che hanno, in gas propano, una λ di 17 e 30 nanometri equivalenti rispettivamente. In tali condizioni misureremo di fatto la distribuzione delle ionizzazioni che un solo raggio δ, di diversa energia, genera in un sito nanometrico.

L’acceleratore Tandem e Tandem + ALPI possono fornire anche ioni carbonio di 48 e 240 MeV che hanno in gas propano una λ di 0.2 e 0.6 nanometri rispettivamente (dati calcolati scalando le sezioni d’urto di ionizzazione per protoni). La quantità dei raggi δ generati da protoni ed ioni carbonio differirà perciò di un fattore circa 100. Misureremo le distribuzioni delle ionizzazioni in queste due condizioni estreme in due diversi siti per studiarne le eventuali differenze.

Questo sottoprogetto si articola nelle seguenti attività: a) misure in un volume sensibile di dimensioni simulate pari a 20 nm; b) misure in un volume sensibile di dimensioni simulate pari a 10 nm.

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Allegato 1

Assessment and monitoring of biological quality of ion beams used for combating cancer

NEED & RELEVANCE Cancer is one of the major public health problems in Europe. Every year 1.5 million people will develop a malignant tumour and only 30 to 40% of them will be cured. Out of 100 patients cured, 90% of them are cured by surgery (50-60%) or radiotherapy (30-40%) or a combination of both. New discoveries can be expected during the coming decades but radiotherapy will remain one of the basis of curative treatment. Light ions such as protons, helium, carbon, neon and oxygen have a high physical selectivity in dose delivery that has proven to be particularly efficient for some tumours types. Several centres in Europe use proton beams to treat those tumours that grow near critical healthy tissues. More than 100 patients with chordomas, chondrosarcomas and other radioresistant tumours have been up to now treated at the GSI laboratory with carbon ion beams obtaining high tumour control rates. GSI, the Oncological Clinic and DKFZ of Heidelberg have promoted the realisation in Heidelberg of a new centre that at present is fully financed and will start being built soon. In parallel, Milano, Lyon, Stockholm and Wiener Neustadt have prepared plans for centres that are at various stages of design, approval and financing. In order to use ions in an optimum and safe way, it is essential to use a reliable treatment planning system and to have an accurate evaluation of the biological beam quality at any point of interest so that biological effective doses can be computed. The introduction of radiobiological quality into ion treatment planning procedures is most difficult. Large variations of biological quality are observed along the particle track due to the change in ionisation density caused by the primary particle and its nuclear fragmentation. In spite of that, the beam quality is assumed constant in proton therapy. This assumption is impracticable with carbon ions. In such a case, the Local Effect Model (LEM) is used at GSI for treatment planning; its correctness is supported by the high tumour control rates observed. However LEM, as well as other macroscopic models, do not describe single-particle interactions with the biological matter. The experimental investigation of the ionisation pattern induced by single particles in nanometric and micrometric sites, supported by a Monte Carlo track-structure reconstruction both in the counting gas and in liquid water in addition to radiobiological measurements, and comparison with the successful macroscopic models would open the possibility to properly monitor the biological quality by performing physical measurements. This will optimise and expand the therapeutic use of light ions. We propose therefore an integrated project to develop experimental and theoretical tools for investigating track-nanodosimetric and microdosimetric features of light particles with the aim to assess their radiobiological quality on the base of physical measurements. The project aims are: i) to perform track-nanodosimetric and microdosimetric measurements to investigate the ionisation structure of light ions in sites from 2 nanometres to 2 micrometres of size.

ii) to implement Monte Carlo models to find conversion factors from nanometric gas measurements to liquid water cluster distributions; iii) to perform radiobiological measurements for short and long term effects induction in normal and tumour human cells with different radiosensitivity; iv) to correlate the measured ionisation cluster distributions and radiobiological data; v) to implement both detectors and suitable radiobiological models for monitoring light ion biological effectiveness. In order to fulfil these aims an European mobilization is necessary, since the required competencies are spread out all around in Europe.

SCALE OF AMBITION & CRITICAL MASS Outside Europe proton therapy is already operative in Japan, USA, Canada, Russia and South Africa. Heavier ions are used for radiation therapy in Japan. Other countries have plans to implement light ion therapy centres. This project aims to increase our knowledge about the correlation between measurable physical quantities and the biological effectiveness. This knowledge, as well as the capability to develop a practical monitoring of the biological effectiveness of light ion beams, will increase the efficacy of EU light ion therapy and its safe use. Thanks to that, such a kind of therapy could be successfully applied to a larger number of patients and pathologies. This will have an increased positive impact on the health of European population. All that will, therefore, contribute to strengthening the European competitiveness in this field.

Description of competencies required to reach the integrated project aims.

Competency Activity Physics of gas detectors

Monte Carlo modeling of gas counter response

Set up of experimental devices able to simulate nanometric tissue volumes for in beam measurements.

Set up of experimental devices able to monitor the therapeutic beam biological quality Developing Monte Carlo codes to allow optimisation of gaseous detectors

Radiation physics

Monte Carlo modeling of ion and electron

tracks

Evaluation of the best cross section sets for electron and light ions in the measuring gases and liquid water. Development of Monte Carlo codes to properly modeling electron and light

ion interactions with the matter with nanometric resolution both in gas and in condensed phase

Experimental microdosimetry

and nanodosimetry

Measurement of ionisation cluster distributions in gas volumes simulating site sizes from 2 nanometres to 2 micrometres with different ion beams

Radiobiology

Radiobiological measurements in monoenergetic or mixed charged particle radiation fields

Light ion therapy Evaluation of the possibility of an experimentally based biological effectiveness assessment of therapeutic light ion beams

INTEGRATION Our present knowledge on the formation of ionisation yields in sub-cellular structures almost exclusively stems from Monte Carlo simulations using cross section sets for water vapour or liquid water, as the direct measurement of ionisations in cells or even in nanometric volumes of liquid water is not yet possible. To overcome this problem of metrology and to reach the aim of the integrated project, it is necessary to develop a measuring system which can be applied to investigate the formation of ionisation clusters by light ions in gas volumes the sizes of which correspond to those of meaningful biological structures. By application of an appropriate scaling procedure, it is our intention to use the results of measurements in gas to study the formation of ionisation clusters in liquid water as a substitute of sub-cellular structures. Liquid water is, on the other hand, the generally accepted reference material for radiation therapy. At present, it seems possible to perform ionisation cluster size measurements in gas volumes ranging from nanometre to micrometer size. While the conversion factors from gas measurements to liquid water in micrometric sites is straightforward, the conversion factors at nanometre level require sophisticated Monte Carlo procedures to simulate on the one side the ionisation cluster measurements and on the other side the ionisation cluster formation in nanometric targets of liquid water. Comparison of the reconstructed cluster distributions in liquid water with radiobiological measurements, performed in the same irradiation geometry and in the same radiation beams, and with models used in light ion radiation therapy will allow to identify the most probable critical site size. In addition, it will allow to extract biological response functions to assess the biological quality of the beams on the base of physical measurements. Therefore, the use of physical monitoring for assessing the biological quality of therapeutic beams will become feasible. Envisaged participants and their potential role

Padova University (I) reference person Giorgio Tornielli: track-nanodosimetry counter development and track-nanodosimetric measurements with the single-electron counting technique.

Soltan Institute for Nuclear Studies(PL) reference person Stanislaw Pszona: nanodosimetric measurements with the single-ion counting technique.

Toulouse University (F) reference person Pierre Ségur: development of Monte Carlo codes for simulating the gas counter response.

Legnaro Laboratories (I) reference person Paolo Colautti: microdosimetric and nanodosimetric measurements with proportional counters.

Physikalisch-Technische Bundesanstalt (D) reference person Bernd Grosswendt: Monte Carlo track structure simulation in measuring gases.

University of Ioannina Medical School (EL) reference person Dimitris Emfietzoglou: Monte Carlo track structure simulation in liquid water

Gesellschaft für Schwerionenforschung (D) reference person Gerhard Kraft: macroscopic model calculations and radiobiological measurements on cellular and sub cellular level.

University of Milano (I) reference person Daniela Bettega: radiobiological measurements of short and long term effects in normal and tumour cells.

University of Napoli (I) reference person Giancarlo Gialanella: radiobiological measurements. THEMATIC AREAS OF REFERENCE This EoI is intended to increase the EU competitiveness in the thematic area 1.1.1.ii.b Combating Cancer. However, the aim of monitoring the therapeutic beam quality will increase the patient safety with an increase of the EU competitiveness also in the thematic area 2.3 Radiation Protection. Although this EoI envisages a self consistent research project, it envisages as well a research activity which could be part of a larger research project.

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