L’INFN e il CNAO

Introduzione La Fondazione CNAO – Centro Nazionale di Adroterapia Oncologica – in stretta collaborazione con l’INFN – Istituto Nazionale di Fisica Nucleare – sta completando la realizzazione del primo centro italiano, secondo in Europa, dedicato alla cura dei tumori con l’utilizzo di ioni Idrogeno e ioni Carbonio. Il trattamento dei tumori attraverso l’utilizzo di fasci di particelle di alta energia è in continuo aumento presso i centri stranieri, soprattutto americani e giapponesi. In Italia è già da anni in funzione, presso i Laboratori Nazionali del Sud dell’INFN, a Catania, un laboratorio denominato Catana che, in collaborazione con l’università di Catania, permette la cura del melanoma dell’occhio con l’irraggiamento di ioni Idrogeno prodotti dall’acceleratore dei LNS. Il numero dei pazienti trattati e delle indicazioni cliniche è in costante crescita. Il picco di Bragg L’azione delle particelle sulle celle tumorali provoca la rottura della doppia elica nella struttura del DNA e porta alla morte delle cellule tumorali. In particolare i protoni e gli ioni leggeri hanno il vantaggio di penetrare nel corpo fino ad una profondità, correlata alla loro energia iniziale, rilasciando poca energia durante il tragitto e concentrandone il rilascio alla fine del loro percorso. Questo comportamento è comunemente indicato come picco di Bragg. Il rilascio di energia ad una profondità controllabile e la facilità di penetrazione, rendono questa tecnica estremamente precisa ed attraente rispetto al più diffuso irraggiamento effettuato con elettroni o raggi X che rilasciano la loro energia negli strati superficiali diminuendo man mano con la profondità.

Direzione del fascio di radiazioni nella materia

Caratteristica di deposizione dell’energia di varie specie di particelle, raggi X e .

Larghezza del tumore

Distribuzione della dose su una superficie tumorale per sovrapposizione multipla di picchi di Bragg.

Controllo dei tumori radioresistenti.

Lo strumento tecnologico La tecnologia necessaria alla generazione, trasporto, raggiungimento della necessaria energia delle particelle per il trattamento specifico e infine il loro trasporto fino al paziente, è quella basata sull’utilizzo di un acceleratore di particelle di tipo circolare, denominato sincrotrone, avente circa 25 m di diametro. Le particelle, gli ioni, generati da un plasma confinato in una sorgente dedicata, subiscono una prima accelerazione e manipolazione e quindi vengono immessi nell’anello circolare, il vero e proprio sincrotrone, che ne innalza l’energia fino a quella necessaria per l’irraggiamento. A questo punto un sistema di estrazione permette di estrarre gli ioni dall’anello e li indirizza, tramite una opportuna linea di trasporto, in una delle tre sale di trattamento dove il paziente attende di essere “trattato”.

Il sincrotrone del CNAO, Pavia (2009). Perché l’INFN L’INFN è l’unico Istituto in Italia dotato di un laboratorio, i Laboratori Nazionali di Frascati, dove già dagli anni ’60 del secolo scorso esiste una tradizione nella realizzazione di anelli circolari, oltre ad avere nel Laboratori Nazionali di Legnaro e nei Laboratori Nazionali del Sud, Catania, di più recente realizzazione, acceleratori lineari che producono e lavorano con ioni dedicati ad esperimenti di fisica fondamentale. Questa tradizione ed esperienza è stata messa a disposizione della Fondazione CNAO, appositamente istituita per progettare e costruire il CNAO a Pavia.

L’elettrosincrotrone (1959) e il sincrotrone Adone di Frascati (1969).

L’acceleratore lineare e gli anelli e+ - e- di DAFNE, Frascati (1997).

Gli acceleratori Tandem-XTU e CN dei Laboratori Nazionali di Legnaro.

Gli acceleratori Ciclotrone e Tandem dei Laboratori Nazionali del Sud, Catania.

La collaborazione tra l’INFN e la Fondazione CNAO Nel Novembre del 2003 l’INFN ha firmato un accordo di collaborazione con la Fondazione CNAO, con cui l’INFN è divenuta co-responsabile con la CNAO assumendo la co-direzione del progetto[1] nella costruzione del complesso di acceleratori. La collaborazione ha coperto il periodo 2003-2009 ovvero tutta la fase di progettazione,

costruzione, installazione e messa in funzione del CNAO. Nel 2009 è stato firmato un nuovo accordo di collaborazione tra INFN e CNAO finalizzato all’utilizzo per scopi scientifici dell’acceleratore ed in particolare per studi avanzati nel campo della radiobiologia.

Il primo accordo di collaborazione INFN – CNAO. Le strutture INFN coinvolte L’accordo di collaborazione ha coinvolto vari Laboratori e Sezioni dell’INFN, tra cui i Laboratori Nazionali di Frascati, i Laboratori Nazionali di Legnaro, i Laboratori Nazionali del Sud (Catania), nonché le Sezioni di Milano, di Torino, di Genova e Pavia. Ogni unità è stata coinvolta nel raggiungimento di uno o più obiettivi specifici ben individuati e con precise responsabilità che vanno dalla progettazione alla costruzione, alla misura e verifica delle caratteristiche di progetto, alla installazione e messa in funzione delle apparecchiature scientifiche o parti del complesso di acceleratori. La Sezione di Milano[2] si è fatta carico, nell’ambito della collaborazione INFN-CNAO a partire dal 2004, del coordinamento delle attività relative allo sviluppo e alla messa in operazione del sistema a radiofrequenza del sincrotrone. Ciò ha comportato prove di funzionalità e diagnostica della cavità RF che sono state effettuate presso il CERN a Ginevra dove il sistema era installato. E’ stata inoltre sviluppata , in collaborazione con LPSC di Grenoble (Laboratoire de Physique Subatomique et Cosmologie, che ne ha curato la progettazione e la realizzazione) e il CERN, la Low Level Electronics che sovrintende al corretto funzionamento della cavità in relazione ai parametri di accelerazione. La Low Level riveste un ruolo fondamentale nella gestione del processo di accelerazione nel sincrotrone. Un prototipo della scheda di Low Level e’ stato provato con successo nel Novembre 2007 utilizzando come acceleratore il PSBooster del CERN.

Nel corso del 2007 e’ stato anche realizzato un nuovo PLC (Programmable Logic Controller) per la gestione dei sistemi ausiliari della cavità. Nel Giugno del 2007 la cavità RF e’ stata trasportata a Pavia dove sono iniziati i primi lavori di installazione sulla linea del sincrotrone. Nel corso del 2008 i lavori sulla cavità hanno avuto un forte rallentamento dovuto alle difficoltà di accesso alla sala sincrotrone a causa del contemporaneo commissioning dell’acceleratore. L’accesso alla cavità e’ stato disponibile con una certa continuità dal dicembre 2008. In questa fase le prove ad alta potenza hanno evidenziato una serie di problemi: scariche dei tetrodi, inadeguatezza del sistema di raffreddamento, etc.. Con l’aiuto di esperti del CERN questi problemi sono stati superati e i risultati sino ad ora raggiunti, anche se con qualche difficoltà, possono ritenersi per molti aspetti soddisfacenti in relazione al funzionamento finale del sincrotrone. A queste attività ha partecipato personale della Sezione di Milano e personale dell’università di Milano associato all’INFN. A partire dal 2007 un giovane fisico e’ stato assunto dal CNAO per lavorare sulla RF e successivamente anche un giovane ingegnere che sono stati formati nell’ambito della collaborazione e che hanno raggiunto una notevole padronanza ed autonomia. Soprattutto a loro si devono i risultati positivi raggiunti nell’ultimo anno. L’attività futura e’ focalizzata essenzialmente sulla messa in operazione del sistema definitivo dell’elettronica di Low Level e sul “commissioning” dell’acceleratore che dovrà portare al raggiungimento dell’obiettivo finale con l’accelerazione del fascio di protoni e ioni carbonio nel sincrotrone.

La cavità accelerante installata sul sincrotrone (2008).

L’elettronica Low Level durante le prove al CERN di Ginevra.

La Sezione di Torino[3] si è fatta carico di sviluppare, costruire ed installare i sistemi di monitoraggio del fascio per le quattro linee di trattamento, tre orizzontali ed una verticale. La distribuzione della dose in un acceleratore per radioterapia con protoni e ioni carbonio deve poter sfruttare le caratteristiche specifiche di questo tipo di radiazione che permette di depositare con precisione millimetrica l’energia sul tumore, risparmiando i tessuti sani circostanti. La Sezione INFN di Torino ha ideato e costruito un sistema di rivelatori basato sul principio della camera a ionizzazione. Per garantire la piena sicurezza, 5 rivelatori in parallelo misurano la radiazione durante il trattamento. Istante per istante il sistema misura il numero e la posizione di particelle e, in tempo reale, controlla la corrente negli elettromagneti che controllano in modo opportuno la posizione del fascio rispetto al paziente. Il segnale elettronico prodotto nei rivelatori e’ letto da circuiti microelettronici appositamente progettati, che permettono di inviare i segnali opportunamente modificati ai computer di controllo. Anche la parte di lettura e trattamento dei dati e’ stata realizzata con una ridondanza che garantisca la totale sicurezza del sistema. Tutte le fasi del progetto sono state portate avanti con una continua e proficua collaborazione tra i ricercatori e tecnici dell’INFN e del CNAO, senza dimenticare il consistente numero di tesi di laurea, dottorato di ricerca e specializzazione in Fisica Sanitaria svolte presso l’Università degli Studi di Torino.

I rivelatori sono inseriti in un contenitore stagno, che garantisce la purezza del gas azoto utilizzato per il funzionamento. La zona centrale riflettente coincide con l’area sensibile

delle camere a ionizzazione. Sui quattro lati sono fissate le schede elettroniche sulle quali sono montati i microcircuiti di lettura del segnale.

Ogni sala di trattamento del CNAO utilizzerà, per garantire la totale sicurezza con un’adeguata ridondanza, una coppia di rivelatori montati su un’opportuna struttura

meccanica di precisione. La Sezione di Pavia[4] ha messo a disposizione della Fondazione CNAO alcune proprie strutture che sono state utilizzate dalla CNAO sia come uffici, sia come laboratori per montaggio e prova di prototipi, sia come aree di stoccaggio di materiale durante la fase di costruzione del centro CNAO. Oltre a ciò, la Sezione ha messo a disposizione i propri laboratori di elettronica e di meccanica a cui la CNAO si è riferita sia durante la fase di prototipaggio che durante la fase di prima installazione del complesso di acceleratori. Infine, la Sezione ha anche messo a disposizione le proprie strutture di calcolo e rete informatica durante la nascita del nuovo centro. I laboratori di Pavia dell’INFN sono in grado di ospitare anche le future attività di sviluppo della Fondazione CNAO. Attualmente sono in fase di definizione tra i due Enti alcuni progetti specifici.

Alcune delle aree della Sezione di Pavia messe a disposizione del CNAO.

La Sezione di Genova[5] ha assunto la responsabilità di progettare, seguire la costruzione, installare e mettere in funzione sia i magneti di scansione, ovvero i magneti che muovono il fascio in modo da pennellare il tumore, sia l’enorme elettromagnete che devierà il

fascio nella linea verticale di 90°, il cui peso supera le 128 tonnellate, e che permetterà di irraggiare i pazienti dall’alto.

La tecnica della scansione attiva: il fascio “pennella” il tumore.

I dipoli di scansione La coppia di dipoli di scansione deflette il fascio di adroni sui piani orizzontale e verticale indirizzandolo direttamente alla zona tumorale. Questi magneti richiedono un’ottima uniformità di campo magnetico ed operano in regime rapidamente variabile in modo da minimizzare i tempi di trattamento. Sviluppati in ambito INFN e costruiti dalla Danfysik, sono operanti al CNAO quattro coppie di tali magneti (tre coppie nelle linee orizzontali di trattamento ed una nella linea verticale).

I magneti di scansione, rispettivamente, da sinistra, verticale e orizzontale.

Il grande dipolo a 90 gradi. La linea verticale include un dipolo a 90 gradi a grande apertura. Questo enorme magnete (128 tonnellate includendo la struttura meccanica di supporto) è equivalente ad ⅓ dell’acceleratore e serve a dirigere il fascio sul paziente dall’alto. La sezione di Genova dell’INFN ne ha curato la progettazione e la costruzione ed ha infine supervisionato l’installazione.

Il magnete curvante della linea verticale, modello 3D e realtà.

I Laboratori Nazionali del Sud[6] di Catania hanno seguito la costruzione delle sorgenti di particelle ovvero dei dispositivi posti all’inizio della catena di acceleratori e che generano i protoni e gli ioni Carbonio. Gli ioni utilizzati dal Sincrotrone per il trattamento dei pazienti sono prodotti da due sorgenti ECR SUPERNANOGAN opportunamente potenziate, in modo da rispettare le specifiche tecniche richieste con un buon margine di sicurezza.

Ioni Corrente richiesta

[µA]

Corrente disponibil

e [µA]

Dopo modifiche

[µA]

Emittanza richiesta

[π mm.mrad]

Emittanza misurata

[π mm.mrad]

Stabilità [99,8%]

C4+ 200 200 250 0.75 0.56 36 h H2

+ 1000 1000 0.75 0.42 2 h H3

+ 700 600 1000 0.75 0.67 8 h He+ 500 500 0.75 0.60 2 h

Confronto tra le prestazioni richieste e quelle sperimentalmente ottenute al CNAO. Le due sorgenti sono basate su un plasma generato da microonde con frequenza di 14,5 GHz e confinato per mezzo di un sistema magnetico a B-minimo, dove sia il campo radiale (1,2 T) che quello assiale (1,1 T) è generato da magneti permanenti in NeFeB, che

sono in grado di produrre un campo magnetico nettamente superiore al doppio del campo di risonanza ECR (0.5 T) alla frequenza suddetta.

Una delle due sorgenti ECR installate al CNAO

La frequenza è fornita da un amplificatore a frequenza variabile “travelling wave tube amplifier” per poter applicare anche su queste sorgenti il metodo del “frequency tuning effect”, definito teoricamente dal gruppo sorgenti dei LNS dell’INFN, in cui una piccola variazione della frequenza delle microonde usate per formare il plasma, influenza fortemente le prestazioni della sorgente sia per le intensità delle correnti estratte e per la brillanza del fascio che per la sua stabilità. Gli ioni formati nel plasma sono estratti (24 kV) ed accelerati (8keV/amu) attraverso la LEBT (Low Energy Beam Transport) sino all’RFQ (Radio Frequency Quadrupole) per mezzo di un sistema di estrazione ottimizzato, che ha contribuito a migliorare la stabilità e la qualità del fascio (emittanza più bassa) con risultati sperimentali in perfetto accordo con le simulazioni teoriche.

Simulazione del fascio di ioni attraverso il sistema di estrazione delle sorgenti del CNAO

con un’emittanza rms-normalizzata per il C4+ di 0,53 π mm mrad.

Il valore misurato dell’emittanza rms-normalizzata per un fascio di ioni di 250 eµA di C4+ è di 0,52 π mm mrad.

Le due sorgenti possono lavorare in modo indipendente l’una dall’altra, sono posizionate all’interno dell’anello del Sincrotrone e sono controllate a distanza con un computer control, che è risultato molto stabile e facile da gestire per una facility di tipo ospedaliero quale è il CNAO.

Sorgenti O1 ed O2 dentro l’anello del Sincrotrone.

I Laboratori Nazionali di Legnaro[7] hanno seguito la costruzione, installazione, collaudo e messa in opera dell’acceleratore lineare, iniettore del sincrotrone. Si tratta di un linac operante a 216.8 MHz, 0.2 ms, 5 Hz, in grado di accelerare protoni e ioni carbonio (sino ad A/q=3) sino ad un’energia finale di 7 MeV/u. Il linac è stato installato nella sala del sincrotrone all’interno dell’anello, è alimentato da una LEBT con due sorgenti di tipo ECR, ed è composto da due strutture RF, un RFQ di tipo four rods sino a 0.4 MeV/u seguito da un DTL di tipo IH sino all’energia di 7 MeV/u. La potenza RF richiesta è di circa 100 kW nell’RFQ e 1 MW per l’IH. Oltre a queste strutture principali c’è un chopper che regola la struttura di fascio all’ingresso del linac ed un debuncher per adattare il fascio all’accettanza dell’anello. La produzione del linac è avvenuta attraverso la costruzione dei componenti in 7 ditte principali, con la supervisione dei LNL e del GSI (che ha messo in operazione un linac del tutto analogo presso la facility di adroterapia di HICAT presso Heidelberg, Germania). Rientrano inoltre nelle responsabilità assunte le prove di accettazione, l’interfaccia fra linac e installazione nel sito di Pavia, le prove con

il fascio. Al primo gennaio 2007 erano già stati compiuti i test di accettazione di quasi tutti i componenti dell’acceleratore: l’RFQ è stato testato con il fascio a GSI durante il 2006, il tank dell’IH è in fase di tuning a bassa potenza, per il sistema RF sono stati compiuti in maggio 2006 delle prove preliminari di accettazione presso la ditta Thales (accettazione conclusa in aprile 07); magneti ed alimentatori sono stati accettati nel 2005. Nel corso del 2007 è stata poi conclusa la consegna a Pavia di tutti gli elementi del linac (ad eccezione del tank IH avvenuta all’inizio 2007). Questi tempi di consegna, ed i successivi tempi di installazione e prove con il fascio sono stati in massima parte determinati dai tempi di realizzazione e consegna dell’edificio del CNAO. Il test con fascio dell’RFQ del CNAO è stato effettuato fra febbraio e marzo 2009, con il raggiungimento di prestazioni compatibili con le necessità per la terapia (in particolare grazie ai miglioramenti al CNAO la trasmissione è decisamente migliore di quella del suo “gemello” installato ad Heidelberg, Germania). A seguire è stata installata la cavità IH ed è stato effettuato il test a 7 MeV/u. In luglio si sono conclusi i test del fascio con il raggiungimento delle caratteristiche nominali di fascio ed una trasmissione di circa il 50% per entrambi i fasci (H3

+ e C4+). Questo risultato è stato possibile grazie al lavoro metodico sui tre sottosistemi coinvolti, sorgente, LEBT e Linac e ad alcuni interventi mirati sull’emittanza dalla sorgente, sull’allineamento, il sorting dei solenoidi e la sistematica caratterizzazione del fascio in tutte le fasi.

RFQ e Linac durante le prove con fascio a 7 MeV/u (2009).

Distribuzione del fascio di Idrogeno nello spazio della fasi e nello spazio reale a 7 MeV/u dopo il foglietto di stripper.

I LNL si sono anche fatti carico della progettazione con definizione delle specifiche e delle esigenze tecnologiche dell’area di ricerca sperimentale e del laboratorio di Radiobiologia[8]. Il coordinamento delle attività in ambito della radiobiologia finalizzate all’uso dei fasci di ioni hanno portato alla definizione di un nuovo Accordo tra INFN e CNAO che è stato firmato dai presidenti delle due Istituzione nella primavera del 2009. Più in dettaglio l’attività ha riguardato i seguenti aspetti:

1. Progettazione (definizione delle specifiche e delle esigenze tecnologiche) dell’area di ricerca sperimentale e del laboratorio di radiobiologia: è stata realizzata tra la fine del 2003 e la prima metà del 2004 dal Gruppo dei LNL in interazione con lo Studio di progettazione Calvi-Tekne e il personale CNAO, fornendo:

• le specifiche delle aree (superficie) necessarie a ospitare il Laboratorio di

Radiobiologia e l’area sperimentale (sala di irraggiamento e sala acquisizione dati e controllo esperimento);

• le esigenze delle utenze e le caratteristiche degli impianti tecnologici per l’area sperimentale e il laboratorio di Radiobiologia;

• le caratteristiche del fascio di ioni (primario). 2. Contributo alla preparazione della richiesta di finanziamento alla BEI:

preparazione nel 2006 da parte del Gruppo dei LNL di un breve documento riguardante le attività di ricerca radiobiologica di base e pre-clinica.

3. Coordinamento della collaborazione italiana di radiobiologia per la definizione

delle attività di ricerca radiobiologica del/al CNAO, nell’ambito degli Accordi Attuativi del 2004.

4. Preparazione del programma di attività di ricerca radiobiologica pre-clinica per

il Ministero della Salute e Regione Lombardia: nella seconda metà del 2009 è

stato preparato dal Gruppo dei LNL un documento scientifico di programma riguardante la caratterizzazione radiobiologica dei fasci di ioni (protoni e carboni) del CNAO mediante misure “in-vitro” e “in-vivo”, in vista dell’impiego clinico dei fasci CNAO. Per le attività di ricerca “in vivo” ha collaborato il Gruppo di Biologia Animale dell’Università di Pavia.

Il documento preparato costituisce il “Capitolo 3” del documento CNAO per la richiesta di autorizzazione e finanziamenti al Ministero della Salute e alla Regione Lombardia.

Il Gruppo LNL, in vista della attività pre-cliniche del CNAO, ha inoltre curato l’attivazione della collaborazione dei vari Gruppi di ricerca di radiobiologia (sperimentale) INFN, ISS e Università. Un discorso particolare va fatto per i Laboratori Nazionali di Frascati che si sono fatti carico di ben 10 obiettivi specifici, di cui alcuni ancora in fase di sviluppo, ovvero:

1) I magneti convenzionali[9]: ovvero la progettazione, costruzione, installazione e messa in servizio dei magneti convenzionali del sincrotrone e delle linee di trasferimento del fascio a bassa, media ed alta energia fino alle sale dove i pazienti saranno soggetti ad irraggiamento. Nell’ambito di questo obiettivo si è proceduto alla progettazione delle diverse tipologie di magneti, ovvero dipoli curvanti, quadrupoli, sestupoli, correttori sia della linea di bassa energia (LEBT), cioè dalle sorgenti fino alle prime strutture acceleranti, sia della linea di media energia (MEBT), ovvero dalle strutture acceleranti lineari al sincrotrone, sia dell’anello circolare, il sincrotrone, che delle linee di trasferimento dei fasci dal sincrotrone alle sale sperimentali (HEBT). Sono state svolte le gare per l’assegnazione delle commesse per la costruzione di questi componenti e sono state seguite le ditte costruttrici durante tutte le fasi, dal progetto esecutivo alla realizzazione vera e propria, alle prove in fabbrica fino all’accettazione finale delle forniture. Inoltre si è seguita anche la fase di misura e verifica delle prestazioni nonché la fase di installazione a Pavia. Sono stati costruiti circi 180 magneti che hanno necessitato l’impiego di circa 250 tonnellate di ferro speciale per applicazioni magnetiche e 32 tonnellate di rame extrapuro per la realizzazione degli avvolgimenti di eccitazione (è escluso il grande dipolo da 128 tonnellate della linea di trasporto verticale). Durante tutte queste fasi, si è anche formato il personale della CNAO che oggi gestisce questi impianti a Pavia.

Magnete curvante del sincrotrone.

Magnete sestupolare del sincrotrone.

2) Le misure magnetiche[10] dei magneti convenzionali del sincrotrone, con

esclusione dei dipoli curvanti, con l’allestimento ed adattamento delle attrezzature specifiche. Nei Laboratori Nazionali di Frascati è allestita una sala per la misura delle caratteristiche magnetiche dei magneti per acceleratori di particelle. I magneti di cui all’obiettivo precedente, con esclusione dei magneti curvanti del sincrotrone, sono stati tutti misurati in questo laboratorio adattando la strumentazione esistente ed acquisendone di nuova specificatamente progettata per questi magneti. Anche in questo caso, durante tutta la fase di misure magnetiche, personale della CNAO è stato presente a Frascati, formato in queste attività fini ad essere completamente autonomo, per poi rientrare a Pavia.

Magneti quadrupoli durante le misure magnetiche ai LNF. A sinistra macchina di

posizionamento della sonda ad effetto Hall con precisione 5 m; a destra la macchina a bobina rotante per la misura delle componenti fondamentale e multipolari del

campo magnetico.

3) Gli alimentatori[11] per i magneti convenzionali: questo obiettivo ha riguardato la progettazione con la redazione delle Specifiche Tecniche degli alimentatori che le poche ditte esperte del settore hanno realizzato. L’INFN ha seguito puntualmente il progetto esecutivo per la loro realizzazione, ha seguito le prove in fabbrica per la verifica delle prestazioni e ha contribuito alla installazione e messa in funzione

a Pavia di circa 200 alimentatori di potenza. I requisiti molto stringenti richiesti per questo acceleratore per uso terapeutico hanno fatto sì che fosse posta una particolare attenzione all’ottenimento di una affidabilità estremamente alta e fosse posta una particolare cura al rilevamento di eventuali anomalie o guasti, al fine di minimizzare i tempi di intervento per la risoluzione di eventuali problemi. L’intervallo delle correnti richieste varia da 30 a 3000 A, con modalità di funzionamento sia continuo che impulsato. In particolare, sono state richieste stabilità della corrente erogata durante la fase di estrazione delle particelle dal sincrotrone verso le sale di trattamento, ovvero quando gli ioni hanno raggiunto la necessaria energia per l’irraggiamento del paziente, di ±5 ppm con ripetibilità di ±2,5 ppm.

Varie tipologie di alimentatori durante le prove in fabbrica (OCEM Bologna).

Valore

0.961532

0.961534

0.961536

0.961538

0.96154

0.961542

0.961544

1 51 101 151 201 251 301 351 401 451 501 551 601 651 701 751

Valore

Synchrotron Quadrupole Power Supply Set = 500 A Minimo = 0,9615332 499,9972

A Massimo = 0,9615428 500,0022

Alimentatori in prova presso il costruttore (EEI Vicenza).

4) Il sistema da vuoto[12]: questo obiettivo ha compreso la progettazione, la costruzione, il collaudo e la collaborazione nella messa in opera dell’intero sistema da vuoto, ovvero della camera da ultravuoto ove circolano le particelle, nonché di tutto il sistema di pompaggio da vuoto. In una macchina acceleratrice, di elettroni, protoni, ioni, eccetera, le particelle devono viaggiare in condizioni di Ultra Alto Vuoto, cioè in un gas estremamente rarefatto, la cui pressione è pari ad un milionesimo di milionesimo della pressione atmosferica, queste condizioni si ottengono con particolari attrezzature che formano il Sistema da Vuoto. Nell’ambito di questo obiettivo i Laboratori Nazionali di Frascati si sono fatti carico anche della realizzazione meccanica di vari componenti che costituiscono il sistema di diagnostica dei fasci e più precisamente, per la linea di bassa energia (LEBT): Wire Scanner, Faraday Cup e Slits. Grazie ad essi è possibile misurare con grande precisione le caratteristiche del fascio proveniente dalle sorgenti, prima di inviarlo al LINAC. Una particolare attenzione è stata posta alle esigenze legate ad una applicazione di tipo terapeutico, privilegiando criteri di affidabilità e facilità di manutenzione.

Stazione di diagnostica multifunzionale.

Nel sincrotrone un problema da risolvere era quello di realizzare i settori curvi della camera da vuoto, presenti all’interno dei magneti curvanti, in modo da non peggiorare l’uniformità del campo magnetico e, contemporaneamente, essere abbastanza robusti da sopportare, con buon margine di sicurezza, la sollecitazione dovuta alla pressione atmosferica, pari a 1 kg per cm2 di superficie. La soluzione è stata una camera da vuoto in acciaio inox le cui pareti hanno uno spessore di 0,3 mm.

Camera da vuoto dei magneti curvanti del sincrotrone.

Altro oggetto da menzionare è la grossa camera da vuoto inserita all’interno del magnete a 90°, installato lungo la linea di trattamento verticale, che devia le particelle verso il basso in direzione del paziente. Lunga oltre 7 metri, pesante quasi 300 kg, è stata interamente realizzata con una particolare lega di alluminio. La precisione meccanica richiesta, esternamente per permetterne l’inserimento nel magnete e internamente per la compatibilità con le dimensioni del fascio di particelle, è stata ampiamente rispettata, essendo non superiore a 0,5 mm su tutta la sua lunghezza.

Camera da vuoto del magnete curvante da 128 tonnellate della linea verticale.

In ogni sala di trattamento, alla fine di ciascun canale di trasporto, è presente un

particolare componente del Sistema da Vuoto: la Finestra Sottile di Uscita. Il cui scopo è di separare il vuoto, presente all’interno dei canali di trasporto, dall’aria esterna. Poiché questo componente viene attraversato dalle particelle, esso deve essere realizzato in modo tale da risultare sufficientemente robusto per sopportare la pressione atmosferica e, allo stesso tempo, tanto sottile da non deteriorare le proprietà del fascio di particelle, prima di raggiungere il tessuto da trattare. La soluzione è stata trovata utilizzando una sottile membrana, da 0,8 mm di spessore e 35 cm di diametro, in Fibra di Carbonio, un materiale estremamente resistente, simile a quello usato nella realizzazione delle pale degli elicotteri e delle auto di Formula 1.

Le “finestre sottili”, ovvero l’elemento terminale della camera da vuoto da cui fuoriesce il

fascio che irraggerà il paziente. 5) Il layout e l’installazione[13]: ovvero la modellazione computerizzata di tutte le

parti che compongono il complesso di acceleratori, finalizzata a definirne le posizioni con precisione sub-millimetrica. Questo obiettivo ha previsto anche la progettazione dei supporti e delle attrezzature per l’allineamento, nonché la collaborazione nell’installazione di tutti i componenti ed il loro allineamento. Gli impegni fondamentali sono stati: • la progettazione meccanica, con l’uso dei più moderni strumenti informatici,

dell’insieme della Macchina Acceleratrice e del dettaglio di molte sue parti: magneti, sistemi di posizionamento ed allineamento, strutture di supporto.

• il progetto dell’insieme delle attività di allineamento dei numerosi componenti, da realizzare con precisioni di circa un decimo di millimetro, la scelta delle tecnologie necessarie e la definizione delle procedure di lavoro.

• l’addestramento del personale CNAO sia alle attività di progettazione meccanica che a quelle necessarie per l’installazione e l’allineamento dei componenti della Macchina.

La varietà e complessità dei numerosi componenti e la necessità di posizionarli in spazi ristretti ha richiesto una cospicua e continua attività di controllo sia della progettazione dei dettagli che di quella dell’assieme.

Notevole e su più fronti è stato l’impegno diretto del personale del SIM per tutta la durata del progetto e per gran parte della installazione e dell’allineamento, in un arco di tempo di oltre cinque anni.

Vista complessiva schematica dell’insieme dei magneti di tutta la Macchina.

Vista dettagliata delle Sorgenti, dell’Acceleratore lineare e del Sincrotrone.

Vista dettagliata delle linee di trasporto delle particelle alle tre sale di trattamento dei pazienti.

6) Gli impianti elettrici[14]: INFN ha trasferito la propria competenza negli impianti

elettrici legati agli acceleratori di particelle, di cui ha esperienza in particolare a Frascati, partecipando all’ingegneria di progetto sin dalla stesura del progetto preliminare, a partire dal 2003. Le evoluzioni progettuali del definitivo e dell’esecutivo, eseguite da professionisti esterni, sono state accompagnate in tutte le fasi di elaborazione e revisione. Successivamente INFN ha seguito le fasi di collaudo delle apparecchiature, di cantiere, e la messa in servizio degli impianti; attualmente viene fornito supporto per l’esercizio e la manutenzione degli impianti. Il CNAO è alimentato da una stazione elettrica in alta tensione a 132 kV con due trasformatori da 20 MVA. Nel progetto hanno avuto particolare rilevanza tecnica i seguenti aspetti:

- la stabilità della tensione, che ha portato all’impiego di un sistema di compensazione dinamica della potenza reattiva all’avanguardia da 10 MVAr realizzato da ABB per compensare il carico pulsato del sincrotrone;

- la compatibilità elettromagnetica, che ha portato alla realizzazione del sistema equipotenziale dedicato e una posa cavi accurata;

- i requisiti di affidabilità e di continuità del servizio associati a un acceleratore di particelle destinato ad uso terapeutico con i conseguenti criteri di ridondanza dei sistemi. I Laboratori Nazionali di Frascati hanno impegnato in queste attività un ingegnere elettrico e due tecnici.

La stazione elettrica 132/15 kV ed una delle due cabine di trasformazione 15/0,4 kV

7) Gli impianti a fluido[15]: in questo obiettivo è ricaduta la supervisione della progettazione e realizzazione degli impianti a fluido che comprendono gli impianti di raffreddamento ad acqua demineralizzata, gli impianti di condizionamento della sala sincrotrone e dei locali tecnici, gli impianti di aria compressa ed alcuni impianti speciali di servizio dell’intero complesso di acceleratori. In particolare, sono stati oggetto di trasferimento di conoscenze gli aspetti degli impianti meccanici specifici degli acceleratori, quali la tecnologia dell'acqua demineralizzata, i materiali e i componenti per ambienti soggetti a radiazioni, l'automazione ed il controllo per le necessità di gestione dell'acceleratore.

8) Il nulla osta all’esercizio[16] del CNAO: ovvero la progettazione del sistema di

radioprotezione e predisposizione della documentazione necessaria all’ottenimento del nulla osta all’esercizio del complesso di acceleratori, la redazione dei rapporti di sicurezza e la gestione dei rapporti con gli Enti preposti alla concessione delle autorizzazioni. Da osservare che nell’ambito di questo obiettivo si è riusciti ad ottenere le autorizzazioni al funzionamento prima che il complesso di acceleratori fosse del tutto completato, cosa più unica che rara. Più in dettaglio in questo obiettivo sono stati svolte le seguenti attività:

Preparazione della documentazione tecnica necessaria all’inoltro dell’istanza

per il rilascio del nulla-osta all’impiego di categoria A dell’intero complesso CNAO, ex art. 28 del D.Lgs.230/95 e s.m.i., di seguito elencata: calcolo delle schermature dell’acceleratore; calcolo dell’attivazione dell’aria, delle strutture e dei liquidi di

raffreddamento; calcolo della produzione di gas tossici; progettazione del sistema di sicurezza, segnalazione ed emergenza; calcolo delle schermature per le aree di imaging e PET; valutazioni di radioprotezione per le aree di imaging e PET; valutazioni di radioprotezione per le sorgenti radioattive; valutazione impatto ambientale.

Cura dei rapporti con gli Organi Vigilanti preposti alla concessione del nulla-osta ( Ministeri e loro Organi Tecnici; Regione Lombardia);

Preparazione ed espletamento delle gare di appalto (n.3) per l’intero sistema di sicurezza segnalazione ed emergenza;

Verifica in situ della congruità delle singoli componenti del sistema sopraindicato a quanto richiesto nelle gare di appalto e loro verifica funzionale;

Coordinamento della attività di “commissioning” per quanto riguarda la protezione radiologica dei lavoratori e dell’ambiente;

Predisposizione delle norme interne di radioprotezione; Organizzazione del Servizio di Radioprotezione. 

Decreto di autorizzazione all’esercizio del sincrotrone.

Strumentazione per il monitoraggio della radiazione gamma.

9) Il “commissioning” [17] del complesso di acceleratori: ovvero la collaborazione da parte di personale altamente qualificato dell’INFN alla messa in funzione delle varie parti del complesso di acceleratori con la loro messa a punto e verifica delle caratteristiche e prestazioni. L’obiettivo del commissioning del CNAO è la produzione dei fasci di particelle nelle sorgenti, il loro trasporto e accelerazione nei Linacs e nel sincrotrone, la loro estrazione e la loro definizione finale nelle sale di trattamento con le caratteristiche adeguate per il trattamento dei pazienti. Il commissioning viene gestito dalla sala controllo, da un gruppo di fisici e operatori, in turni continuati 24 ore su 24. Ogni elemento dell’acceleratore è collegato via cavi di segnale con la sala controllo, da dove si legge lo stato di ogni sua caratteristica e da dove si può agire per modificarlo. Una parte fondamentale per il funzionamento dell’acceleratore è il sistema di diagnostica dei fasci, che misura la posizione, la dimensione, l’intensità e l’energia del fascio di particelle. Ogni elemento di diagnostica manda la propria informazione alla sala controllo, dove i segnali vengono interpretati dagli operatori. Le caratteristiche che il fascio di particelle deve avere in ogni zona dell’intero complesso sono state definite durante il progetto dell’acceleratore. Quando i parametri del fascio non sono conformi a quelli di progetto, gli operatori agiscono sui parametri degli elementi magnetici ed elettrici dell’acceleratore, modificando la dinamica delle particelle, fino a convergere verso i parametri di progetto. Un gruppo di esperti INFN contribuisce alle operazioni, mettendo a disposizione la propria esperienza, maturata nell’ambito di altri progetti, come DAFNE a LNF, CTF3 al CERN, CATANA a LNS e ALPI a LNL.

Per la messa a punto si segue il percorso dei fasci di particelle, partendo dalle sorgenti, fino alle sale di trattamento. Il commissioning è incominciato nel 2008 con i primi elementi del sistema di iniezione, alternando periodi di commissioning con periodi in cui si lavorava all’installazione delle strutture successive. Durante il 2009 tutto il sistema di iniezione è stato messo in funzione, e i parametri ottimali del fascio per l’iniezione nel sincrotrone sono stati ottenuti. A dicembre 2009 un fascio di protoni ha completato il primo giro nel sincrotrone.

I programmi futuri prevedono per il 2010 la messa a punto del sincrotrone e della prima linea di trattamento, in modo da poter trattare i primi pazienti entro la fine dell’anno.

La sala controllo del CNAO durante una fase di commissioning.

Immagine del fascio di ioni Idrogeno all’interno del sincrotrone (dicembre 2009)

10) Il “B-Train” [18]: è il sistema analogico-digitale di misura ad alta precisione e di

trasmissione del valore di campo magnetico nei magneti curvanti del sincrotrone. Il nome trae origine da un sistema realizzato per la prima volta al PS del CERN, mediante la trasmissione di "treni" di impulsi ai vari sottosistemi. Durante la fase di cattura e di accelerazione nel sincrotrone la velocità delle particelle cambia, è quindi molto importante che il campo magnetico dei dipoli curvanti e la frequenza della radio-frequenza accelerante siano in accordo. Il valore di campo misurato istantaneamente viene convertito in un dato digitale e trasmesso al sistema di controllo della radio-frequenza (e ad altri sistemi: diagnostica, dump bumpers, controllo degli alimentatori) per l'opportuna sincronizzazione. Il requisito di precisione e velocità è di 0.1 Gauss (~ 10 ppm sul campo magnetico massimo), con una frequenza di aggiornamento del dato fino a 300 kHz. La misura di campo magnetico è effettuata per mezzo di una bobina di flusso inserita in un apposito dipolo magnetico, alimentato in serie e identico a quelli installati nel sincrotrone. La tensione prodotta ai capi della bobina che misura la variazione di flusso magnetico viene condizionata, filtrata e convertita in un dato digitale a 18 bit a una velocità di 1.25 MegaSample/sec; elaborando opportunamente i dati si ottiene l’informazione di campo magnetico da distribuire ai sistemi di controllo della radio-frequenza e agli altri. Lo sviluppo e la realizzazione di tale sistema ha comportato diverse attività nei Laboratori Nazionali di Frascati. È stato condotto un ampio studio di fattibilità, con la caratterizzazione e ottimizzazione di alcune delle più precise interfacce analogico/digitali attualmente presenti sul mercato, al fine di garantire la non banale specifica sulla precisione del sistema (10ppm). Sono stati progettati e realizzati gran parte dei dispositivi elettronici per la gestione e la distribuzione dei segnali analogici e digitali (schede di alimentazione, front-end, buffer, fan-out, conversione da elettrico a ottico e viceversa, gestione e lettura di bus VME). Si è inoltre provveduto alla scrittura del software e il firmware per FPGA su piattaforma PXI , che costituiscono la parte logica del B-Train. Nella realizzazione è stata posta una cura speciale allo scopo di ridurre le interferenze i disturbi e il rumore caratteristici di un ambiente quale l'interno della sala sincrotrone.

Vari momenti dell’attività relativa al B-Train

La formazione del personale del CNAO Un ruolo molto importante svolto dall’INFN nell’ambito del progetto CNAO è stato quello della formazione del personale. La Fondazione CNAO ha iniziato la propria attività con uno sparuto numero di persone, per lo più “ereditate” dalla Fondazione TERA che fu la prima propugnatrice nella proposta di un centro per la cura dei tumori basato sull’utilizzo di ioni di diverse specie. Nel corso del tempo la Fondazione CNAO ha assunto altro personale sia offrendo delle posizioni di lavoro a personale a tempo determinato che già svolgeva la propria attività in ambito INFN, sia assumendo per lo più dei giovani laureati e non. E’ stato soprattutto nei confronti dei giovani che l’INFN ha svolto una attività di preparazione e formazione altamente qualificata, in quanto moltissimi di questi giovani hanno speso parte del loro tempo presso i Laboratori Nazionali e le Sezioni dell’INFN sia collaborando durante le fasi di progettazione e preparazione delle Specifiche Tecniche per i vari componenti del CNAO, sia lavorando in collaborazione con colleghi già esperti su attività non specificatamente CNAO ma che sono servite a dare a queste persone non solo la necessaria preparazione teorica ma anche una esperienza di base che permettesse loro di poter godere di una autonomia lavorativa

quando, resosi disponibile il centro CNAO con la fine della costruzione edilizia, sono rientrati in sede a Pavia. Il contributo dell’INFN L’INFN, nell’ambito degli accordi di collaborazione, ha altresì contribuito alla realizzazione del CNAO con un contributo pari a 5 Milioni di Euro, che sono serviti principalmente ad acquistare per conto del CNAO una serie di componenti e di attrezzature tra i quali si ricordano: la camera da vuoto del sincrotrone, la modifica ed upgrade del sistema per la caratterizzazione dei magneti multipolari, il magnete dipolo da 128 tonnellate della linea di fascio verticale con il relativo alimentatore, ed infine i magneti di scansione che “pennellano” il fascio sulla massa tumorale ed i relativi alimentatori speciali. Il CNAO, per suo conto, ha provveduto al rimborso all’INFN della quota parte delle spese per i salari del personale INFN impegnato nel progetto. Nel corso degli anni, dal 2003 ad oggi, sono state oltre 70 le persone dell’INFN che a vario titolo ed a vario livello hanno contribuito alla realizzazione del progetto CNAO. Gli altri partners In questa impresa hanno contribuito diversi Istituti ed Enti pubblici e privati, tra questi si ricordano: la Fondazione Policlinico Ospedale Maggiore (Mi), la Fondazione Istituto Neurologico C. Besta (Mi), la Fondazione Istituto Nazionale dei Tumori (Mi), l’Istituto Europeo di Oncologia (Mi), la Fondazione Policlinico San Matteo (Pv), la Fondazione TERA (No), e, oltre l’INFN, il CERN di Ginevra, il GSI (Darmstadt), il LPSC (Grenoble), il NIRS (Chiba, Giappone), l’Università di Milano, il Politecnico di Milano, l’Università di Pavia, il Comune di Pavia, la Fondazione Cariplo. Di questi, principalmente l’INFN e il CERN hanno curato gli aspetti tecnologici, ovvero le fasi di progettazione, costruzione, installazione e messa in funzione degli acceleratori. La situazione ad oggi Attualmente il CNAO è in fase di “commissioning”. Completata la fase di progettazione, costruzione ed installazione, già da oltre un anno è iniziata la fase di funzionamento con la generazione e caratterizzazione dei fasci di ioni Idrogeno e ioni Carbonio, la loro accelerazione attraverso le due strutture acceleranti lineari, il quadrupolo a radiofrequenza e l’acceleratore lineare, che preparano i fasci di particelle in modo da avere le corrette caratteristiche per essere iniettate all’interno dell’acceleratore circolare. Con l’inizio del 2010 sarà avviata la fase di accumulazione ed accelerazione dei fasci nel sincrotrone ed a seguire la loro estrazione e trasporto su almeno una delle tre linee di trasporto che permettono di guidare le particelle nelle sale di trattamento dove i pazienti attenderanno per essere irraggiati. Presumibilmente dalla tarda primavera 2010, appena saranno disponibili le necessarie autorizzazioni, inizierà la fase di sperimentazione medica che brevemente si può riassumere in tre fasi: una prima fase vedrà i fasci irraggiare dei “fantocci” costituiti da campioni di cellule in vitro e servirà a caratterizzare i fasci stessi di particelle; una seconda fase prevede l’irraggiamento di una particolare razza di topi, la stessa utilizzata nel centro giapponese, in modo da avere una analisi

comparata dell’efficacia della dose con la quale le cavie sono state irraggiate; ed infine una terza fase in cui è previsto irraggiare pazienti umani, prima con fasci di protoni e poi con ioni Carbonio. La sperimentazione clinica è prevista durare 18 mesi e si prevede di trattare circa 230 pazienti. Alla fine di questo periodo di sperimentazione clinica, i protocolli clinici per i trattamenti dovrebbero essere stati completamente definiti e si potrà iniziare il trattamento sistematico dei pazienti affetti da tumore. A regime il CNAO effettuerà circa 20.000 sedute all’anno e saranno trattati 3.000/3.500 pazienti. Le patologie cliniche che potranno essere trattate includono: sarcomi dell’osso e delle parti molli, tumori del sistema nervoso centrale e paraspinale, tumori del distretto cervico cefalico, melanomi dell’occhio e delle mucose, tumori non a piccole cellule del polmone, tumori primitivi del fegato, neoplasie dell’età pediatrica, tumori ginecologici, tumori del pancreas. Le attività a medio termine proseguiranno con l’installazione della linea sperimentale dedicata alla radiobiologia. Si tratta di una ulteriore linea che trasporterà i fasci estratti dal sincrotrone in una opportuna sala, già realizzata, dove potrà essere effettuata ricerca clinica, radiobiologica e fisica. Per quest’ultima, come si è detto, nel 2009 è stato firmato un accordo quadro di collaborazione tra INFN e CNAO. Più a lungo termine, è prevista una fase di espansione del CNAO con la realizzazione di ulteriori due sale di trattamento dove poter alloggiare delle “teste” rotanti che permetteranno di irraggiare i pazienti da qualsiasi direzione mentre, allo stato attuale, due sale di trattamento prevedono l’irraggiamento con un fascio fisso orizzontale ed una sala è predisposta per l’irraggiamento sia con fascio fisso sia orizzontale che verticale.

Vista aerea del centro CNAO a Pavia

Schema del complesso di acceleratori del CNAO e delle linee di trattamento.

Il sincrotrone del CNAO (2009)

Sala di trattamento (in allestimento, 2009)

[1] Dott. Fortuna Graziano, Vice-presidente INFN, LNL; Dott. Ing. Sanelli Claudio, LNF [2] Prof. De Martinis Carlo, Università Milano, Sezione INFN Milano [3] Dott. Cirio Roberto, Università Torino, Sezione INFN Torino [4] Prof. Rotondi Alberto, Direttore Sezione INFN Pavia, Università Pavia [5] Dott. Fabbricatore Pasquale, Sezione Genova [6] Dott. Ciavola Giovanni, LNS Catania [7] Dott. Pisent Andrea, LNL Legnaro [8] Dott. Cherubini Roberto, LNL Legnaro [9] Dott. Ing. Sanelli Claudio, LNF Frascati [10] Dott. Ing. Sanelli Claudio, LNF Frascati [11] Dott. Ing. Sanelli Claudio, LNF Frascati [12] Dott. Alberto Clozza, LNF Frascati [13] Dott. Ing. Sgamma Francesco, LNF Frascati [14] Dott. Ing. Ricci Ruggero, LNF Frascati [15] Dott. Ing. Pellegrino Luigi, LNF Frascati [16] Dott. Esposito Adolfo, LNF Frascati, AC Frascati [17] Dott.ssa Biscari Caterina, LNF Frascati [18] Dott. Serio Mario, LNF Frascati