Progettazione di un sistema di

schermatura per un acceleratore

lineare a protoni per adroterapia

Relatore: Prof. Vincenzo Patera

Correlatore: Prof. Fabio Bellini

Laureanda: Martina Senzacqua

Matricola: 1163436

Anno accademico: 2012/2013

Tesi di Laurea Magistrale

Facoltà di Ingegneria Civile e Industriale

Corso di laurea in Ingegneria Biomedica

• Riproduzione geometria dell’acceleratore

• Generazione fascio di protoni persi

• Simulazione interazione protoni con i materiali attraversati

• Analisi di diverse schermature

• Calcolo grandezze di interesse (fluenze e dose)

Progettazione schermatura per un acceleratore lineare di protoni

OBIETTIVO:

2

ADROTERAPIA

Trattamento di tumori tramite fasci di adroni

(protoni e ioni carbonio)

PICCO DI

BRAGG f(E)

3

Trattamento di tumori tramite fasci di adroni

(protoni e ioni carbonio)

Tumore

PICCO DI

BRAGG f(E)

• Maggior percentuale di energia

rilasciata al tessuto tumorale

ADROTERAPIA

3

Trattamento di tumori tramite fasci di adroni

(protoni e ioni carbonio)

Tumore

• Maggior percentuale di energia

rilasciata al tessuto tumorale

Tessuti sani

• Minor dose ai tessuti sani

PICCO DI

BRAGG f(E)

ADROTERAPIA

3

SOBP = Picco di Bragg “allargato”

Inviando fascio con differenti energie

e da diverse direzioni

Si può andare a coprire tutta la regione tumorale

4

Centro di ADROTERAPIA presso l’IFO

• ACCELERATORE LINEARE di protoni

Progetto TOP-IMPLART

3 sale di trattamento

150 MeV

Cammino: 15 cm

230MeV

Cammino: 30 cm

5

• Minor perdite del fascio lungo la linea di

accelerazione

• Struttura modulare (possibilità di far

progredire la costruzione della macchina con

il flusso dei finanziamenti)

• Consentita la rapida variazione dell’energia e

dell’intensità del fascio

IMPLART = “Intensity Modulated Proton Linear Accelerator for RadioTherapy”

SCDTL (Side Coupled Drift Tube Linac): •Quattro moduli acceleranti disposte in serie

•Energia dei protoni da 7 MeV a 40 MeV

Acceleratore IMPLART

~ 7m ~ 8m ~ 9m ~ 10m

6

Metodo utilizzato per ottenere delle stime di grandezze

caratteristiche di un fenomeno, tramite delle simulazioni.

Fenomeno simulato:

INTERAZIONE DELLE

PARTICELLE CON LA

MATERIA

• processo probabilistico;

• viene valutata la probabilità

di reazione secondo i diversi

possibili processi fisici.

Simulazione Monte Carlo

7

•La struttura è costituita da 9 moduli (tank) in rame, all’interno

dei quali sono presenti 3 tubi di drift + 2 mezzi tubi di drift

• Tra due tank successive ci sono dei tubi di raccordo (acciaio)

attorno ai quali sono allogiati dei PMQ (Quadrupoli a Magneti

Permanenti) per la focalizzazione trasversa del fascio

Primo modulo dell’SCDTL

Riproduzione della GEOMETRIA

112 cm

15 cm

10 cm

8

Singola tank (n°3)

Programma C++ per la

replica degli altri moduli

Sono state mantenute le stesse

dimensioni lungo gli assi x e y

e sono state variate le

dimensioni lungo z (direzione

del fascio)

Intera geometria dell’SCDTL-1

15 cm

10 cm

7 cm

9

x

y z

Dati forniti dall’ENEA, ottenuti mediante simulazione di dinamica del fascio

(TSTEP)

Grandezze fornite per ciascuna particella:

- Coordinate spaziali a cui viene persa

- Direzione

- Energia

(x,y,z) E (MeV)

βγ

Energia (MeV)

N°

par

tice

lle

Generazione dei protoni persi dal fascio

10

11

p+

n

γ e-

DOSE

SCHERMO

e-

γ

σn ∝ 1/v

Sostanze contenenti

idrogeno (acqua,

cemento, paraffina)

Sostanze

ad alta σn

(cadmio)

Sottile lamina di

metallo

Materiali ad alta

densità (piombo)

~7 MeV

γ

(n, γ)

n

dE/(dx ρ) ~ 10 MeV/(g cm-2)

ρrame= 8.9 g/cm3

I protoni vengono fermati

dopo circa 0.8 mm di rame

Cilindro cavo in cemento

• Raggio interno: 20 cm

• Raggio esterno: 40 cm

• Altezza: 120 cm

20 cm

120 cm

Basso costo

gli atomi di idrogeno favoriscono il rallentamento dei

neutroni

Schermo in CEMENTO

12

3 strati concentrici:

• Raggio interno: 20 cm

• Spessore Paraffina: 15 cm

• Spessore Cadmio: 1 mm

• Spessore Piombo: 3.5 cm

PARAFFINA

Perdita di energia dei neutroni

Alto contenuto di idrogeno Alta sezione d’urto per

l’assorbimento di neutroni

σ=104b

Assorbimento dei

neutroni termici

CADMIO

• alto numero atomico Z

• elevata densità

Assorbimento dei

fotoni

PIOMBO

Schermo in PARAFFINA-CADMIO-PIOMBO

13

__ in assenza di schermo

__ schermo in cemento

__ schermo in Paraffina, Cadmio e Piombo

R=0 cm R=50 cm

Senza

schermo

5.4x10-7 2.68x10-9 4.9x10-3

Cemento 5.21x10-7 1.82x10-9 3.4x10-3

ParCadPio 5.83x10-7 4.41x10-11 7.5x10-5

Fluenza NEUTRONI y(c

m)

y(c

m)

y(c

m)

R(cm)

z(cm)

0.0001

1e-06

1e-8

1e-10

1e-12

1e-14

0.0001

1e-06

1e-8

1e-10

1e-12

1e-14 0 20 40 60 80 100 120

0 20 40 60 80 100 120

0 20 40 60 80 100 120

0.0001

1e-06

1e-8

1e-10

1e-12

1e-14

100

50

0

-50

-100

100

50

0

-50

-100

100

50

0

-50

-100

y (

cm)

0 10 20 30 40 50

1e-06

1e-07

1e-08

1e-09

1e-10

1e-11

R(cm)

14

Senza schermo

Cemento

Par-Cad-Pio

__ in assenza di schermo

__ schermo in cemento

__ schermo in Paraffina, Cadmio e Piombo

R=0 cm R=50 cm

Senza

schermo

2.43x10-6 7.79x10-9 3.2x10-3

Cemento 2.43x10-6 2.33x10-9 9.6x10-4

ParCadPio 2.62x10-6 7.65x10-10 2.9x10-4

Fluenza FOTONI

R(cm)

y(c

m)

y(c

m)

y(c

m)

z(cm)

0.0001

1e-06

1e-8

1e-10

1e-12

1e-14

0.0001

1e-06

1e-8

1e-10

1e-12

1e-14

0 20 40 60 80 100 120

100

50

0

-50

-100

0 20 40 60 80 100 120

100

50

0

-50

-100

0 20 40 60 80 100 120

100

50

0

-50

-100

0.0001

1e-06

1e-8

1e-10

1e-12

1e-14

0 10 20 30 40 50

y (

cm)

1e-05

1e-06

1e-07

1e-08

1e-09

1e-10

15

Senza schermo

Cemento

Par-Cad-Pio

Spettri di energia Fotoni e neutroni entranti nello

schermo di cemento.

(Superficie cilindrica di r=20 cm)

Fotoni e neutroni uscenti dallo

schermo di cemento.

(Superficie cilindrica di r= 40 cm)

50

40

30

20

10

0

16

0 0.0005 0.001 0.0015 0.002 0.0025 0.003

E(GeV)

__ in assenza di schermo

__ schermo in cemento

__ schermo in Paraffina, Cadmio e Piombo

R=0 cm R=50 cm

Senza schermo

1.97x10-4 9.40x10-7 4.8x10-3

Cemento 1.90x10-4 1.65x10-7 8.6x10-4

ParCadPio 2.1x10-4 2.15x10-8 1.02x10-4

Dose equivalente

R(cm)

R(c

m)

z(cm)

0 20 40 60 80 100 120

0 20 40 60 80 100 120

0 20 40 60 80 100 120

50

40

30

20

10

0

50

40

30

20

10

0

50

40

30

20

10

0

1

0.01

0.0001

1e-6

1e-8

1e-10

1

0.01

0.0001

1e-6

1e-8

1e-10

1

0.01

0.0001

1e-6

1e-8

1e-10

R(cm)

0 10 20 30 40 50

0.001

0.0001

1e-05

1e-06

1e-07

1e-08

17

Senza schermo

Cemento

Par-Cad-Pio

Protoni persi: 1.68 x 108 protoni/secondo

Funzionamento giornaliero della macchina: 1 h/d

Funzionamento annuale della macchina: 250 d/y

Dose equivalente per protone perso

Limite normativa

Zona libera 0.4 μSv/anno

Zona sorvegliata 3 mSv/anno

Zona controllata 10 mSv/anno

R=50 cm

Senza schermo 0.14 mSv/anno

Cemento 25 μSv/anno

ParCadPio 3.3 μSv/anno

Calcolo della dose equivalente annuale

19

D. Lgs. 9 maggio 2001, n. 257

(riferimento alle raccomandazioni ICRP 60)

• Riproduzione geometria acceleratore lineare

• Generazione protoni persi

• Studio delle diverse tipologie di schermi:

schermo in paraffina-cadmio-piombo mostra una maggior

efficacia nella schermatura della radiazione secondaria

• Per energie dell’ordine dei 10 MeV la dose equivalente è

inferiore ai limiti previsti dalla normativa

• SVILUPPI FUTURI: simulazione dei successivi moduli, con

protoni di energie superiori (fino a 230 MeV) porteranno a

risultati e valutazioni differenti.

CONCLUSIONI

19