Progettazione di schermature per un acceleratore lineare a...
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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
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• 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
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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
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__ 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
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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
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