Linee multidisciplinari di irraggiamento: CATANA and 0°

Le applicazioni multidisciplinari costituiscono attualmente una parte sempre più crescente di richieste esterne (e interne) di fascio da parte di utenti interessati a proporre esperimenti con fasci di protoni e ioni accelerati a decine di MeV/n. Fasci di questo tipo sono forniti dal Ciclotrone Suerconduttore (CS), capace di accelerare fasci ionici fino a 80 MeV/n. Le applicazioni multidisciplinari comprendono una grande varietà di campi, tra cui la fisica medica, studi di danneggiamento da radiazione e applicazioni spaziali. Di conseguenza, le linee d’irraggiamento sviluppate a tale scopo devono disporre di una strumentazione dedicata al trasporto e shaping del fascio e anche ad un accurato controllo dei principali parametri di fascio, in modo da offrire agli utenti la possibilità di effettuare diversi tipi di esperimenti: misure di dosimetria, esperimenti di radiobiologia, test e caratterizzazione di rivelatori per dosimetria, imaging e diagnostica. Relativamente a questi requisiti, una linea multidisciplinare deve quindi essere il più versatile possibile e deve essere equipaggiata con tutti i necessari rivelatori, che tra l’altro devono essere facilmente montati e smontati tra un esperimento e il successivo. Presso i LNS sono installate due linee di trasporto dedicate alle attività multidisciplinari che, in modo complementare, soddisfano la maggior parte dei suddetti requisiti: la linea di trasporto CATANA (Centro di AdroTerapia e Applicazioni Nucleari Avanzate) e la linea di trasporto 0°.
La facility CATANA è stata realizzata allo scopo di curare il melanoma con fasci di protoni accelerati a 62 MeV dal CS (Figura 1). Grazie all’esperienza acquisita nell’ambito del trasporto e shaping dei fasci e relativamente alla dosimetria assoluta e relativa, la facility viene anche utilizzata per attività multidisciplinari. In questa linea vengono trasportati fasci di protoni in aria attraverso un sistema passivo e vengono impiegate le più precise e avanzate tecniche dosimetriche, attualmente usate per la calibrazione di fasci in termini di dose assoluta.
La linea 0° è molto più versatile rispetto alla prima, infatti possono essere trasportati diversi tipi di fasci ionici e vi è anche la possibilità di effettuare esperimenti in vuoto, oltre che in aria (Figura 2).
La maggior parte degli elementi di trasporto e dei rivelatori per diagnostica e dosimetria sono condivisi dalle due sale, così come il sistema di acquisizione dati. In entrambe le due linee, infatti, il fascio esce in aria attraverso una finestra di kapton di 50 um, dopo aver attraversato un foglio di tantalio di 15 um, che ha la funzione di allargare il fascio e di monitorare in tempo reale la corrente. Le linee di trasporto CATANA e 0° sono molto simili nella disposizione degli elementi passivi, eccetto per la lunghezza totale, rispettivamente di 2.8 e 1.8 m (la seconda è variabile). Inoltre, la box contenente range shifter e modulatori è solo presente nella linea CATANA: essi sono elementi passivi impiegati anche nella pratica clinica allo scopo di degradare la massima energia dei protoni e di modularla in funzione dell’estensione del tumore del paziente. Lungo il trasporto in aria il fascio di particelle passa, in entrambe le linee, attraverso un set di collimatori in plastica e viene alla fine collimato da un tubo in ottone di 50 cm di lunghezza, che permette di ottenere fasci di diverso diametro (da 1 a 30 mm). I collimatori di plastica eliminano le particelle con elevato angolo di dispersione e, inoltre, schermano i neutroni secondari prodotti. Il tubo finale in ottone fornisce la collimazione finale e consente di ottenere fasci con divergenza trascurabile. Nel punto di irraggiamento si ottengono quindi fasci di forma circolare e con una distribuzione spaziale uniforme. Il controllo e la misura in tempo reale della dose durante gli irraggiamenti è affidato a da due camere a ionizzazione in trasmissione poste lungo la linea. Le due camere sono calibrate in modo indipendente rispetto a una camera a ionizzazione Markus per dosimetria assoluta, seguendo le raccomandazioni della International Atomic Energy Agency (IAEA) TRS-398 (IAEA 2000). Inoltre, nelle due linee sono installati rivelatori per la misura dei profili di fascio in modo da garantire un’uniformità del 3% e 15%, rispettivamente per la linea CATANA e 0°. La fluenza e la dose dei fasci trasportati viene misurata con un elevato livello di accuratezza e riproducibilità, grazie ad un una precisa procedura di calibrazione e per mezzo di un sistema remotizzato capace di rilasciare specifiche quantità di dose per campione. Inoltre, rivelatori per il monitoring del fascio sono anche impiegati al fine di misurare l’intensità del fascio che, nel caso di repentine ed elevate fluttuazioni, viene automaticamente stoppato grazie a un sistema di interlock. In entrambe le linee possono essere trasportate correnti fino a circa 10 nA, ma anche fasci a bassa intensità possono essere impiegati per gli esperimenti. Inoltre, la linea 0° è stata recentemente modificata in modo da poter sostenere anche correnti fino a 100 nA, importanti per effettuare misure di danneggiamento e caratterizzazione di rivelatori da utilizzare in facility ad alta luminosità.
Un’attenzione particolare è stata rivolta negli ultimi anni in particolare per gli esperimenti di radiobiologia: possono infatti essere effettuati irraggiamenti di campioni cellulari con fasci di protoni e ioni con alti livelli di precisione dosimetrica e a diversi ratei di dose (tra 0.01 e 50 Gy/min). Inoltre, un sistema di posizionamento remotizzato consente agli utenti di irraggiare diversi campioni cellulari in una singola sessione di misura, riducendo sensibilmente i tempi in gioco. E’ un sistema molto versatile che può anche essere impiegato per irraggiare campioni di diversa forma e dimensione con una precisione sub-millimetrica. Ai LNS è anche presente un laboratorio di radiobiologia, a disposizione degli utenti per effettuare tutte le procedure preliminari agli esperimenti e anche per eseguire le prime analisi post irraggiamento. All’interno sono presenti tutti gli strumenti tipicamente utilizzati per tale scopo: centrifuga, incubatore, sterilizzatore e microscopio. Recentemente, è stato inoltre realizzato un laboratorio dedicate alle misure in-vivo con topi per studi di preclinica e a breve sarà operativo.
Entrambe le linee di trasporto sono simulate in dettaglio con il codice Monte Carlo Geant4, in modo da poter ottenere informazioni sui principali parametri di fascio (energia, fluenza, distribuzione spaziale, dose, LET) in diversi punti della linea, da poter fornire (su richiesta) agli utenti interessati a uno studio preliminare del setup sperimentale di misura. Inoltre, a seguito di richiesta di collaborazione con il gruppo dei LNS che si occupa di calcolo Monte Carlo, le simulazioni possono fornire un supporto anche nella fase di analisi dei dati.
Alcune delle procedure sperimentali suddette, specialmente quelle relative alle misure di dosimetria, possono essere preliminarmente richieste e discusse in collaborazione con il gruppo di dosimetria dei LNS.

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