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Aisha

AISHa: una sorgente di ioni per l'adroterapia

Foto dell'apparato sperimentale di AISHa

La sorgente AISHa, Advanced Ion Source for Hadrontherapy, è una sorgente di ioni progettata tenendo conto dei requisiti tipici delle strutture ospedaliere dove la minimizzazione del tempo medio tra due guasti e la rapidità delle operazioni di manutenzione sono aspetti chiave insieme alla capacità di produrre fasci ionici a basso ripple, elevata stabilità ed elevata riproducibilità. Per queste sue caratteristiche e grazie alla capacità di produrre fasci ionici moltiplicemente carichi e ad elevata brillanza, la sorgente Aisha è ideale anche per produrre fasci da inviare a macchine acceleratrici come i ciclotroni.
Le caratteristiche incluse nella progettazione della sorgente AISHa sono il risultato delle conoscenze acquisite dall'INFN-LNS negli ultimi decenni nella progettazione e realizzazione di sorgenti ioniche.

Il cuore della sorgente

Schema della sorgente AISHa

Il cuore della sorgente AISHa è il sistema magnetico ibrido costituito da un magnete esapolare permanente, di tipo Halbach a 36 segmenti, e da un set di 4 bobine superconduttrici. Le 4 bobine sono racchiuse all'interno di un criostato compatto, privo di Elio liquido, dotato di due criorefrigeratori a doppio stadio che permettono di raggiungere la condizione di funzionamento operativa in 40 ore.
La camera contenente il plasma, denominata plasma chamber, è posta ad alta tensione ed isolata da terra attraverso un tubo in fibra di vetro/carbonio che circonda l'esapolo. Questo permette di mantenere i magneti superconduttori e il giogo al potenziale di terra, consentendo un funzionamento affidabile fino a 40 kV.
Il sottosistema di iniezione delle microonde è stato progettato per operare sia a singola che a doppia frequenza, attraverso due amplificatori klystron ad alta potenza in grado di erogare fino a 1,5 kW alla frequenza di 18 e 21 GHz, rispettivamente. Gli amplificatori a microonde, posti a potenziale di terra, sono isolati dalla camera del plasma attraverso due dispositivi passivi in guida d'onda, progettati e sviluppati interamente presso l'LNS, che permettono di interrompere la DC. Il sistema di estrazione, a tre elettrodi mobili, è stato progettato per evitare che gli elettroni trasportati dal fascio ionico vengano nuovamente accelerati all'indietro verso la camera. La sorgente AISHa è seguita da una linea di trasporto fascio costituita da un solenoide di focalizzazione posto subito a valle dell'estrazione, un dipolo di selezione a 90° e due box diagnostici. Ogni box diagnostico è costituito da una Faraday Cup e da un Allison Scanner per misurare l'emittanza trasversale di fascio e consentirne una completa caratterizzazione.

I risultati sperimentali

La tabella seguente riporta i risultati ottenuti durante l'ultimo commissioning della sorgente a 18 GHz con i relativi valori di emittanza:

Tabella con i risultati sperimentali della sorgente AISHa Per le sue caratteristiche e per la capacità di produrre fasci ionici a medio/alto stato di carica, la sorgente AISHa è stata scelta come nuova sorgente del progetto INSpIRIT.

INSpIRIT è un progetto di espansione del Centro Nazionale di Adronterapia Oncologica (CNAO) che prevede oltre all'ammodernamento di componenti critici del Sincrotrone, al fine di velocizzare alcune operazioni della macchina e aumentarne l'affidabilità, anche l'introduzione di una nuova sorgente, denominata AISHA-CNAO, per la produzione di fasci di Elio, Ossigeno, Litio e Ferro. La nuova sorgente permetterà lo sviluppo di nuovi protocolli clinici per la cura di tumori inoperabili o radioresistenti, dove è essenziale ridurre al minimo la dose assorbita dai tessuti sani, e aprirà nuovi scenari per esperimenti nel campo della ricerca fondamentale e industriale.

La nuova sorgente AISHA all’interno della sala sincrotrone del CNAO in fase di assemblaggio La nuova sorgente AISHA all’interno della sala sincrotrone del CNAO in fase di assemblaggio

Bibliografia

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[2021] G. Castro et al., The AISHa ion source at INFN-LNS, 19th International Conference on Ion Sources, IOP Publishing doi:10.1088/1742-6596/2244/1/012025
[2018] O. Leonardi et al., A compact DC-break for ECR ion source @ 18 GHZ, Microw Opt Technol Lett. 2018;60:30263029. https://doi.org/10.1002/mop.31421
[2018] L. Celona et al., Commissioning of the AISHa Ion Source at INFN-LNS, AIP Conference Proceedings 2011, 040023 (2018); https://doi.org/10.1063/1.5053297
[2016] L. Celona et al., Design, construction and commissioning of the new superconducting ion source AISHa, in Proc. ECRIS/16, Busan, Korea, Aug. 2016
[2016] F. Noto et al., Mechanical Simulation with Electrical and Dimensional Tests for AISHa Containment Chamber, World Academy of Science, Engineering and Technology International Journal of Mechanical, Aerospace, Industrial, Mechatronic and Manufacturing Engineering Vol:10, No:5.
[2015] Celona et al., A compact multiply charged ion source for hadron therapy facility, 6th International Particle Accelerator Conference IPAC2015, Richmond, VA, USA - JACoW Publishing ISBN: 978-3-95450-168-7 doi:10.18429/JACoW-IPAC2015-WEPWA031
[2015] F. Noto et al., Structural Mechanics Optimization of the AISHa Ion Source, ICCM2015, 14-17th July, Auckland, NZ
[2012] L. Celona et al., Design of the AISHa Ion source for hadrontherapy facilities, Proceedings of ECRIS2012, Sydney, Australia

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