Esperimento 3DOSE. R. Naz.: L. Servoli Sedi coinvolte: Perugia, Firenze. Durata: ; Manpower:

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1 Esperimento 3DOSE R. Naz.: L. Servoli Sedi coinvolte: Perugia, Firenze Durata: ; Manpower: Perugia: 2.7 FTE Richieste: 2017 Firenze: 59.5 k, 3.2 FTE 2018: 38 k

2 Esperimento 3DOSE Problema: misurare con precisione i campi radioterapeutici ad alto gradiente I piccoli campi (30 x 30 mm o anche meno) in radioterapia vengono usati per terapie di precisione. Restringendo i collimatori ci sono problemi nella misura del fascio e delle zone di penombra. In particolare: 1) Le dimensioni proiettate della sorgente del fascio attraverso il collimatore; 2) Il range degli elettroni nel mezzo irraggiato; 3) le dimensioni del rivelatore utilizzato per fare le misure.

3 Esperimento 3DOSE Problema: misurare con precisione i campi radioterapeutici ad alto gradiente E quindi: 1) esistenza di disequilibrio di carica laterale; 2) schermatura parziale del campo fotonico dal punto di vista del punto di misura. Formalismo di Alfonso

4 Esperimento 3DOSE Per ridurre le incertezze serve: 1) un rivelatore tessuto equivalente ( Z ~ 7 ) per evitare la dipendenza dalla energia dei fotoni. 2) un rivelatore che misuri contemporaneamente la forma bidimensionale o tridimensionale del fascio terapeutico, senza dover muovere fascio o rivelatore per fare la mappatura. 3) un rivelatore preciso nella misura della dose a circa l' 1%. 4) un rivelatore con una risposta indipendente da rateo di dose e dose accumulata.

5 Esperimento 3DOSE Diamante: sarebbe il rivelatore ideale tranne che: 1) il diamante deve essere segmentato in pixel delle dimensioni di circa 1 mm o meno; 2) per ogni pixel va definito come si porta fuori il segnale verso il sistema di readout (contatti), che NON dovrebbe essere tra fascio e sensore perché così si rovina lo Z effettivo del dispositivo (no bump bonding con chip di silicio per esempio). 3) la superficie complessiva ideale del dispositivo dovrebbe essere sufficiente a coprire il caso di piccoli campi con misura delle zone di penombra. Il che porta subito ad avere più di 100 canali di readout. 4) la tensione di polarizzazione del diamante dovrebbe essere la più bassa possibile, compatibilmente con la necessità di raccogliere segnale. (1 nc/gy ~ mm3)

6 Esperimento 3DOSE Da dove proviene: 1) Esperimenti DIAPIX, 3D-SOD (L. Servoli, S. Sciortino) (sviluppo di tecniche di grafitizzazione sia superficiale che colonnare di diamante attraverso laser impulsati) 2) Esperimenti DIAPIX e IRPT (M. Bruzzi, C. Talamonti) (sviluppo di sensore a diamante planare a bassa tensione di polarizzazione pixellato a 1.8 x 1.8 mm per dosimetria IMRT e VMAT)

7 Esperimento 3DOSE Esempio di mappatura 2D ottenuta tramite rivelatore bidimensionale a diamante con passo 1.8 x 1.8 mm dal gruppo di Firenze (M. Bruzzi, C. Talamonti). 25 x 25 mm ogni sensore, letto attraverso una matrice di contatti polimerici. Contatti di tipo Schottky. 1-2 V polarizzazione.

8 Esperimento 3DOSE Esempio di mappatura 2D ottenuta tramite rivelatore bidimensionale a diamante con passo 1.8 x 1.8 mm dal gruppo di Firenze (M. Bruzzi, C. Talamonti).

9 Esperimento 3DOSE: Stato comprensione processi di grafitizzazione Focusing lens Stato dei processi di grafitizzazione Laser beam Diamond

10 Esperimento 3DOSE: Stato comprensione processi di grafitizzazione Per ogni impulso di energia E, c'è una minima lunghezza di impulso min al di Stato sotto della non c'è grafitizzazione, mentre al di deiquale processi di grafitizzazione sopra comincia ad aumentare la resistività. E 13 m 0.56 cm 23 m 1.1 cm 10 m 0.65 cm 5 m 42 cm 23 m 1.1 cm 23 m 1.4 cm 11 m 1 cm 10 m 0.9 cm 5 m 860 cm 5 m 50 k cm La matrice di tentativi mostrata fa vedere lo spazio delle fasi in cui la coppie di valori (E, min) sono utilizzabili per produrre con efficienza 100% le colonne grafitiche, con resistenza variabile.

11 Esperimento 3DOSE: Stato comprensione processi di grafitizzazione È stato possibile quindi produrre un diagramma di fase per descrivere come scegliere i parametri in funzione del tipo di grafitizzazione che si vuole ottenere. E < 35 fs Too high energy: large diameters Too short pulses: no columns E> J Diameters m resistivity cm < 45 fs Too low energy: very large resistivity E< J

12 Esperimento 3DOSE: Stato comprensione processi di grafitizzazione Sono stati prodotti una decina di dispositivi 3D nell'ambito del progetto 3D-SOD, sia su substrati sccvd che pcvd che DiamondOn-Iridium. Usando i giusti parametri, si riescono ad ottenere centinaia di colonne con efficienza di produzione del 100%. 5 mm 2D width=10 m 3D

13 Esperimento 3DOSE Esempio di dispositivo 3D usato come dosimetro per radioterapia. Dispositivo realizzato per rivelazione di singole particelle cariche. 2D 3D500 3D125 3D250

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15 Esperimento 3DOSE Misure preliminari effettuate Usando una matrice di celle realizzata per rivelazione di singola particella carica, abbiamo effettuato misure preliminari presso The Christie (Manchester, UK). Presented at Hasselt Diamond Conference, 9-11 march 2016, submitted to JINST.

16 Esperimento 3DOSE Misure replicate in fantoccio di PMMA presso Ospedale di Perugia Misure fatte a vari dose-rate ( MU/min) Presented at RD42 Collaboration meeting, september 2016.

17 Esperimento 3DOSE Risposta lineare entro il 0.4%

18 Esperimento 3DOSE: Proposta Realizzare un sensore a diamante capace di misurare, con sufficiente precisione spaziale, in un colpo solo la mappa di distribuzione di dose di un campo ad alto gradiente di dose. Mappa non solo bidimensionale ma tridimensionale. Si articola su 4 WorkPackage: (WP1): Fabbricazione di dispositivi a diamante 3D (Resp. Firenze, S. Sciortino) (WP2) Misura in campi clinici per dosimetri 2D (Resp. Firenze, M. Bruzzi) (WP3): Simulazione dei dispositivi a diamante (Resp. Perugia, D. Passeri) WP4: Test dei dispositivi 3D su fasci clinici (Resp. Perugia/Firenze, L. Servoli, C. Talamonti)

19 Esperimento 3DOSE: Proposta I WP sono in parte paralleli e in parte interconnessi. L'approccio con i sensori 2D, essendo già disponibili, permette di partire da subito a comprendere le peculiarità della misura per poi utilizzare i rivelatori 3D. In particolare le possibilità che si vogliono esplorare sono: (WP2/WP4) misura della dose impartita da un piano di trattamento, usando un piano (o più piani) di rivelatore che viene spostato nello spazio in modo da ricoprire completamente la zona trattata e quella immediatamente adiacente. (WP2/WP4): sviluppo di tecniche di impermeabilizzazione per sensori 2D/3D per misure con fantocci in acqua per realizzare mappe di dose.

20 Esperimento 3DOSE: Proposta (WP2/WP4): Adattamento del setup di misura del sensore 2D/3D per essere ospitato in fantoccio antropomorfo con polmoni che si muovono simulando il movimento respiratorio reale (già esistente sviluppato dal gruppo di fisica medica unifi) per studiare le distribuzioni di dose in caso di irraggiamenti dove la lesione in movimento è importante. (vedi slide backup) (WP2/WP4): studio resistenza dei sensori 2D/3D alla radiazione.

21 Esperimento 3DOSE: Proposta Parallelamente (WP1): ottimizzazione della qualità della grafitizzazione delle singole colonne (ottiche adattive) studio di sensori Diamond-On-Iridium che hanno caratteristiche intermedie tra sccvd e pcvd Ottimizzazione dimensioni e configurazione della singola cella e globalmente del sensore.

22 Esperimento 3DOSE: Proposta Parallelamente (WP3): modellazione TCAD della singola cella 3D (vedi slide backup) estensione al materiale Diamond-On-Iridium del modello TCAD sviluppato per diamante pcvd. simulazione e ottimizzazione delle configurazioni geometriche del dispositivo e dei parametri di funzionamento.

23 Esperimento 3DOSE: Proposta Parallelamente (WP4): caratterizzazione cella 3D di base esposta a fasci clinici. definizione del readout delle singole celle con sviluppo del supporto di interfaccia dispositivo/daq. realizzazione e test di un dispositivo spazialmente segmentato (strip o pixel) con passo tra 0.1 e 1 mm. Le misure verranno fatte prioritariamente negli Ospedali di Perugia e Firenze. Eventualmente anche presso The Christie Hospital Manchester.

24 Esperimento 3DOSE: Proposta WP1 Timeline : (prima possibile) procurement dei vari tipi di substrato. aprile 2017: Realizzazione di almeno un dispositivo con strutture 3D (e 2D di controllo) per i vari tipi di substrato a disposizione. giugno 2017: Correzione aberrazioni sferiche e ottimizzazione dei sistemi laser. aprile 2018: produzione di un dispositivo segmentato con passo 1 mm.

25 Esperimento 3DOSE: Proposta WP2 Timeline : marzo 2017: Misura della distribuzione tridimensionale di dose e paragone con TPS; giugno 2017: scelta della tecnica di impermeabilizzazione novembre 2017-onward: test di misura in acqua, in modalità trasmissione, e test di resistenza alla radiazione. marzo 2018: test di misura in fantoccio respiratorio

26 Esperimento 3DOSE: Proposta WP3 Timeline : marzo 2017: modello Diamond-On-Iridium; giugno 2017: modello singola cella 3D. gennaio 2018: modello configurazione di celle 3D per ottimizzazione e studio delle prestazioni.

27 Esperimento 3DOSE: Proposta WP4 Timeline : marzo 2017: realizzazione fantocci dispositivi 3D giugno 2017: test dispositivi prodotti da WP1 settembre 2017: realizzazione sistema di DAQ per sensore 3D segmentato. marzo 2018: test di resistenza alla radiazione dispositivi 3D. luglio 2018: test di dispositivo segmentato con passo 1 mm

28 Esperimento 3DOSE Collaborazioni: INO-CNR Firenze (Laser per grafitizzazioni) Univ. Augsburg (D), (fornitura substrati Diamond-On-Iridium DOI) Univ. Manchester (UK) The Christie (Centro ricerca oncologico) Manchester Fisica Medica, Osp. S. Maria della Misericordia, (PG) (acc. lineari, IORT, TomoHD) Fisica Medica, Univ. degli Studi Firenze. (acc. lineari, cyberknife, gammaknife tomotheraphy )

29 Esperimento 3DOSE Finanziamento esterno: È Stato finanziato sulla stessa tematica, dalla Fondazione Cassa di Risparmio di Perugia, un progetto congiunto Dipartimento - INFN fino a ottobre 2017 (resp. M. Biasini). 28 k destinati essenzialmente ad assegno di ricerca.

30 Esperimento 3DOSE Backup

31 Esperimento 3DOSE Manpower Perugia: 2.7 FTE L. Servoli 40% M. Menichelli 10% M. Piccini 10% K. Kanxheri 100% D. Passeri 40% A. Morozzi 20% C. Zucchetti 30% A.C. Dipilato 20% (Primo Ric. INFN) (Ric. INFN) (Ric. INFN) (Dott. Fisica, Perugia) (Ric. Univ., Perugia (Dott. Ingegneria Elettronica) (Dirigente Fis. Medica Osp. PG) (Fisico Medico Osp. PG)

32 Esperimento 3DOSE Manpower Firenze: 3.2 FTE S. M. M. F. S. S. M. C. Sciortino Bellini Bruzzi Gorelli Lagomarsino Pallotta Santoro Talamonti 70% 10% 40% 20% 100% 30% 20% 30% (Ric. Univ. Firenze) (Dir. Ric. INO-CNR Firenze) (Prof. Associato Univ. Firenze) (Ric. INO-CNR, Firenze) (Docente Scuola Sup., Firenze) (Prof. Associato Univ. Firenze) (Ric. INO-CNR, Firenze) (Prof. Associato Univ. Firenze)

33 Ruolo della simulazione Courtesy of G. Forcolin (Univ. Manchester) Presented at RD42 Collaboration Meeting september 2016.

34 Diamond-graphite phase transformation is E governed by the height of the energy barrier between sp3 and sp2 bonding*. The more electrons are excited in the anti-bonding states of the conduction band, the lower is such barrier, promoting sp3-sp2transformation E E xg xd xd xg Moreover, the higher the electrons temperature, the easier for the lattice to overtake *H.O. Jeschke et al. Microscopic analysis of the laser-induced the residual energy barrier. femtosecond graphitization of diamond. PRB 60 (1999) R3701 So the phase transformation is governed by both density and temperature of the plasma generated by laser irradiation. x

35 Esperimento 3DOSE: Stato comprensione processi di grafitizzazione È stato proposto un modello analitico per descrivere la formazione del volume di plasma nel diamante a seguito dell'impulso laser. Quando ci sono elevate intensità il plasma diventa opaco, e la radiazione sopraggiungente riscalda il plasma già presente invece di generare nuovo plasma. E = 0.6 J laser Plasma density ===30 67 fs 20 fs fs fs 45fs Energy density 20 fs = fs fs

36 Combining the calculation both of the maximum released energy density and of the diameter of the plasma ball, we can identify an «allowed window» in the E- space, for the fabrication of graphitic columns with suitable characteristics. Released energy density 10 J/cm J 3 Plasma ball diameter m J No graphitization Pulse energy 15 m 1.5 graphitization 10 m 1 threshold curve 5 m 0.5 de/dvthr 600 J/cm3 48 fs Explored range 84 fs J 12 fs fs Pulse lenght 0 12 fs 48 fs Explored range 84 fs 120 fs Pulse lenght The «allowed» window in the E- diagram is also limited for long, but the forbidden values are not accessible with our system

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