S.Nardi 1 ; P.B. Finazzi DIMART SRL. 2. Atlas Services

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1 MISURE DI QUALITA DEI FASCI E DELLA DIMENSIONE DELLA MACCHIA FOCALE IN FASCI DI FOTONI AD ALTA ENERGIA PRODOTTI DA ACCELERATORI LINEARI PER RADIOGRAFIE INDUSTRIALI S.Nardi 1 ; P.B. Finazzi DIMART SRL 2. Atlas Services Il presente lavoro è scaturito dalla specifica necessità di poter disporre di una strumentazione di pratico utilizzo, per verificare il mantenimento delle prestazioni di macchine idonee all emissione di raggi X ad alta energia. La qualità dei fasci di radiazione ionizzante elettromagnetica di alta energia, utilizzati nei controlli radiografici industriali, può essere verificata, similmente a quanto già avviene per i fasci della stessa energia utilizzati nella diagnostica sanitaria medicale, impiegando fino ad oggi sistemi tipo water phantom che sono estremamente costosi e che richiedono una notevole preparazione specifica per essere utilizzati. Con l utilizzo di questa tecnica innovativa s intende dimostrare la possibilità di effettuare misure di energia della radiazione X, del numero di ripetizione degli impulsi (PFR), della loro ampiezza e del calcolo della dose relativa, in una unica e breve esposizione grazie ad un nuovo sistema di misura chiamato EDOS, costituito da un elemento sensibile da collocare sotto il fascio e di un trasduttore del segnale, collegato via cavo ad un computer portatile. La leggerezza del sistema, la sua facilità di utilizzo, la possibilità di essere autoalimentato e la precisione delle misure possono permettere ad EDOS di portare nuove preziose informazioni per il corretto utilizzo dei fasci di radiazione, per la loro qualificazione e per la verifica delle loro caratteristiche nel tempo. Un altro interessante risultato si è ottenuto con la misurazione della macchia focale degli acceleratori utilizzati per radiografie industriali. In questo caso si è utilizzato il nuovo sistema SLIT-CAMERA che con poche semplici operazioni permette la misura della macchia focale degli acceleratori lineari, senza rimuovere ne collimatori esterni ne nessun altro componente ma, semplicemente, misurando la macchia focale dal fascio di raggi X. Per entrambi i sistemi vengono date informazioni scientifiche sui principi di funzionamento e sulla teoria delle operazioni, unitamente ad una serie di esempi di misurazioni effettuate.

2 PREMESSA La buona riuscita delle immagini radiografiche è anche funzione della energia delle radiazioni e della macchia focale/dimensioni della sorgente. Nel caso di tubi radiogeni e quindi di energie nominali di 450kV massimi, esistono sistemi che permettono in modo abbastanza semplice ed affidabile sia la misura della energia della radiazione elettromagnetica che la misura della macchia focale. Con alte energie di fotoni, oltre 1 MV, diventa impossibile utilizzare le stesse tecniche per via della poca attenuazione che gli strumenti tradizionali offrono alle alte energie e/o per la complessità di costruzione degli acceleratori. Per esempio risulta impossibile misurare la macchia focale di un acceleratore senza rimuovere il collimatore. Nel seguito del lavoro verranno illustrati due sistemi indipendenti tra loro per la misura della energia delle radiazioni elettromagnetiche e per la misura della macchia focale degli acceleratori lineari. Si noterà come, pur essendo due sistemi ideati per le alte energie ed in particolare per gli acceleratori lineari (LINAC), entrambi i sistemi possano essere utilizzati per una qualsiasi macchina/tubo radiogeno. LA MISURA DELLA ENERGIA IL SISTEMA EDOS_X Il sistema EDOS_X, progettato e realizzato dal Dott. Slawomir Wronka del The Andrzej Soltan Institute for Nuclear Studies -Otwock-Świerk-(PL) è costituito da 5 sottogruppi/componenti: 1. Rivelatore 2. Sistema di misura e trasferimento dati 3. Connessione USB 4. Cavi per segnali e alimentazione (massimo 30 m) 5. PC con software dedicato per analisi dei dati/risultati Il rivelatore è costituito da un blocco di materiale del quale si conosce molto bene il potere attenuante. Viene equipaggiato con due cristalli scintillatori, collocati a distanze ben definite. La luce emessa da ogni cristallo viene letta da due fotodiodi. Quando la radiazione elettromagnetica in arrivo viene rilevata, i segnali da ogni fotodiodo vengono inviati al sistema di misura e trasferimento dati e amplificati. I dati, suddivisi in finestre temporali di 100 µs, vengono salvati ed inviati al PC per l analisi. Il software rileva le energie sulla base delle attenuazioni subite dalla radiazione incidente e ne fornisce l informazione sotto forma di grafico. Grazie ai tempi di integrazione molto rapidi (100µs) è possibile analizzare ogni singolo impulso emesso dall acceleratore lineare. Sullo schermo del PC la misura dell energia della radiazione viene rappresentata come un istogramma ed è facilmente visibile. A destra dello schermo vengono visualizzate due barre che corrispondono alla intensità dei segnali ricevuti dai due fotodiodi. La schermata di acquisizione contiene anche le informazioni riguardanti il numero di impulsi rilevati nel corso della misura (è così possibile verificare la Pulse Repetition Frequency dell acceleratore), il tempo di acquisizione ed il calcolo della dose ricevuta. Con i dati ricavati nel corso della misura è anche possibile avere delle informazioni grafiche su:

3 Stabilità dell energia nel tempo Stabilità del rateo di dose nel tempo Stabilità della PRF nel tempo Importante caratteristica di EDOS_X è la possibilità di verificare, in una sola esposizione, entrambe le energie dei sistemi interlaced cioè dei sistemi che utilizzano contemporaneamente due energie (tipo i cargo-scanner). Inoltre è possibile apprezzare l instabilità iniziale dell acceleratore ed il tempo necessario per essere a regime. Figura 1 rappresentazione schematica del sistema EDOS_X e del suo ouput

4 Figura 2 esempi di spettri energetici raccolti con EDOS_X

5 LA MISURA DELLA MACCHIA FOCALE IL SISTEMA SLIT-CAMERA La misura della macchia focale di un acceleratore viene, normalmente, effettuata presso la casa costruttrice e non è più possibile ripeterla senza rimuovere almeno il collimatore principale della macchina,operazione piuttosto impegnativa che richiede personale tecnico specializzato. Quindi un grande dispendio di ore e di denaro. Il sistema SLIT-CAMERA progettato e realizzato dal Dott. Slawomir Wronka del The Andrzej Soltan Institute for Nuclear Studies -Otwock-Świerk-(PL) permette, invece, la misura delle dimensioni della macchia focale degli acceleratori con poche semplici operazioni senza rimuovere nessuna parte dell acceleratore o dei suoi sistemi.

6 Lo studio teorico del sistema è stato già oggetto di alcune pubblicazioni scientifiche, si ricorda ad esempio: Evaluation of a beam-spot camera for megavoltage X rays di Wendell et all. pubblicata su Medical Physics del Luglio/Agosto La radiazione X, esattamente come la luce, si diffonde secondo un angolo solido a forma di cono con il vertice nel fuoco. Se ci si pone sull asse del fuoco, sarà possibile raccogliere la componente direttamente emessa lungo lo stesso asse, se si potranno schermare tutte le altre componenti della radiazione provenienti dalla diffusione. Per questo si costruisce il nucleo della SLIT-CAMERA con dei sottili fogli di piombo o di acciaio o tungsteno, di spessore conosciuto e costante, intercalandoli con fogli di carta o di balsa o di altro materiale a bassa densità. Questo nucleo, posto sull asse dell acceleratore, filtrerà con il piombo tutte le componenti della radiazione che non siano parallele all asse stesso. Queste componenti potranno passare, attraverso il materiale a bassa densità e potranno impressionare una lastra posta dalla parte opposta della SLIT-CAMERA. Si otterrà così un immagine composta da una serie di righe alternate chiare e scure. Ruotando il nucleo della camera di 90 si potrà acquisire una seconda immagine che sovrapposta alla prima permetterà di avere una immagine globale della macchia focale alla distanza Y 1 a cui si è effettuata la misura. Per misurare la macchia focale nella posizione Y 1 sarà sufficiente contare le righe lasciate dal Piombo e moltiplicarle per lo spessore della singola lastra di piombo per ognuno degli assi (X e Y). Successivamente si ripeterà la doppia esposizione ad una distanza diversa, detta Y 2, sempre lungo l asse del centro del fascio. Si otterrà così una seconda misura delle dimensioni della macchia focale. Ora, applicando banalmente le formule delle rette passanti per due punti, si potranno calcolare le reali dimensioni della macchia focale secondo la relazione: Dove: Y Y 1 X - X = Y 2 Y 1 X 2 - X 1 Y e X sono le dimensioni originali della macchia focale lungo i due assi Y 1 e X 1 sono le dimensioni della macchia focale misurate nel punto 1 Y 2 e X 2 sono le dimensioni della macchia focale misurate nel punto 2

7 Figura 3 rappresentazione della SLIT-CAMERA Figura 4 rappresentazione schematica del funzionamento della SLIT-CAMERA

8 Figura 5 esempio di lastra ottenuta con la SLIT-CAMERA Un particolare ringraziamento è dovuto al Dott. Slawomir Wronca del The Anderzej Soltan Institute che per primo ha analizzato questa esigenza provvedendo poi a realizzare il prototipo per implementare lo studio e senza il quale non sarebbe stato possibile presentare questo lavoro.

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