Gli Aspetti Tecnologici dell Adroterapia

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1 Gli Aspetti Tecnologici dell Adroterapia Parte 2 Marco Pullia Fondazione CNAO Corso teorico-pratico sull adroterapia: l alta tecnologia applicata alla clinica CNAO, Pavia, Maggio 2013

2 Perchè un acceleratore Varie applicazioni pratiche: analisi di materiali, analisi di superfici, sterilizzazione di materiali, impiantazione di ioni, produzione di radioisotopi, Ovviamente applicazioni mediche, Ovviamente per ricerca di base E infine...

3 ... Dimostrazioni spettacolari Perchè un acceleratore

4 Acceleratori elettrostatici Energia guadagnata K = q V Unità di misura impiegata ev (kev, MeV, GeV, TeV)

5 Il generatore di bassa tensione (A) è collegato per riscaldare il catodo (C). La batteria (B) eccita l'anodo (P). La piccola lastra che funge da maschera (M) è collegata al catodo e la sua immagine crea un'ombra sullo schermo fosforescente. Il tubo di Crookes (fine 800)

6 Il tubo catodico

7 Roentgen e i raggi X Raggi X prodotti per brehmsstrahlung "Su un nuovo tipo di raggi: una comunicazione preliminare, 1895

8 Cockroft-Walton(1932) La capacità C1 si carica attraverso il raddrizzatore fino al momento in cui il potenziale A1 non scende sotto lo 0. Poiché 2Vo è la variazione ai capi del trasformatore di alimentazione, il potenziale in A1 varia dunque da 0 a 2Vo. Allo stesso modo C2 si caricherà attraverso il secondo raddrizzatore finché il potenziale in A2 resta superiore a 2Vo. Poiché il potenziale in Ao è costante (ed uguale a 0), quello in A2 sarà anch'esso costante ed uguale a 2Vo. Il ragionamento si ripete passo passo e la tensione di un generatore di N fasi composto di 2N condensatori e di 2N raddrizzatori ideali sarà dunque uguale a 2N Vo.

9 Il Tandem INFN-LNL Use the accelerating voltage twice. First an extra electron is attached to the neutral atoms to create negative ions. The negative ion beam is injected at ground potential into the Tandem and accelerated up to the highvoltage terminal where it passes through a thin foil which strips at least two electrons from each negative ion converting them to positive ions. They are then accelerated a second time back to earth potential.

10 LINACs vs Circular machines

11 Acceleratori elettrostatici Limiti di campo elettrico ~ 10 MV/m -4V rispetto a terra

12 Acceleratori circolari Il campo elettrostatico è conservativo, quindi un acceleratore circolare elettrostatico NON FUNZIONA

13 Oltre l accelerazione DC Accelerazione elettrostatica Accelerazione risonante 1924 Ising proposes time-varying fields across drift tubes. This is "resonant acceleration", which can achieve energies above that given by the highest voltage in the system Wideröe demonstrates Ising's principle with a 1 MHz, 25 kv oscillator to make 50 kev potassium ions.

14 Il lineare di Wideröe Le particelle sono accelerate nello spazio tra un tubo e l altro e sono schermate all interno dei tubi I tubi si allungano con la velocità della particella

15 Il ciclotrone di Lawrence (1932) It was less than a foot in diameter and could accelerate protons to 1.25 MeV

16 Courtesy of L. Calabretta

17 Limite del ciclotrone Funziona solo finchè il periodo di rivoluzione è costante, γ ~ 1.

18 Sincrociclotrone si modula opportunamente la frequenza per rimanere in fase col passaggio delle particelle con energia (inerzia) maggiore Sincrociclotrone di Berkeley

19 Il sincrotrone (McMillan 1944) ~ Nella vecchia idea dell acceleratore circolare, sostituisco il potenziale statico con un campo a RadioFrequenza (RF). Per mantenere le particelle sulla stessa orbita circolare, B deve aumentare quando aumenta l energia. Inoltre deve esserci sincronismo tra particelle e campo accelerante. ω RF = h ω rev

20 The synchrotron Dipoles (bending) Quadrupoles (focusing) RF Cavity (for beam acceleration) R = const E B F

21 Sextupoles for Chromaticity control and resonance excitation Quadrupoles For Focusing Dipoles For Bending Magnets

22 (Cortesia di GSI) Tecnica di irraggiamento sistema attivo Molti voxel: spill lungo Necessità di cambiare energia 4 (Cortesia Aprile 2008 di Siemens Medical)

23 Our choice: Synchrotron with slow extraction Range 3-27 g/cm 2 2Gy/l in 2 min Slow extraction Betatron core

24 Design Parameters I Protons (10 10 /spill) Range mm in acqua LEBT (*) MEBT SYNC HEBT Energy [MeV/u] Imax [A] (0.65, 0.45) Imin [A] (0.65, 0.45) ε rms,geo [π mm mrad] (V) ε 90,geo [π mm mrad] (V) 5.0 (H) Magnetic rigidity [T m] (0.026) ( p/p) tot ±1.0 ±( ) ±( ) ±( ) * (H 2+, H 3+ )

25 Design Parameters II Carbon ( C/spill) Range mm in acqua LEBT (C 4+ ) MEBT SYNC HEBT Energy [MeV/u] Imax [A] Imin [A] ε rms,geo [π mm mrad] (V) ε 90,geo [π mm mrad] (V) 5.0 (H) Magnetic rigidity [T m] ( p/p) tot ±1.0 ±( ) ±( ) ±( )

26 Sources ECR, always on 0 S1 S8 S GAS + RF -> Plasma Source potential: 24kV Many ion species and charge states. I tot = 250 µa I 180π = 85% I tot

27 LEBT MeV/u H MeV/u C 4+ I ~ 0.7 ma (H 3+ ) I ~ 0.2 ma (C 4+ ) Two sources Continuous beam LEBT Chopper

28 RFQ-LINAC 217 MHz RFQ MeV/u H MeV/u C 4+ LINAC MeV/u H MeV/u C 4+ Pulse for temperature

29 LINAC Triplets RFQ+IH structures, compact (6.2 m) Final energy 7 MeV/u

30 MEBT 7 MeV p 7 MeV/u C 6+ I ~ 0.7 ma (p) I ~ 0.15 ma (C 6+ ) (x,x ) Inj Stripping foil Current selection Debuncher Emittance dilution

31 Synchrotron MeV p MeV/u C I ~ ma (p) I ~ ma (C) Slow extraction

32 B min B inj B ext B max Magnets cycle

33 Machine cycle 5 s 1 s Sync 5 min Extraction lines Injection lines 10 s Extracted beam

34 Machine Cycle 34 B max B extr B min B inj Inj bumper on Multiturn Rf trapping Acceleration Rf jump Rf off Start betatron Stop betatron Start hysterestis End cycle

35 Estrazione Bisogna distribuire il fascio sul tumore Il fascio in macchina è un pacchetto che dura meno di 1 µs ( s) Come se avessimo una mela da distribuire su un percorso di 100 m

36 Il fascio bisogna sbucciarlo Fascio Setto elettrostatico

37 Pushes the beam against the unstable region Betatron core

38 Empty bucket E Amplitude Resonance region Resonance line for low betatron amplitudes Sense of stack acceleration Resonance line for high betatron amplitudes PHASE

39 Air core quadrupole

40 Ripple compensation Sampling frequency 10 khz 100 ms No compensation Empty bucket+hfri Empty bucket Empty bucket + ACQ feedback

41 HEBT MeV p MeV/u C p/spill (~2nA) C/spill (~0.4nA) different settings for Treatment Line Horizontal beam size Vertical beam size Extraction energy

42 Chopper Fast turn on/off for the beam Intrinsically safe Allows beam qualification The chopper stops (and starts) the beam within 200 µs. Used for irradiation of separated parts of slices and for synchronization with breathing.

43 Chopper The chopper stops (and starts) the beam within 200 µs. Beam in room Used for irradiation of separated parts of slices and for synchronization with breathing. 200 µs Beam on chopper dump Acquisition frequency 10 khz

44 Beam delivery scanning control Box 1 Box 2 1 Integral chamber: Beam Intensity measure every 1 µs 2 Strip chambers (X and Y): Beam position measure every 100 µs, with 100 µm of precision 1 Integral chamber: Beam Intensity measure every 1 µs 1 Pixel chamber: Beam position and dimension measure every 100 µs/1 ms, with 200 µm of precision

45 Giordanengo et al.,nim A613 Dose delivery

46 First scannings

47 Radiochromic film Artistic use of the beam

48 Finally we are in the treatment room

49 where the beam is handed over to the medical physicists Depth Dose Distributions (mono-en. pencil beams) Peakfinder water column 3-D motorized water ph.

50 That s all,folks Thank you for your attention M. Pullia - Improving ion gantries - PTCOG 48 50