Neutron dOsimetry and Radiation quality Measurements by ESR and Tl (NORMET)

1
Neutron dOsimetry and Radiation quality
Measurements by ESR and Tl (NORMET)
Durata proposta 3 anni (2012-2014) Sezioni
Catania (M. Marrale)
Padova (M. Brustolon) Pavia (A.
Buttafava) Responsabile nazionale Maurizio
Marrale (CT)
Scopo della ricerca Implementazione di un
sistema dosimetrico tramite ESR e TL per la
caratterizzazione delle varie componenti di campi
misti in Nuclear Capture Therapy (NCT)
2
Interesse Gruppo V INFN per NCT

• TAORMINA (Trattamento Avanzato ORgani Mediante
  Irraggiamento Neutronico e Autotrapianto)
• WIDEST (WIDE Spread Tumours bnct) iniziato nel
  2005 ha lo scopo di studiare la fattibilità del
  trattamento BNCT dei tumori polmonari.
• NEUDOS si pone lobiettivo di sviluppare
  dosimetri gel tridimensionali, con capacità cioè
  di dare informazioni tridimensionali di dose
  assorbita per fasci neutronici sia in aria sia in
  fantoccio.

3
Interesse Gruppo V INFN per NCT

• SPES-BNCT ha lobiettivo di costruire una
  sorgente neutronica avente unintensità di circa
  1014 s-1, con neutroni di 1.2 MeV di energia
  media, a partire da un fascio di protoni di 5 MeV
  di energia e 30 mA di corrente incidenti su un
  bersaglio di berillio.
• NOE (NCT di organi espiantati)
• PHONES (PHOto NEutron Source)
• etc.

4
Obiettivi del progetto

• 1. Implementazione di un sistema dosimetrico
  ESR e TL in grado di fornire informazioni sulle
  varie componenti di campi misti di radiazione
  solitamente utilizzate in NCT (Nuclear Capture
  Therapy).
• 2. Sviluppo di tecniche sperimentali con ESR
  in regime pulsato in grado di fornire
  informazioni di carattere microdosimetrico sulla
  qualità della radiazione di fasci di radiazioni
  per NCT.

5
1 obiettivo del progetto proposto
Implementare un sistema dosimetrico tramite ESR
che permetta di caratterizzare un campo misto
fotoni-neutroni, e in particolare
i. permetta di discriminare la componente
neutronica dalla componente gamma
ii. fornisca informazioni energetiche
sul campo neutronico. I risultati
ottenuti verranno confrontati con studi
effettuati su dosimetri a termoluminescenza
6
Perché ESR e TL?

• Possibilità di produrre dosimetri di piccole
  dimensioni che permettono un'elevata risoluzione
  spaziale nella caratterizzazione del fascio.
• Possibilità di effettuare dosimetria in vivo per
  misure della dose effettivamente rilasciata al
  paziente.
• Basso costo dei singoli dosimetri e dei film.
• Possibilità di riutilizzo dei campioni per
  dosimetria TL.
• Possibilità di seguire un'intero trattamento
  radioterapico per dosimetri EPR.

7
Materiali dosimetrici organici solitamente
utilizzati per dosimetria ESR non sono adatti per
NCT a causa della loro scarsa sensibilita' ai
neutroni.
8
1 obiettivo del progetto proposto

• Preparazione di dosimetri pellets e film di
  alanina, di tartrato di ammonio ma anche altri
  composti organici utili per dosimetria ESR (quali
  il formato di litio) con l'utilizzo di additivi
  ad elevata sezione d'urto per neutroni (quali
  157Gd, 10B) (Sezioni CT, PV).
• Identificazione dei centri responsabili dei
  segnali osservati per una comprensione di tipo
  fondamentale (Sezioni PD,PV).
• Studio delle proprietà dosimetriche di base
  (stabilità del segnale, minima dose rivelabile)
  per fasci di fotoni e campi misti (Sezioni CT,
  PV).
• Studio per la possibilità di costruire pellicole
  dosimetriche per mappare le varie componenti in
  campi misti (Sezioni CT, PV).

9
1 obiettivo del progetto proposto

• Sviluppo di metodi di calcolo per la separazione
  dei segnali ESR radioindotti da diverse
  componenti in campi misti. (Sezioni CT, PD).
• Analisi della risposta di dosimetri a
  termoluminescenza (quali TLD600 e TLD700) e
  confronto delle loro caratteristiche dosimetriche
  con quelle dei dosimetri ESR. (Sezioni CT).
• Simulazioni Monte Carlo per la modellizzazione
  della risposta ESR e TL dei dosimetri (Sezioni
  CT).

10
Facilities di irraggiamento

• IRRAGGIAMENTO A GAMMA
• PALERMO IRRADIATORE GAMMA (UNIPA)
• PAVIA IRRADIATORE GAMMA (Sez. PV)
• IRRAGGIAMENTO A NEUTRONI
• PALERMO REATTORE AGN-201 (UNIPA)
• PAVIA REATTORE LENA (UNIPV, S. ALTIERI)

11
Precedente esperienza gruppo di Palermo
COMPOSTO ORGANICO UTILIZZATO ALANINA
SPETTRO ESR
FORMULA DI STRUTTURA
12
CALIBRAZIONE A NEUTRONI TERMICI - ALANINA
(50)
(50)
Gd sensitivity improvement 30
M. MARRALE et al. Radiat. Prot. Dosim. (2007)
10B sensitivity improvement 12
13
Risposta in funzione della concentrazione di
gadolinio
M. MARRALE et al. Radiat. Meas. 43,
471-475 (2008)
14
2 obiettivo del progetto proposto

• Misure di qualità della radiazione attraverso uno
  studio della distribuzione spaziale dei radicali
  liberi prodotti dalle radiazioni ionizzanti
  (Sezioni PD, CT).
• Analisi della concentrazione locale di radicali
  liberi prodotti dalla radiazione ionizzante
  attraverso l'analisi dei decadimenti dell'eco EPR
  con strumentazione in regime pulsata (Sezioni PD,
  CT).
• Analisi della distribuzione delle distanze tra
  radicali liberi investigate attraverso la tecnica
  Double Electron-Electron Resonance (Sezioni PD,
  CT).
• Determinazione della sensibilità e dei limiti di
  rivelazione di queste tecniche per fasci di
  fotoni e campi misti (Sezioni PD, CT).
• Modellizzazione computazionale della
  distribuzione di radicali prodotti da campi misti
  (Sezioni PD, CT)

15
Irraggiamenti
Precedente esperienza gruppi di Palermo e Padova

• 60Co ?-photons
• doses 0.1, 1.0 and 5.0 kGy
• effective LET 0.35 keV/?m
• 19.3 MeV protons
• doses 0.1, 1.0 and 5.0 kGy
• LET 4.6 keV/?m
• Thermal neutrons
• doses 0.05 kGy
• effective LET 70 keV/?m

16
Free radicals distributions for radiations with
various LETs
Small local concentration of free radicals
Low LET radiation
electrons
High LET radiation
High local concentration of free radicals
17
Two pulses ESR echo decay analysis
AT exposed to 5kGy of gamma photons.
Measurement of Tm (phase memory time)
18
Local microscopic concentration of free radicals
High LET radiations (protons and thermal
neutrons) are characterized by larger ratio
Cmicroscopic/Cmacroscopic values than low LET
radiations.
M. Marrale, M. Brai, A. Barbon, M. Brustolon
Radiat. Res. 2009
19
Double Electron-Electron Resonance (DEER)
? pump
? detection
20
Distance distributions of free radicals
The distance distributions for dosimeters of AT
exposed to gamma photons (red curve) exposed to
thermal neutrons are similar to the simulation
with isotropic 3D distribution of spins.
The distance distribution for dosimeters exposed
to protons (blue curve) shows a peak which is
related to the size of the track of these heavy
charged particles.
M. Marrale, M. Brai, A. Barbon, M. Brustolon
Radiat. Res. 2009
21
Free radicals distributions assumed for
simulations
19.3 MeV Protons
60Co ?-photons
22
Anagrafica
CT PD PV
Brai Maria 50 A. Barbon 40 A. Buttafava 70
Bartolotta Antonio 50 A. Brustolon 30 D. Dondi 50
Basile Salvatore 50 A. Zoleo 30 A. Zeffiro 20
Carlino Antonio 100
Longo Anna 100
Marrale Maurizio 70
Tomarchio Elio 50
Tranchina Luigi 50
T.E.5.2 T.E.1.0 T.E.1.4
23
Preventivo di spesa 2012 (k)
24
Preventivo di spesa globale
Preventivo di spesa globale progetto 184 keuro
Capitolo Descrizione spesa 2012 2013 2014 Totale
Interno Riunioni con partner progetto e congressi in Italia 14 14 14 42
Estero Partecipazioni a congressi internazionali estero 8 8 8 24
Consumo Materiale preparazione campioni EPR/TL 25 25 25 75
Materiale inventariabile Si veda la trasparenza precedente 40 0 0 40

Totale 87 47 47 181