Questo lavoro è finalizzato alla progettazione di un collimatore per l’irraggiamento dei materiali mediante l’utilizzo di sorgenti neutroniche compatte. Il dominio di applicazione dell'irraggiamento neutronico è molto ampio (analisi di attivazione, produzione di radioisotopi, studio della struttura dei materiali: dai cristalli ai tessuti biologici, ecc.) e l’utilizzo di sorgenti compatte per tali scopi è fondamentale per il progetto LINCER che prevede la realizzazione di un “Laboratorio per la caratterizzazione di Irradiatori Neutronici Compatti in Emilia Romagna” presso il centro ricerche ENEA Brasimone (BO). Un'ambiziosa applicazione per tali sorgenti è rappresentata dalla Neutron Capture Therapy (NCT) finalizzata alla radioterapia oncologica: rispetto agli altri ambiti di applicazione, la NCT richiede flussi molto elevati (108 cm-2 s-1) per limitare il tempo di irraggiamento del paziente sottoposto a trattamento radioterapeutico. Nell’ambito della collaborazione con Theranosti Centre Srl (TC) sono stati analizzati due possibili sistemi per l’irraggiamento di tumori superficiali solidi con la tecnica intraoperatoria in cui sono previsti tempi di trattamento 1020 minuti. Lo studio è stato condotto mediante il codice Monte Carlo MCNP6.1 a partire dagli schemi di progettazione di due sorgenti innovative compatte (fornite da TC) basate sulla reazione di fusione deterio-deuterio (DD) che produce neutroni di 2.45 MeV. Gli ioni deuterio vengono accelerati su un target di titanio in un tubo a vuoto di dimensioni molto ridotte (15 cm di diametro esterno) producendo neutroni ad elevata intensità (o yield): 3.0 1010 n s-1 a 400 kV-10 mA e 3.3 109 n s-1 a 100 kV-10 mA di potenza degli ioni. Le simulazioni MCNP hanno permesso di dimensionare gli schermi ed il collimatore da cui viene estratto il fascio per l’irraggiamento, valutando in modo accurato i livelli di flusso (neutronico e gamma) e di dose in un tessuto biologico posto di fronte alla finestra di uscita dei rispettivi collimatori. In particolare, sono state eseguite delle analisi parametriche finalizzate al design di due collimatori neutronici da adattare alle sorgenti a 400 kV e 100 kV: i risultati dimostrano che per ottenere livelli di dose di 12.6 Sv (tipici per applicazioni NCT) è sufficiente un tempo di irraggiamento 10 minuti con entrambi i sistemi. La sorgente a 100 kV presenta, oltre al minor costo, minori vincoli tecnologici e di certificazione nell'ottica del suo utilizzo in una sala operatoria: l’intero sistema (formato da sorgente, collimatore e schermaggi) risulta essere molto compatto (30 cm di diametro) e quindi adatto ad essere manovrabile con un braccio robotico.

Parametric MCNP analyses to address the design of a neutron collimator for high-flux compact DD sources to be used in cancer radiotherapy

Massimo Sarotto
2021

Abstract

Questo lavoro è finalizzato alla progettazione di un collimatore per l’irraggiamento dei materiali mediante l’utilizzo di sorgenti neutroniche compatte. Il dominio di applicazione dell'irraggiamento neutronico è molto ampio (analisi di attivazione, produzione di radioisotopi, studio della struttura dei materiali: dai cristalli ai tessuti biologici, ecc.) e l’utilizzo di sorgenti compatte per tali scopi è fondamentale per il progetto LINCER che prevede la realizzazione di un “Laboratorio per la caratterizzazione di Irradiatori Neutronici Compatti in Emilia Romagna” presso il centro ricerche ENEA Brasimone (BO). Un'ambiziosa applicazione per tali sorgenti è rappresentata dalla Neutron Capture Therapy (NCT) finalizzata alla radioterapia oncologica: rispetto agli altri ambiti di applicazione, la NCT richiede flussi molto elevati (108 cm-2 s-1) per limitare il tempo di irraggiamento del paziente sottoposto a trattamento radioterapeutico. Nell’ambito della collaborazione con Theranosti Centre Srl (TC) sono stati analizzati due possibili sistemi per l’irraggiamento di tumori superficiali solidi con la tecnica intraoperatoria in cui sono previsti tempi di trattamento 1020 minuti. Lo studio è stato condotto mediante il codice Monte Carlo MCNP6.1 a partire dagli schemi di progettazione di due sorgenti innovative compatte (fornite da TC) basate sulla reazione di fusione deterio-deuterio (DD) che produce neutroni di 2.45 MeV. Gli ioni deuterio vengono accelerati su un target di titanio in un tubo a vuoto di dimensioni molto ridotte (15 cm di diametro esterno) producendo neutroni ad elevata intensità (o yield): 3.0 1010 n s-1 a 400 kV-10 mA e 3.3 109 n s-1 a 100 kV-10 mA di potenza degli ioni. Le simulazioni MCNP hanno permesso di dimensionare gli schermi ed il collimatore da cui viene estratto il fascio per l’irraggiamento, valutando in modo accurato i livelli di flusso (neutronico e gamma) e di dose in un tessuto biologico posto di fronte alla finestra di uscita dei rispettivi collimatori. In particolare, sono state eseguite delle analisi parametriche finalizzate al design di due collimatori neutronici da adattare alle sorgenti a 400 kV e 100 kV: i risultati dimostrano che per ottenere livelli di dose di 12.6 Sv (tipici per applicazioni NCT) è sufficiente un tempo di irraggiamento 10 minuti con entrambi i sistemi. La sorgente a 100 kV presenta, oltre al minor costo, minori vincoli tecnologici e di certificazione nell'ottica del suo utilizzo in una sala operatoria: l’intero sistema (formato da sorgente, collimatore e schermaggi) risulta essere molto compatto (30 cm di diametro) e quindi adatto ad essere manovrabile con un braccio robotico.
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Utilizza questo identificativo per citare o creare un link a questo documento: http://hdl.handle.net/20.500.12079/59641
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