Davide Fontanarosa Torino, 18 aprile 2005

• Simulazione con Geant4 di un prototipo per la fotoconversione neutronica a partire da elettroni da 25 MeV da acceleratore ospedaliero e successiva moderazione, per BNCT (Boron Neutron Capture Therapy) nell’ambito del progetto PhoNeS (Photon Neutron Source)

Che cos’è ?

• È un È un toolkittoolkit per la simulazione dell’interazione delle particelle con la materia

• È un esperimento di produzione, distribuzione e gestione software, con una Collaborazione Internazionale e la partecipazione di vari esperimenti, laboratori e istituti

• È stato creato utilizzando una programmazione rigorosa e tecnologie Object Oriented, implementate nel flessibile linguaggio C++

Titanium shell (50 µm)

Silver core (250 µm)

4.5 mm

Medical physics

Chi sono gli utenti di ?

Borexino

Astroparticle and underground physics

ZEPLIN III ATLAS

BaBar

HEP and accelerator physics

Astrophysics andray astronomyGLAST F.Longo talk

La flessibilità di Geant4 e la disponibilità di molti modelli fisici lo rendono uno strumento largamente usato in campi tra loro estremamente differenti

http://geant4.web.cern.ch/geant4/urd

Simulazione della testata dell’acceleratore di elettroni “VARIAN 2100C”

Collimatori secondari (“JAWS”). Materiale: Tungsteno.

Flattening filter. Materiale: Acciaio

Collimatore primario. Materiale: Piombo.

Target. Materiale: Tungsteno. Hardening

filter. Materiale: Piombo

Fascio di elettroni da 15 MeV di 1 mm di diametro

Tutti i dettagli sulla testata all’indirizzo: http://www.ts.infn.it/experiments/bnct/INFN/Roma_24_gennaio_2005.ppt

Simulazione fantoccio Laplaciano

Misure Ospedale Maggiore

Simulazione

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31

“In-phantom dosimetry and spectrometry of photoneutrons from an 18 MVlinear accelerator”, d’Errico et al., 1997

A

B

C

D

A/B = 3.46C/D = 3.30

Simulazione Geant4 Varian 2100C – 15 MeV

Confronto con la letteratura

Le componenti

Testata: acceleratore Varian 2100C

Nucleo in W

Raffreddamento D2O

Il fotoconvertitore - moderatore

Le componenti 2

Schermatura nucleo in Pb

Moderazione in D2O

Moderazione in C

Moderazione in D2O vicino al paziente –

belt in C – cavità paziente coibentata con

1 mm Pb

-10 -8 -6 -4 -2 0

10

100

1000

Jaws interne no target

Log(Energia/MeV)-10 -8 -6 -4 -2 0 2

1

10

100

Testata in modalità elettroni con cavità coibentata

Log(Energia/MeV)

-10 -8 -6 -4 -2 0 2

1

10

100

Testata laterale in modalità elettronicon cavità coibentata con 5 cm di Pb

Log(Energia/MeV)

-10 -8 -6 -4 -2 0

10

100

1000

Moderatore Laterale coibentazione anteriore completa 5 cm Pb coibentazione cavitàpaziente 1 mm

Log(Energia/MeV)

-10 -8 -6 -4 -2 0

1

10

100

1000

Nucleo W

Log(Energia/MeV)-10 -8 -6 -4 -2 0

10

100

1000

Log(Energia/MeV)

Simulazioni compiute con 107 eventi

Simulazioni compiute con 106 eventi

Più D2O, più Pb, paziente allontanato, buchi diametro maggiore

Il percorso completo è disponibile all’indirizzo: http://www.ts.infn.it/experiments/bnct/INFN/PhoNeS_History.ppt

Il PERCORSO: alcune delle configurazioni intermedie

-10 -8 -6 -4 -2 0

10

100

1000

Log(Energia/MeV)

Termici:91% (8290) Epitermici:

7.6% (693)Fast:1.4% (127)

Totale:9110

Lo spettro della configurazione definitiva

-10 -8 -6 -4 -2 0 2

10

100

1000 Anello D2O maggiorato - targ2 D2O -paziente allontanato

Neutroni Fotoni

Log(Energia/MeV)

L’errore è calcolato come sqrt(N)

Lo spettro della configurazione definitiva: errori

55 cm

130 cm

130 cm

35 cm

Belt ridotta

9 cm3 cm

Paziente avvicinato

Schermatura lato paziente

Schermatura anteriore

Buchi diametro

10 cm

60 cm

99 cm

Dimensioni dell’apparato

-10 -8 -6 -4 -2 0 2

10

100

1000

full D2O

Log(Energia/MeV)

-8 -6 -4 -2 01

10

100

1000

belt D2O

Log(Energia/MeV)

-10 -8 -6 -4 -2 0

10

100

1000

Log(Energia/MeV)

Muro anteriore D2O

INTERA belt D2O

Cavità paziente traguardata

La configurazione è ottimizzata?

Schermi alternati di

Litio, Piombo e Boro

Immersione totale del nucleo in D2O, circondato completamente con Pb a

sua volta circondato da C

La radioprotezione

-60-40

-200

2040

60

-60-40

-20020

4060

0

20

40

60

80

fotoni

-60-40

-20

0

20

40

60-60-40-200204060

0

20

40

60

80

100

Fotoni

Schermatura anteriore e lato paziente

Senza schermature

-40-20

020

4060

-30-20

-10010

2030

40

0

20

40

60

80

fotoniSchermatura anteriore e lato paziente aumentata

-30-20

-100

1020

3040

5060

-10

0

10

20

30

40

50

60

70

-60

-40-20

020

40

fotoni

Schermatura anteriore

La radioprotezione:i fotoni

-60-40

-200

20

40

60-60-40

-200

204060

0

20

40

60

80

100

Neutroni

-60-40

-200

2040

60-60-40

-200

2040

600

20

40

60

80

neutroni

-60-40

-200

2040

60

-60-40

-20020

4060

0

20

40

60

80

neutroni

Senza schermature Schermatura anteriore

Schermatura anteriore e lato paziente aumentata

La radioprotezione:i neutroni

-2 0 20

100

200

300

4 cm all'interno del tessuto

Log(Energia/MeV)

-2 0 20

50

100

150

200

250

300

fotoni soppressi

Log(Energia/MeV)

Picco 2 MeV cattura H

Produzione di fotoni all’interno del tessuto umano

• Nucleo W: 3.2 Kg• Raffreddamento D2O: 2.92 Kg• Schermatura nucleo Pb: 331.42 Kg• Moderatore C: 718.68 Kg• Moderazione interna D2O: 9.23 Kg• Schermo Pb lato paziente: 177.99 Kg• Schermi anteriori:

Backshield 963.8 KgShield n(B) 156.25 KgShield fotoni 192.76 KgShield n fast(Li) 36.28 Kg

• Schermi laterali:Shield n(B)

20.21 KgShield fotoni

306.29 KgShield n fast(Li)

4.73 Kg• Schermi lato paziente: 129.07 Kg• Belt: 626.29 Kg• Moderazione nella belt D2O: 17.4 Kg• Coibentazione Pb paziente: 12.11 Kg

Totale: 3708.6 Kg

Si possono ridurreulteriormente?

L’apparato: il peso

PhoNeS redux rebuiltPhoNeS RR (“redux rebuilt”)

• Nucleo W: 0.5 Kg• Raffreddamento D2O: 0.09 Kg• Schermatura nucleo Pb: 59.42 Kg• Schermatura nucleo Pb esterna: 109 Kg• Moderatore C:

laterale 143.5 Kgcentrale ca. 10 Kg

• Moderazione interna D2O: 9 Kg• Schermo Pb lato paziente: 25.9 Kg• Schermo Pb anteriore: 103.4 Kg• Belt: 233.67 Kg• Moderazione nella belt D2O: 35.52 Kg• Coibentazione Pb paziente: 12.11 Kg

Totale: 742.11 Kg

PhoNeS RR: il peso

Simulazioni compiute con 107 eventi

PhoNeS redux rebuilt

-8 -6 -4 -2 0 2

10

100

1000 redux rebuilt I configurazione:più D2O meno Pb

Log(Energia/MeV)

-10 -8 -6 -4 -2 0

1

10

100

redux rebuilt II configurazionemeno D2O, più Pb

Log(Energia/MeV)

-8 -6 -4 -2 0 2

1

10

100 RR target nucleo D2O

Log(Energia/MeV)

PhoNeS RR: gli spettri

PhoNeS redux rebuilt: i neutroni recuperati con il moderatore!

Simulazioni compiute con 107 eventi

-10 -8 -6 -4 -2 0

10

100

1000

Moderatore C aggiunto

Log(Energia/MeV)

PhoNeS RR: neutroni “recuperati” con il moderatore

Conclusioni

• Le simulazioni della testata hanno confermato l’affidabilità di Geant4 nel confronto con le misure e, soprattutto, con la letteratura. Inoltre sembrano suggerire un notevole vantaggio nell’utilizzo di elettroni diretti• Nella prima configurazione del fotoconvertitore–moderatore la distribuzione dei neutroni è molto promettente• La moderazione in D2O è stata ottimizzata: un ulteriore aumento della sua presenza non migliora la distribuzione dei neutroni in maniera sensibile• La distribuzione dei fotoni, con la riduzione della zona a bassa energia grazie alla coibentazione della cavità con 1 mm di Pb, sembra essere accettabile, considerando il basso assorbimento e la produzione all’interno del tessuto umano• Il prezzo da pagare per la riduzione del peso è la perdita di una considerevole quantità di neutroni. Una possibile soluzione potrebbe essere la costruzione di un apparato modulare, in cui ognuna delle parti possa essere spostata indipendentemente• In termini di mass budget conviene usare l’acqua pesante (1.11 g/cm^3) al posto del carbonio (2.26 g/cm^3) ma non in termini economici• Una valutazione dell’impatto economico è in corso