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 l’obiettivo 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 l’obiettivo di costruire una sorgente neutronica avente un’intensità 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 inparticolare: 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. Precedente esperienza gruppi di Palermo e Padova Irraggiamenti • 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 (bluecurve) 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

23. Preventivo di spesa 2012 (k€) Struttura Interno Estero Consumo Materiale Invent. TOTALI CT 8 4 10 10 32 PD 3 2 3 20 28 PV 3 2 12 10 27 TOT 14 8 25 40 87 CONSUMO ESR (CT, PD, PV) Reagenti, spin trap, vetreria EPR, Azoto liquido Luminescenza (CT) Reagenti e filtri preparazione campioni Portacampioni TL Tecniche varie (CT,PV,PD) Reagenti per altre tecniche analitiche e spettroscopiche (gas cromatografia, HPL,etc.) MATERIALE INVENTARIABILE ESR (CT, PD, PV) Cavita' dielettrica ESR in regime pulsato (PD) Cavita' cw-ESR (CT) Estrusore per dosimetri dentro materiali polimerici

24. Preventivo di spesa globale Preventivo di spesa globale progetto: 184 keuro