Davide Fontanarosa Torino, 18 aprile 2005

1. 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) Davide Fontanarosa Torino, 18 aprile 2005

2. Che cos’è? • È un toolkit 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++

3. ATLAS Astroparticle and underground physics BaBar HEP and accelerator physics Titanium shell (50 µm) Silver core (250 µm) GLAST 4.5 mm Astrophysics and g ray astronomy Medical physics ZEPLIN III  F.Longo talk Borexino Chi sono gli utenti di ? 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

4. Tutti i dettagli sulla testata all’indirizzo: http://www.ts.infn.it/experiments/bnct/INFN/Roma_24_gennaio_2005.ppt Simulazione della testata dell’acceleratore di elettroni “VARIAN 2100C” Collimatore primario. Materiale: Piombo. Fascio di elettroni da 15 MeV di 1 mm di diametro Target. Materiale: Tungsteno. Hardening filter. Materiale: Piombo Flattening filter. Materiale: Acciaio Collimatori secondari (“JAWS”). Materiale: Tungsteno.

5. Simulazione fantoccio Laplaciano Simulazione Misure Ospedale Maggiore

6. Confronto con la letteratura “In-phantom dosimetry and spectrometry of photoneutrons from an 18 MV linear accelerator”, d’Errico et al., 1997 Simulazione Geant4 Varian 2100C – 15 MeV A C B D A/B =3.46 C/D =3.30

7. Testata: acceleratore Varian 2100C Il fotoconvertitore - moderatore Le componenti Raffreddamento D2O Nucleo in W

8. Schermatura nucleo in Pb Le componenti 2 Moderazione in D2O Moderazione in C Moderazione in D2O vicino al paziente – belt in C – cavità paziente coibentata con 1 mm Pb

9. IlPERCORSO: alcune delle configurazioni intermedie Simulazioni compiute con 106 eventi Più D2O, più Pb, paziente allontanato, buchi diametro maggiore Simulazioni compiute con 107 eventi Il percorso completo è disponibile all’indirizzo: http://www.ts.infn.it/experiments/bnct/INFN/PhoNeS_History.ppt

10. Lo spettro della configurazione definitiva Totale: 9110 Termici: 91% (8290) Epitermici: 7.6% (693) Fast: 1.4% (127)

11. Lo spettro della configurazione definitiva: errori L’errore è calcolato come sqrt(N)

12. Dimensioni dell’apparato Schermatura lato paziente Paziente avvicinato Schermatura anteriore Belt ridotta 3 cm 9 cm 130 cm 35 cm 55 cm 60 cm 130 cm Buchi diametro 10 cm 99 cm

13. La configurazione è ottimizzata? Muro anteriore D2O INTERA belt D2O Cavità paziente traguardata

14. La radioprotezione Schermi alternati di Litio, Piombo e Boro Immersione totale del nucleo in D2O, circondato completamente con Pb a sua volta circondato da C

15. La radioprotezione:i fotoni Senza schermature Schermatura anteriore Schermatura anteriore e lato paziente aumentata Schermatura anteriore e lato paziente

16. La radioprotezione:i neutroni Senza schermature Schermatura anteriore Schermatura anteriore e lato paziente aumentata

17. Produzione di fotoni all’interno del tessuto umano Picco 2 MeV cattura H

18. L’apparato: il peso • 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 Kg • Shield n(B) 156.25 Kg • Shield fotoni 192.76 Kg • Shield n fast(Li) 36.28 Kg • Schermi laterali: • Shield n(B) 20.21 Kg • Shield fotoni 306.29 Kg • Shield 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 ridurre ulteriormente?

19. PhoNeS RR (“redux rebuilt”) PhoNeS redux rebuilt

20. PhoNeS RR: il peso • 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 Kg • centrale 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

21. PhoNeS RR: gli spettri PhoNeS redux rebuilt Simulazioni compiute con 107 eventi

22. PhoNeS RR: neutroni “recuperati” con il moderatore PhoNeS redux rebuilt: i neutroni recuperati con il moderatore! Simulazioni compiute con 107 eventi

23. 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