Automazione della procedura di acquisizione e analisi dello spettro delle sorgenti del CNAO

In a context in which the incidence of cancer pathologies is heavily increasing all over the world, the research of efficient and non invasive remedies against tumors plays a strongly significant role. Among the developed techniques, hadrontherapy represents a method suitable for treatments of radioresistant and hardly removable tumors. It is a particular kind of radiotherapy that consists of accelerating a hadron beam in a particle accelerator and irradiating it on the target. For this aim protons and in some cases carbon ions are used because of their characteristics of interacting with biological tissues in a very precise way allowing a high ballistic precision and having a high DNA double strand break probability that represents the hardest damage to recover for human cells. Providing these particle beams with the required energy and direction makes possible to inactivate tumor cells leaving nearby tissues almost unchanged. There are only a few tenths of hadrontherapy centres all around the world, four of which have got the possibility of treating patients with either protons or carbon ions; the latter aspect offers several advantages from a clinical point of view. One of these centres is called “Centro Nazionale di Adroterapia Oncologica” (CNAO), situated in Pavia, Italy, and is the only centre of this type on the national territory, in which 250 Mev/u protons and 400 Mev/u carbon ions are accelerated exploiting a synchrotron techonology. The presented thesis work has been conducted at CNAO and the objective was the development through the software LabVIEW produced by National Instruments of a diagnostics element in order to optimize the current method for sources spectra acquisition and analysis. From the ion sources one can extract many ionic species with different charge states, each with a specific magnetic rigidity value Bρ: it is necessary to quantify with great precision all the produced species because it turns out to be fundamental for correct species selection and injection into the accelerating ring. The acquisition process occurs in the first accelerator section, called LEBT (Low Energy Beam Transfer) line, where the beam is radially focused by a solenoid and vertically focused by a quadrupole magnet before entering the magnetic field of a 90° dipole that is a spectrometer and allows to select the desired ions. The dipole magnetic field is linearly varied in order to scan all the beam species. The optimization process included in this thesis consists of simultaneously modifying the focusing devices magnetic fields intensities with the dipole magnetic field intensity for the purpose of providing each ionic specie with a better focusing effect, since it proportionally depends on particles magnetic rigidity. A Faraday cup positioned downward the spectrometer measures the beam current and the collected values are represented in a cartesian diagram as a function of the dipole current or alternatively the magnetic rigidity. The analysis program consequently permits workers to get the information necessary in any spectral analysis. The measuring activities have been carried out on both trasport lines downward the ion sources during non-operational time for not interfering with treatment or maintenance activities of CNAO workers. In particular sources spectra have been acquired and analysed in different operational conditions: • Optimal radial focusing; • Optimal vertical focusing; • Optimal radial and vertical focusing; Moreover emittance measurements have been performed downward the spectrometer in the carbon ions source line in order to study the effect of solenoidal field on beam position and angular divergence. A whole chapter is dedicated to exposition and discussion of obtained results that in first analysis are consistent with what previously expected: the correct execution of the developed software has been verified with regard to both acquisition and analysis; it has been demonstrated that the predominant focusing effect is given by the solenoid and allows to strongly reduce beam losses while the quadrupole only provides a weaker effect. Hence the following work is a starting point for a possible more precise synchrotron sources characterization in the future.

In un contesto nel quale l’incidenza di patologie tumorali nel mondo aumenta repentinamente, la ricerca di cure efficaci e non invasive contro il cancro assume un ruolo sempre più significativo. Tra le varie tecniche sviluppate, l’adroterapia rappresenta una recente tecnica atta a trattare tumori particolarmente radioresistenti e difficilmente rimovibili chirurgicamente. Essa è un particolare tipo di radioterapia che consiste nell’accelerare un fascio di particelle adroniche all’interno di un acceleratore di particelle e irraggiarlo direttamente sul bersaglio malato. Gli adroni utilizzati a questo scopo sono protoni e in alcuni casi ioni carbonio ed hanno la caratteristica di interagire con i tessuti biologici in maniera molto precisa garantendo un’alta precisione balistica e un’elevata probabilità di provocare le rotture doppie della catena del DNA, che rappresentano il danno più difficile da recuperare dal punto di vista dell’autoriparazione cellulare. Fornendo a questi fasci di particelle l’energia e la direzione richieste è possibile inattivare le cellule tumorali lasciando quasi inalterati i tessuti sani circostanti. Nel mondo esistono solo poche decine di centri di adroterapia tra i quali solo quattro hanno la possibilità di effettuare trattamenti con ioni carbonio oltre che con protoni, aspetto che offre notevoli vantaggi dal punto di vista clinico. Uno di questi è il Centro Nazionale di Adroterapia Oncologica (CNAO), situato a Pavia e unico centro di questo tipo presente sul territorio nazionale, nel quale si sfrutta la tecnologia di un sincrotrone in grado di accelerare protoni fino a 250 MeV/u e ioni carbonio fino a 400 MeV/u. Questo lavoro di tesi è stato svolto al CNAO dove lo scopo è quello di sviluppare attraverso il software LabVIEW di National Instruments un elemento di diagnostica finalizzato ad ottimizzare il metodo attualmente presente al centro per l’acquisizione e l’analisi degli spettri di particelle. Dalle sorgenti dell’acceleratore vengono estratti numerosi tipi di specie ioniche con diversi stati di carica, ognuna avente un certo valore di rigidità magnetica Bρ: risulta necessario quantificare con precisione tutte le specie prodotte poiché esso è indispensabile ai fini della corretta selezione della particella da iniettare nell’anello di accelerazione. Il processo di acquisizione avviene nella prima sezione dell’acceleratore, la LEBT (Low Energy Beam Transfer line) dove il fascio dopo essere estratto dalle sorgenti, viene focalizzato radialmente da un solenoide e verticalmente da un quadrupolo prima di entrare nel campo magnetico di un dipolo a 90° che funge da spettrometro e permette di selezionare la specie desiderata. Il campo di dipolo viene fatto variare linearmente per eseguire una scansione di tutte le specie che compongono il fascio. Il processo di ottimizzazione consiste nel modificare simultaneamente l’entità dei campi magnetici dei dispositivi focalizzanti in modo tale da applicare ad ogni particella il focheggiamento migliore, condizione che dipende in maniera proporzionale dalla rigidità magnetica della particella di riferimento. Per quantificare il risultato la corrente in uscita dallo spettrometro viene misurata tramite una Faraday cup e rappresentata su un diagramma cartesiano in funzione della corrente di dipolo. Il programma di analisi consente in seguito agli operatori di ricavare le informazioni necessarie all’analisi spettrale. Le misure sono state effettuate su entrambe le linee di trasporto a valle delle sorgenti in condizioni di fermo macchina per non interferire con le attività di trattamento o di misura e manutenzione del personale CNAO. In particolare sono stati acquisiti ed analizzati spettri in diverse condizioni di focheggiamento: • Focheggiamento radiale ottimale; • Focheggiamento verticale ottimale; • Focheggiamenti radiale e verticale ottimali; Inoltre sono state acquisite delle misure di emittanza all’uscita dello spettrometro sulla linea della sorgente di carbonio per studiare l’effetto del campo solenoidale sulla posizione e sulla divergenza angolare del fascio. Un intero capitolo è dedicato all’esposizione e alla discussione dei risultati ottenuti che in prima analisi si dimostrano coerenti con quanto atteso in precedenza: è stato verificato il corretto funzionamento del software sviluppato per quanto riguarda sia l’acquisizione che l’analisi; è stato dimostrato che l’effetto focalizzante predominante è quello applicato dal solenoide che permette di ridurre notevolmente le perdite di fascio mentre il magnete di quadrupolo fornisce un effetto molto minore. Il lavoro sviluppato si pone dunque come punto di partenza per un’eventuale futura caratterizzazione più precisa delle sorgenti del sincrotrone.