Attivazione dell'aria in adroterapia e dispersione dei radionuclidi nell'ambiente

The increase hadrontherapy machines for provides the need to study more in depth some aspects of radiation protection linked to the use of these machines. The aims of this work is the study of activation induced in air by particle accelerators use for hadrontherapy, and the subsequent dispersion of radionuclides in the environment. We considered particle beams composed of protons or helium, lithium, carbon or oxygen ions, and the activity of the radionuclides produced was estimated, in particular of 11C, 13N, 15O, and 41Ar with energies of a few hundred MeV /u, typically used in hadrotherapy. For these estimates the Monte Carlo code FLUKA was used. The situation of a free particles beam in air was initially simulated, and the activity of the radionuclides produced for all the particles was estimated. Experiments were carried out in order to validate the data for irradiation with protons and carbon ions. APVC tube was closed at both ends by polyethylene films, and the air inside it was irradiated by the particle beam. The activity produced was measured with a hyperpure germanium detector and, in particular, the peak of the spectrum produced at 511 keV was considered, since the radionuclides under examination are all β + emitters. Data sets were also produced for the cases of particle beam that impact directly on a target made of copper or polyethylene. With these simulations it has been possible to determine the activation of the air produced by secondary radiation, as it takes place when the primary beam impacts against the target or against the metal parts of the machine. These datasets have been produced for all the particles under examination, simulating the impact on different targets placed in the center of rooms of different sizes, in order to study how these variables affect the activation of the air. The influence of the geometry of the simulation in the production of these data was studied, comparing these data with a set specifically adapted for the case of Centro Nazionale di Adroterapia Oncologica (CNAO) with which the activity produced in a year was calculated also considering the energy spectra of accelerated particles. The dispersion in the atmosphere of the induced activity has also been studied. To do this HotSpot Health Physics Code software was used. This code uses the Gaussian dispersion model and the semi-infinite cloud model to calculate the submersion dose. The data from three weather stations were initially compared to determine if the location can affect the results. The influence of the various conservative hypotheses made was then assessed by calculating the doses in case of release of activity equal to the permitted limit and then under various hypotheses, coming to the most detailed case with the data set produced by simulations and accelerated particle spectra. Ultimately, the activity of each individual spill accelerated by the machine was calculated and it was associated with real-time weather data to determine its dispersion in the environment and the relative dose to the public.

L’aumento del numero di impianti che scelgono di istallare macchine per l’adroterapia fa nascere l’esigenza di studiare più approfonditamente alcuni aspetti di radioprotezione legati all’uso di queste macchine. Oggetto di questo lavoro è lo studio dell’attivazione dell’aria indotta dall’uso di acceleratori di particelle per adroterapia, e la successiva dispersione dei radionuclidi prodotti nell’ambiente. Si sono considerati fasci di particelle composti da protoni o ioni di elio, litio, carbonio o ossigeno, e si è stimata l’attività dei radionuclidi prodotti, in particolare di 11C, 13N, 15O, e 41Ar con energie di qualche centinaio di MeV/u, tipiche dell’uso in adroterapia. Per queste stime si è fatto uso del codice Monte Carlo FLUKA. Si è inizialmente simulata la situazione di un fascio di particelle libero in aria, e si è stimata l’attività dei radionuclidi prodotti per tutte le particelle. Si sono svolti esperimenti al fine di convalidare i dati ottenuti per irraggiamenti con protoni e ioni carbonio. Per far ciò si è usato un tubo di PVC chiuso alle estremità da film di polietilene, e si è fatto passare il fascio di particelle lungo l’asse del tubo, in modo da attivare l’aria al suo interno. È stata misurata l’attività prodotta usando un rivelatore al germanio iperpuro e ci si è concentrato sul picco dello spettro prodotto a 511 keV, poiché i radionuclidi in esame sono tutti emettitori β+. Si sono prodotti anche set di dati per il caso di fasci di particelle che impattano direttamente su un target, di rame o polietilene. Queste simulazioni permettono di determinare l’attivazione dell’aria prodotta dalla radiazione secondaria, come accade concretamente quando il fascio primario impatta contro il target o contro le parti metalliche della macchina. Questi set di dati sono stati prodotti per tutte le particelle in esame, simulando l’impatto su target diversi e al centro di stanze di dimensioni differenti, in modo da studiare quanto queste variabili influiscano sull’attivazione dell’aria. Si è quindi studiata l’influenza della geometria della simulazione nella produzione di questi dati, confrontando questi dati con un set specificatamente adattato al caso del Centro Nazionale di Adroterapia Oncologica (CNAO) con il quale si è calcolata l’attività prodotta in un anno a partire dagli spettri in energia delle particelle accelerate. Si è studiata anche la dispersione in atmosfera dei radionuclidi prodotti. Per farlo si è usato il software HotSpot Health Physics Code che usa il modello di dispersione gaussiano e il modello della nube semi-infinita per il calcolo della dose da sommersione. Si sono inizialmente confrontati i dati di tre centraline meteo per determinare se la posizione può influenzare notevolmente i risultati. Si è quindi provveduto a valutare l’influenza delle varie ipotesi conservative fatte, calcolando le dosi nel caso di rilascio di attività pari al limite consentito e quello sotto varie ipotesi, arrivando al caso più dettagliato con il set di dati prodotto dalle simulazioni e gli spettri delle particelle accelerate. In ultimo si è calcolata l’attività di ogni singolo spill accelerato dalla macchina e si è associata ai dati meteo in tempo reale per determinarne la dispersione nell’ambiente e la relativa dose alle persone del pubblico.