Caratterizzazione delle perdite di fascio in un centro per adroterapia e attraverso tecniche di unfolding

Since the first particle accelerator's construction in 1931, an exponential spread of these machines occured worldwide, in different kind of applications. Nowadays these are mainly used for industrial (60%), medical (35%) purposes and scientific research (5%). High energy secondary mixed fields produced by the particle beams interaction with matter imply a complex environmental dosimetry and specific radiation protection regulation able to guarantee workers and population safety. In medical field, this aspect is particularly emphasized in hadrontherapy centers, where high energy charged particles such as protons and carbon ions modify environmental doses, with a significant increase of neutron contribution. This thesis work has been developed within the radiation protection section at the National Center for Oncological Hadrontherapy situated in Pavia. In the first part the radiation field produced by protons and carbon ions interaction with structural materials at different energies has been investigated. The main instrument of analysis is the Monte Carlo code for particle transport FLUKA, supported by experimental measurements in treatment room carried out with the rem counter LUPIN, designed for pulsed neutron fields dosimetry, and an innovative semiconductor neutron dosimeter, presently characterized for environmental monitoring. This first step allowed to analyze both angular and energetic instrumental response and to compare experimental results with simulations. In the second part, purely computational, a new simulated accelerator's geometry in FLUKA and a series of dosimetric maps related to beam losses have been developed and compared with those obtained in the previous case. Finally a preliminary study about the unfolding codes application for the beam loss positions reconstruction has been presented.

Dalla costruzione del primo acceleratore di particelle nel 1931, si è assistito ad una diffusione esponenziale di questi macchinari in tutto il mondo, in un'ampia gamma di applicazioni. Ad oggi queste macchine vengono principalmente usate per scopi industriali (60%), medicali (35%), di ricerca in fisica delle particelle e dei materiali (5%). La presenza di campi misti secondari prodotti dall'interazione dei fasci accelerati con la materia si riflette in una complessità legata alla dosimetria ambientale e agli studi di radioprotezione che garantiscano la sicurezza per lavoratori e pubblico. In ambito medico, questo aspetto è particolarmente accentuato nei centri di adroterapia, dove l'impiego di particelle cariche accelerate come protoni e ioni carbonio modifica i valori di dose, aumentando anche significativamente il contributo neutronico. Questo lavoro di tesi è stato sviluppato nella sezione di radioprotezione del CNAO di Pavia (Centro Nazionale di Adroterapia Oncologica). Nella prima parte è stato studiato il campo di radiazione prodotto dall'interazione del fascio di protoni e ioni carbonio alle diverse energie disponibili con uno dei materiali costituenti l'acceleratore (in questo caso rame). Il principale strumento d'indagine è rappresentato dal codice di simulazione Monte Carlo FLUKA per il trasporto particellare, affiancato da una serie di misure sperimentali in sala trattamento, effettuate con il rem counter LUPIN, appositamente ideato per la dosimetria neutronica in presenza di campi pulsati, e un dosimetro neutronico attivo a semiconduttore attualmente in fase di caratterizzazione per il monitoraggio ambientale. Questa prima fase ha permesso di analizzare la risposta sia energetica che angolare per i diversi dispositivi e di confrontarla con i risultati ottenuti dalle simulazioni. Nella seconda parte, prettamente computazionale, viene proposta una nuova geometria per l'acceleratore simulato in FLUKA e sviluppata una serie di mappe dosimetriche associate alle perdite di fascio, confrontate con quanto ottenuto con la vecchia geometria. Infine viene presentato uno studio preliminare per l'applicazione dell'algoritmo di unfolding nella ricostruzione dei punti di perdita di fascio in una macchina acceleratrice come quella installata al CNAO.