A method to study the water activation with FLUKA and LSC for a hadron therapy facility

Nowadays, the number of facilities that accelerates ions and protons for treating tumors is increasing. The radioprotection is a fundamental framework to guarantee the safety for the workers, the patients, the neighbours and the environment. The goal of this project is to present a method to analyze the water activation in an hadrontherapy centre. The investigation is developed at the CNAO foundation: an Italian excellence, that will be the first centre in the world to have a synchrotron dedicated to the acceleration of ions, a synchrotron for protons, thanks to the collaboration with Hitachi, and a BNCT facility in partnership with TAE. In radioprotection the importance of the water activation analysis is generated by the fact that the accelerated high energies particles can activate the structural elements, the air and the water, and produce radiation, that lasts in time. The dissertation is composed of two main sections: the computational codes, preceded by an analysis of the expected particles, and the experimental measurements. The computational evaluation is performed through FLUKA, a Monte Carlo method software which provides different evaluations, including the activation in particular regions. The FLUKA codes are tailored according to the examined facility: important studios are dedicated to the different geometries, fields and water compositions. As regards the actual synchrotron, the simulations deal with the water cooling circuit of the synchrotron and its utilities. Moreover, they are performed not only for carbon ions and protons, that is to say the actual therapies, but also for the future accelerated particles: 4-He, 7-Li, 16-O and 56-Fe. In the Hitachi protontherapy, the simulation addresses to the water cooling utilities, that is placed in a particular location that includes not only the synchrotron, but also the gantry to deliver the therapy. On the other hand, the BNCT facility is characterized by an electrostatic tandem accelerator to accelerate protons and subsequently to produce neutrons. In this setting, the water activation is studied for the target and the utilities in the HEBL room. Nevertheless, the FLUKA results reveal low activity levels, so they are complemented with offline calculus, that are consistent with the computational work. Furthermore, the water cooling system is a closed loop, but it is studied an accidental scenario, in which the cooling water is collected in the emergency pool and then it fails. Hence, the radionuclides are ended in the sewer and the dose to workers is estimated in the corrivation phase, depuration tank and sludge phase. The experimental evaluation achieves the goal to perform an analysis on site of the water cooling system of the synchrotron. It is articulated in two phases: first the HPGe detector allows a general screening, followed by the Liquid Scintillation Counter. The instrument available at CNAO is the Triathler. In this work, it is developed its calibration respect to the 3-H. The calibration consists on a quench correction through the quench curve with the addition of a known 3-H quantity as a first trial and then, the internal standard method. Hence, the internal standard was the correct solution to perform a calibration. It is followed by the evaluation of the correct concentration according to the measured efficiency, analyzed volume and corresponding MDA. Subsequently, the obtained efficiency are corroborated with the preparation of other samples, by validating the procedure.

Oggigiorno, il numero di strutture che utilizzano acceleratori per la cura di determinati tumori sta crescendo sempre più. In questo contesto, la radioprotezione è una disciplina fondamentale per garantire la sicurezza ai lavoratori, ai pazienti, alla popolazione circostante e all'ambiente. L'obbiettivo di questa tesi è presentare un metodo per analizzare l'attivazione dell'acqua in un centro di adroterapia. Lo studio è svolto presso la fondazione CNAO: un'eccellenza italiana, che vanterà di essere il primo centro al mondo ad avere un sincrotrone dedicato all'accelerazione di ioni, un sincrotrone per la protonterapia grazie alla collaborazione con Hitachi e una struttura per la BNCT in collaborazione con TAE. In radioprotezione l'importanza dell'analisi di attivazione dell'acqua risiede nel fatto che le particelle accelerando possono attivare radiazioni elementi strutturali, aria e acqua, e generare radiazioni, che durano nel tempo. Questo lavoro è composto da due parti principali: i codici computazionali, preceduti da un'analisi delle particelle che si sarebbero aspettate, e le misure sperimentali. La valutazione di carattere computazionale è sviluppata grazie a FLUKA, un software basato sul metodo Monte Carlo che fornisce l'attivazione nelle aree richieste. I codici FLUKA sono stati personalizzati secondo le caratteristiche di ogni struttura: importanti focus sono dedicati alle differenti geometrie e campi. Per quanto riguarda il sincrotrone attuale, le simulazioni affrontano il circuito di raffreddamento del sincrotrone e delle utenze. Esse sono state effettuate non solo per gli ioni carbonio e per i protoni, ovvero le terapie attuali, ma anche per le particelle che verranno accelerate in futuro: 4-He, 7-Li, 16-O and 56-Fe. Nella struttura di protonterapia, la simulazione è rivolta solo al circuito di raffreddamento delle utenze, che è posto in un luogo particolare che include il sincrotrone, ma anche il gantry per effettuare la terapia. Dall'altro lato, la struttura dedicata alla BNCT è caratterizzata da un acceleratore elettrostatico tandem per accelerare protoni e successivamente produrre neutroni. In questo contesto, sono state sviluppate simulazioni per quanto riguarda il target e le utenze nella sala HEBL. Siccome i risultati provenienti da FLUKA rilevano poca attività, sono stati affiancati da conti offline che sono in linea con il lavoro simulato. Inoltre, il sistema di raffreddamento è un circuito chiuso, ma è stato studiato un scenario incidentale, in cui l'acqua di raffreddamento è raccolta nella piscina di emergenza e il sistema di contenimento fallisce. Quindi, i radionuclidi sono portati nella fogna e sono state valutate le dosi durante la fase di corrivazione, dalla vasca di depurazione e dallo smistamento dei fanghi. La valutazione sperimentale raggiunge l'obbiettivo di realizzare un analisi sul posto del circuito di raffreddamento dell'acqua del sincrotrone. Essa si articola in due fasi: dapprima il detector HPGe permette uno screening generale, seguito dalla misura con la scintillazione liquida. Lo strumento disponibile allo CNAO è il Triathler. In questo lavoro, è stato calibrato rispetto all' 3-H. La calibrazione consiste nella correzione del quenching attraverso in un primo momento le curve di calibrazione con l'aggiunta di una quantità nota di 3-H e successivamente con il metodo dello standard interno. Conseguentemente, lo standard interno era la soluzione corretta per realizzare la calibrazione. L'analisi segue con la valutazione della corretta concentrazione sulla base dell'efficienza misurata, volume analizzato e la corrispondente minima attività rilevabile. Successivamente i risultati di efficienza ottenuti sono corroborati attraverso la preparazione di altri campioni, validando così la procedura.