Radiation protection evaluations for a carbon ions hadrontherapy gantry

Hadron therapy is an advanced cancer treatment technique that utilizes beams of charged particles, such as protons or carbon ions, to target and kill tumoral cells with high precision while minimizing damage to surrounding healthy tissues. At the National Center for Oncological Hadrontherapy (CNAO) in Pavia, a significant expansion is planned, which includes the development of a new carbon ion gantry, a highly complex electromechanical system that allows for beam delivery from multiple angles. Prior to construction, it is crucial to conduct a design phase that ensures compliance with radiation protection safety standards. This thesis, conducted in collaboration with the Radiation Protection Group of CNAO, focuses on the radiation protection analysis of a preliminary gantry room layout, utilizing the Monte Carlo method with the FLUKA code to evaluate dose distributions, neutron transport, and activation levels in the proposed facility. The thesis is divided into two main sections: the first deals with the design of radiation shielding, and the second focuses on activation studies. In terms of shielding, special attention is given to protecting personnel and operators from secondary radiation generated by the interaction of the primary carbon ion beam with the patient. The design of the access maze to the treatment room follows a structure similar to the existing treatment rooms and is modeled as a three-leg maze. A sensitivity analysis is conducted to assess the dependence of the dose at the labyrinth exit upon the lengths of the maze arm. Computational dose rates are compared to analytical models. Additionally, a study of the shielding wall between the gantry room and the experimental room (XPR) is performed to optimize the facility footprint. First, the attenuation factor required for the facility is calculated using both ordinary concrete and iron-enhanced concretes. Then, an in-depth analysis of concrete activation levels is performed to finalize the shielding design. The second part of the thesis examines activation phenomena induced by secondary radiation on the beam transport components, particularly on the scanning magnets. Iron-cobalt alloys are tested as alternatives to the currently used iron-silicon alloys. Results indicate that while iron-cobalt alloys offer superior performance in beam transport, their higher percentage of Co-59 might pose challenges for radiation protection. Activation studies are conducted for both maintenance and decommissioning purposes, comparing two industrial Fe-Co alloys to a standard Fe-Si alloy. The results demonstrate the feasibility of using, under certain beam conditions, Fe-Co alloys with low cobalt content. The final analysis concerns the XPR room. CNAO's expansion project will require the relocation of the current experimental room. A new design, including the maze layout, is addressed. The mutual influence between radiation fields in the XPR and gantry treatment room is also studied.

L'adroterapia è una tecnica avanzata di trattamento del cancro che utilizza fasci di particelle cariche, come protoni o ioni carbonio, per colpire e distruggere le cellule tumorali con alta precisione, riducendo al minimo i danni ai tessuti sani circostanti. Presso il Centro Nazionale di Adroterapia Oncologica (CNAO) di Pavia è prevista un'importante espansione, che include lo sviluppo di un nuovo gantry per ioni carbonio, un sistema elettromeccanico altamente complesso che consente la somministrazione del fascio da più angolazioni. Prima della costruzione, è fondamentale condurre una fase di progettazione che garantisca il rispetto degli standard di sicurezza per la protezione dalle radiazioni. Questa tesi, svolta in collaborazione con il Gruppo di Radioprotezione del CNAO, si concentra sull'analisi della protezione dalle radiazioni per un layout preliminare della sala gantry, utilizzando il metodo Monte Carlo con il codice FLUKA per valutare le distribuzioni di dose, il trasporto neutronico e i livelli di attivazione nella struttura proposta. La tesi è suddivisa in due sezioni principali: la prima riguarda la progettazione delle schermature, mentre la seconda è dedicata agli studi di attivazione. Per quanto riguarda le schermature, particolare attenzione è rivolta alla protezione del personale e degli operatori dalle radiazioni secondarie generate dall'interazione del fascio primario di ioni carbonio con il paziente. La progettazione del labirinto di accesso alla sala di trattamento segue una struttura simile a quella delle stanze di trattamento esistenti ed è modellata come un labirinto a tre segmenti. È condotta un'analisi di sensibilità per valutare la dipendenza della dose all'uscita del labirinto rispetto alla lunghezza dei suoi bracci. I tassi di dose calcolati sono confrontati con modelli analitici. Inoltre, viene eseguito uno studio sulla parete di schermatura tra la sala gantry e la sala sperimentale (XPR) per ottimizzare l’ingombro dell’impianto. Inizialmente, viene calcolato il fattore di attenuazione richiesto per la struttura, considerando sia il calcestruzzo ordinario sia il calcestruzzo arricchito con ferro. Successivamente, viene effettuata un'analisi approfondita dei livelli di attivazione del calcestruzzo per finalizzare la progettazione della schermatura. La seconda parte della tesi esamina i fenomeni di attivazione indotti dalla radiazione secondaria sui componenti di trasporto del fascio, in particolare sui magneti di scansione. Vengono testate leghe ferro-cobalto come alternative alle attuali leghe ferro-silicio. I risultati indicano che, sebbene le leghe ferro-cobalto offrano prestazioni superiori nel trasporto del fascio, la loro maggiore percentuale di Co-59 potrebbe rappresentare una sfida per la protezione dalle radiazioni. Studi di attivazione sono condotti sia per la manutenzione sia per il decommissioning, confrontando due leghe industriali Fe-Co con una lega standard Fe-Si. I risultati dimostrano la fattibilità, in determinate condizioni di fascio, dell'uso di leghe Fe-Co a basso contenuto di cobalto. L'analisi finale riguarda la sala XPR. L’espansione del CNAO richiederà il trasferimento dell’attuale sala sperimentale. Viene quindi proposto un nuovo layout della sala, inclusa una possibile configurazione del labirinto. Viene inoltre studiato l’effetto reciproco tra i campi di radiazione nella sala XPR e nella sala di trattamento del gantry.