Activity measurements of air and metal targets for helium ion beams

As hadrontherapy evolves toward increasingly innovative treatment modalities, the introduction of new particle species is emerging as a key frontier in cancer treatment. The National Center for Oncological Hadrontherapy (CNAO) is advancing this transition by commissioning a new helium ion source. While alpha particles show unique physical and radiobiological advantages, they also present familiar radiation protection challenges related to material and air activation from primary and secondary radiation fields. Quantifying this induced radioactivity is essential for regulatory compliance and safe operation. This thesis investigates radionuclide production in air and typical accelerator materials from alpha-particle irradiation. It benchmarks FLUKA Monte Carlo simulations against experimental data obtained by irradiating a sealed air volume and Cu, Al, galvanized steel, and Pb samples with alpha particles at clinical (227 MeV/u) and maximum (320 MeV/u) energies. Activation products were identified via γ-ray spectroscopy using HPGe detectors, and activities were reconstructed from net peak areas using full-energy peak efficiencies obtained from dedicated FLUKA simulations. Air activation analysis focused on the 511 keV annihilation peak, as the activity is dominated by pure β+ emitters C-11, N-13, and O-15. The corresponding FLUKA activity predictions lay within the experimentally reconstructed range. For metal targets, experimental and simulated activities for identified radionuclides also agreed within ±30%, confirming the reliability of the computational models. Lastly, a major contribution of this work is the development of a radionuclide database capable of predicting activation products as a function of target composition, beam parameters, and cooling times. The database includes data for the three beams available at CNAO, namely protons, carbon, and helium ions, and covers the first 30 elements of the periodic table, plus Pb and W. Validation against measurements taken 44 days after irradiation showed strong predictive performance both in terms of produced nuclides and reconstructed activities.

L'evoluzione dell'adroterapia verso trattamenti sempre più innovativi trova una delle sue frontiere più promettenti nell'introduzione clinica di nuove specie ioniche. In questo contesto, il Centro Nazionale di Adroterapia Oncologica sta ultimando la messa in servizio di una nuova sorgente di ioni elio. Tale innovazione, pur offrendo vantaggi fisici e radiobiologici, comporta sfide di radioprotezione legate all'attivazione dell'aria e dei materiali esposti ai campi di radiazione primari e secondari. La caratterizzazione della radioattività indotta è quindi essenziale per garantire l'esercizio in sicurezza e la conformità normativa. Questa tesi analizza la produzione di radionuclidi in aria e in materiali rappresentativi di componenti d'acceleratore in seguito a irraggiamento con ioni elio. Il lavoro affronta la validazione sperimentale di simulazioni FLUKA Monte Carlo mediante confronto con dati ottenuti irraggiando un volume d'aria e target di Cu, Al, acciaio zincato e Pb alle energie di 227 MeV/u e 320 MeV/u. Le attività sono state ricostruite mediante spettrometria γ con rivelatori HPGe, le cui efficienze di picco sono state calcolate tramite apposite simulazioni Monte Carlo. Per l'attivazione dell'aria, l'analisi si è focalizzata sul picco di annichilazione a 511 keV, essendo essa dominata dagli emettitori β+ puri C-11, N-13 e O-15. Le previsioni di FLUKA risultano comprese nell'intervallo sperimentale ricostruito. Per i target metallici, le attività misurate e simulate dei radionuclidi identificati mostrano uno scostamento entro il 30%, a supporto dell'affidabilità dei modelli adottati. Inoltre, il lavoro ha incluso lo sviluppo di un database radionuclidico in grado di prevedere i prodotti di attivazione in funzione della composizione del target, dei parametri di fascio e dei tempi di raffreddamento. Il database include i dati relativi ai tre fasci disponibili al CNAO e i primi 30 elementi della tavola periodica, oltre a Pb e W. La validazione su misure acquisite 44 giorni dopo l'irraggiamento ha mostrato elevate capacità predittive sia in termini di radionuclidi prodotti che di attività residue.