9.1. Dosimetria “in-phantom” sperimentale
Presso il laboratorio “dosimetri a gel” dell’Università di Milano, diretto dalla Prof.ssa Gambarini è stato sviluppato un metodo per misurare, con buona risoluzione ed affidabilità, la distribuzione spaziale della dose assorbita in fantocci esposti a campi di neutroni termici ed epidermici, separando il contributo delle varie radiazioni con diverso LET. In particolare sono state effettuate misure di dose da fotoni gamma e di flussi di neutroni termici (< 0,5 eV) all’interno di fantocci composti da materiale con composizione equivalente a quella dei tessuti biologici. I rivelatori utilizzati a questo scopo sono:
1) Dosimetri a gel che consentono di visualizzare e rilevare il profilo di tutte le componenti della dose
2) Dosimetri a termoluminescenza (TLD), per misure di dose gamma e di fluenza neutronica in corrispondenza di determinati punti di riferimento
3) Fogli da attivazione, per confrontare i valori della fluenza dei neutroni termici
Un dosimetro a gel è una matrice di gel nella quale è incorporato un dosimetro chimico. I dosimetri utilizzati nell’esperienza sono del tipo FAX (Ferrous-Sulphate Agarose Xylenol) a strati, e la distribuzione spaziale della dose assorbita è ottenuta misurando la trasmittanza della luce visibile attraverso gli strati di gel irradiato. La radiazione ionizzante causa alterazioni misurabili che restano fisse nello spazio. L’immagine è ottenuta con uno strumento portatile, adeguatamente progettato e messo in opera presso il laboratorio [317]
La NCT può trarre vantaggio da questi dosimetri: è possibile infatti progettare la matrice di gel al fine di ottenere una buona equivalenza ai tessuti biologici nei riguardi sia dei neutroni termici, sia di tutti i tipi di radiazione secondaria. Inoltre, modificando appropriatamente la composizione isotopica del gel, è possibile separare tutti i contributi alla dose assorbita, utilizzando metodi ed algoritmi appositamente studiati [318, 319]. A partire dalle immagini ottenute con questo metodo, i profili di dose possono essere rapidamente estratti e confrontati con i risultati di simulazioni Montecarlo.
Per poter effettuare le misure è stata messa a punto una serie di fantocci cilindrici fatti di gel, contenenti una regione con elevata concentrazione sia di 10B (35 ppm), sia di 157Gd (100 ppm). E’ stata poi distribuita una concentrazione delle stesse sostanze, ma inferiore di un fattore 3,5, in tutto il gel presente attorno a tale zona [320]. I fantocci erano di forma cilindrica, con diametro di 16 cm ed altezza di 14 cm ed il volume interno a maggior concentrazione di 10B e di 157Gd era costituito da un cilindro coassiale avente un diametro di 6 cm.
Sono stati preparati tre diversi fantocci:
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- Fantoccio 1 (Ph1) – Guscio di polietilene riempito con gel contenente 1100 ppppmm ddii 1 100BBee2288,,66ppppmmddii115577GGdd.. - - FFaannttoocccciioo22((PPhh22))––SSiimmiilleeaallPPhh11mmaaccoonniinnsseerriittooaallll’’iinntteerrnnoouunnvvoolluummeecciilliinnddrriiccoo((33 c cmm ddii aalltteezzzzaa ee77 ccmm ddiiddiiaammeettrroo)) ccoonntteenneennttee 3355ppppmmddii 1100BB ee110000ppppmm ddii115577GGdd c coonnlloossccooppooddiissiimmuullaarreeuunnttuummoorree.. -
- Fantoccio 3 (Ph3) – Guscio di polietilene riempito di gel contenente solamente 10 ppm di 1100BB..
I fantocci sono stati sottoposti ad irraggiamento nella colonna epidermica del TAPIRO, un reattore veloce da 5 kW, situato presso gli stabilimenti ENEA della Casaccia (vedi fig. 9.1).
Fig. 9.1 - Il reattore TAPIRO
Il reattore TAPIRO è un reattore veloce che utilizza come combustibile uranio altamente arricchito. Ha una potenza nominale di 5 kW. Il flusso neutronico al centro del core è di 4×1012 cm-2s-1. Possono essere introdotte nella colonna principale delle colonne termiche od epitermiche. Per la ricerca sperimentale sulla BNCT è stata progettata e costruita una colonna epitermica [321].
I fantocci sono stati situati di fronte al collimatore e con l’asse del cilindro in linea con il fascio di neutroni (fig. 9.2)
Fig. 9.2 – Posizione dei fantocci con l’asse del cilindro in linea con il fascio di neutroni
I contributi di dose che sono stati misurati erano: la dose dovuta alla radiazione gamma, quella dovuta ai neutroni veloci, quella dovuta alle particelle cariche e quella dovuta agli elettroni. La dose da elettroni in particolare è stata determinata per mezzo del confronto tra le risposte ottenute utilizzando strati di gel rispettivamente con e senza gadolinio. I due strati di gel sono stati ddiissppoossttii aaffffiiaannccaattii aassssuummeennddoo ll’’iippootteessii cchhee llaa ddoossee ggaammmmaa ssiiaa llaa s
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In figura 9.3 è illustrato un dosimetro a gel, fotografato dopo essere stato esposto, inserito nel fantoccio, nella colonna epitermica del TAPIRO. Il dosimetro è posto in trasparenza davanti ad una sorgente di luce al fine di rilevare, attraverso una fotocamera CCD, l’immagine ottenuta delle variazioni di trasmittanza della luce, variazioni che ricalcano le variazioni di dose.
Fig. 9.3 - Fotografia di un dosimetro a gel illuminato da una sorgente di luce per rilevare le differenze nella trasmittanza.
La fig. 9.4 mostra un esempio di elaborazione della fotografia dello strato di gel, al fine di ottenere un profilo di dose.
Fig. 9.4 – Esempio di elaborazione software di una fotografia di un dosimetro a gel
In fig 9.5 sono riportati i profili di flusso neutronico ottenuti nelle varie posizioni lungo l’asse del cilindro, per i tre diversi tipi di fantocci. In fig. 9.6 è inoltre mostrato l’analogo profilo di dose gamma. Nella fig. 9.7 è infine riportato il contributo delle diverse radiazioni nel fantoccio di tipo 2. LLaaddoossee ttoottaalleeddaaeelleettttrroonniirriissuullttaa eesssseerreeuunnaappeerrcceennttuuaallee mmoollttoobbaassssaa d
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9.2. Calcoli Montecarlo di flusso e di dose
Si è proceduto ad effettuare una serie di calcoli Montecarlo per simulare l’esperienza dell’Università di Milano. E’ stato usato il codice MCNPX che è in grado di seguire tutti i tipi di particelle, tenendo conto di tutti i tipi di reazione.
La figura 9.8 mostra il confronto tra andamento sperimentale e calcolato per i neutroni termici (< 1 eV). La figura 9.9 mostra gli analoghi andamenti delle dosi gamma dovute alle reazioni (n,γ). Il confronto sembra soddisfacente: la tendenza delle linee è praticamente la stessa e la depressione osservabile del flusso termico in presenza di gadolinio è confermata. Sono anche confermati valori più elevati di flusso gamma nei fantocci contenenti gadolinio.
L’obiettivo dei calcoli era quello di operare un confronto tra dati sperimentali e simulazione per mezzo di calcoli relativamente a materiali contenenti gadolinio. I dati pubblicati in proposito sono scarsi o non esistenti e pertanto l’esperimento effettuato presso l’Università di Milano risulta essere molto importante. I risultati sono stati anche pubblicati su rivista scientifica internazionale [351].
Fig. 9.8 – Andamento del flusso dei neutroni termici nell’ esperienza dell’Università di Milano. A sinistra i valori ottenuti sperimentalmente, a destra i valori calcolati con MCNPX
Fig. 9.9 – Andamento della dose gamma nell’esperienza dell’Università di Milano. A sinistra i valori ottenuti sperimentalmente, a destra i valori calcolati con MCNPX
Andamento del flusso n termico - Esperimento Andamento del flusso n termico – calcolo MCNPX