Gamma prompt

Il metodo di monitaraggio preso in esame in questa sezione è la tecnica collegata alla rivelazione dei gamma da diseccitazione nuclere il cui studio è il pricipale soggetto di questo lavoro di tesi.

Quando un adrone di energia E urta quasi elasticamente un nucleo, esso si diffon-de con un energia E�, impartendo così al nucleo bersaglio un’energia Enuc= E− E^�. Il nucleo così eccitato, tende a ritornare al suo stato fondamentale attraverso un processo chiamato ’evaporazione’ (vedi Figura 2.10) in cui vengono emessi uno o più nucleoni e/o un fotone. Nel nostro caso specifico siamo interessati alle reazioni di emissione di un fotone: viene mostrata a titolo di esempio una reazione periferica di uno ione elio con un nucleo di12C che emette la tipica riga a 4.44 MeV:

He +¹²C → He^�+¹²C^{∗ 12}C^∗ ⇒¹²C + γ_{4.44M eV}

I fotoni prodotti in questo tipo di reazione sono detti fotoni prompt in quanto la loro emissione avviene entro meno di un nanosecondo dall’impatto del fascio sul bersaglio.

Figura 2.10: Rappresentazione schematica di collisioni periferiche nucleari con specificati i diffe-renti meccanismi di frammentazione provocati da un proiettile di carbonio (a destra, frammenti del proettile e del target) e di protoni (a sinistra, frammenti del target). Sono mostrati anche diversi prodotti della reazione come l’evaporazione di nucleoni e frammenti leggeri e l’emissione di gamma. Immagine adattata da [28].

Studi recenti [108] (vedi Figura 2.11), hanno dimostrato che, nelle terapie con protoni e ioni carbonio, la misura dei fotoni prompt è correlata con la distribuzione di energia rilasciata dagli adroni nella materia. Infatti si evidenzia un massimo ben definito tra la distribuzione del punto di emissione dei fotoni prompt e il picco di Bragg.

Questa caratteristica è visibile nei risultati di un esperimento svoltosi ai labo-ratori del GANIL (Caen, Francia) [109], in cui si è misurato il profilo di emissione longitudinale dei prompt a seguito dell’interazione tra un fascio di ioni carbonio da 73 MeV/u e un fantoccio di PMMA. Il profilo dei prompt rivelati a 90° e opportuna-mente collimati, è mostrato in Figura 2.12 in funzione del cammino longitudinale del fascio mentre nella parte in basso è mostrata una foto del bersaglio di PMMA. L’area

2.2. MONITORAGGIO CON I SECONDARI

Figura 2.11: Confronto delle distribuzioni di dose in funzione della profondità misurate con un Prompt Gamma Scanner (PGS in legenda) a differenti energie di un fascio di protoni a 100, 150 e 200 MeV/u. Immagine da [108].

in giallo sul bersaglio, progressivamente più scura all’aumentare della dose rilasciata, rappresenta il danneggiamento del materiale ad opera della radiazione incidente e permette di identificare il range del fascio. Il confronto tra il profilo longitudinale e l’estensione della regione in giallo mostra come l’emissione dei prompt sia fortemente correlata con il cammino degli ioni nel bersaglio.

Al contrario del metodo PET, l’emissione dei fotoni prompt avviene entro di po-chi ns, di conseguenza l’informazione sul profilo di dose ottenuta con questa tecnica risulta indipendente dai processi di trasporto metabolici. Questa caratteristica rende la dosimetria da fotoni prompt di grande interesse nell’ambito dell’adroterapia, in quanto permetterebbe un monitoraggio del fascio non invasivo e contemporaneamen-te all’irraggiamento del paziencontemporaneamen-te.

Il principale obiettivo di questo lavoro di tesi è quello di misurare lo yield dei fotoni prompt emessi da un target di PMMA irradiato con fasci di elio e ossigeno. L’utilizzo di questi fasci è per certi versi davvero innovativo, ciò nonostante è auspi-cabile il confronto dei risultati ottenuti con quelli presenti nella letteratura relativa alle tecniche di monitoraggio per uso medico. In questo ambito, citiamo lo studio condotto a Catania con un fascio di Carbonio da 80 MeV che ha misurato l’emissione dei fotoni prompt da un target di PMMA [110].

Inoltre, in un recente articolo [111] si sono studiati importanti parametri che influen-zano le relazioni tra il profilo dei fotoni di diseccitazione e la dose depositata in un fantoccio cilindrico con l’ausilio di simulazioni Monte Carlo basate su codice Geant4 based TOPAS [112]. Nel talk di Paola Sala [113] si è mostrato lo yield dei fotoni emessi con un fascio di protoni di 160 MeV su un target di PMMA (mostrato in Figu-ra 2.13). Si evince un buon accordo tFigu-ra i dati sperimentali e la simulazione ottenuta con FLUKA [114] [115]: entrambi mostrano chiaramente le righe di emissione a ∼4.4

MeV del Carbonio e quelle a ∼6.1 MeV dell’Ossigeno, nuclei presenti nel target. I picchi antecedenti a ∼ 3.9 e ∼ 3.4 MeV e a ∼ 5.6 MeV e ∼ 5.1 MeV rappresentano i picchi di single e double escape.2

Figura 2.12: In alto: numero dei fotoni prompt prodotti dall’irraggiamento di un bersaglio di PMMA con un fascio di ioni carbonio di energia per nucleone pari a 73MeV/u, in funzione della posizione longitudinale del bersaglio. In basso: foto del fantoccio di PMMA affiancata da un righello dopo l’irraggiamento. La regione in giallo indica il danneggiamento del materiale causato dalla radiazione incidente e permette di identificare il range del fascio di ioni nel bersaglio [109].

2In un rivelatore reale, se l’energia del γ è superiore alla soglia di 1022 keV, può portare alla

creazione di una coppia e-/e+ e alla conseguente creazione di due fotoni di annichilazione da 511 keV. Se uno dei due fotoni riesce a fuoriuscire dal mezzo senza essere rivelato si perdono 511 keV e si parla di single escape, mentre se entrambi riescono a sfuggire si parla di double escape.

2.2. MONITORAGGIO CON I SECONDARI Isotopo Energia riga

15O 1.618 MeV 11C 2.000 MeV 11B 2.124 MeV 10C 3.354 MeV 13C 3.683 MeV 11C 4.318 MeV 12C 4.438 MeV 11B 4.444 MeV 15O 5.239 MeV 16O 6.128 MeV 17O 6.175 MeV 15O 6.791 MeV 16O 7.115 MeV

Tabella 2.4: Energie di emissione dei fotoni prodotti a seguito della diseccitazione nucleare. Sono riportate le principali righe nel range di 1.5-7.5 MeV dei nuclei di interesse per il nostro target di PMMA [116].

Figura 2.13: Confronto tra dati e simulazione FLUKA dello yield dei fotoni emessi con un fascio di protoni di 160 MeV su un target di PMMA. Si nota un buon accordo tra i dati e simulazione in quanto entrambi mostrano chiaramente le righe di emissione a ∼4.4 MeV del Carbonio e quelle a ∼6.1 MeV dell’Ossigeno e i rispettivi picchi antecedenti a ∼ 3.9 e ∼ 3.4 MeV, e a ∼ 5.6 e ∼ 5.1 MeV dovuti al single e double escape.