In Figura 4.7 sono visibili due foto che rappresentano in maniera completa la strumentazione usata per i test delle lenti di Laue.
Capitolo 5
Test dei prototipi di lenti di Laue di prima
generazione
5.1 Il funzionamento di una lente di Laue
La fabbricazione di una lente di Laue è un problema ingegneristico che comprende la Fisica della diffrazione di radiazione ad alta energia nei cristalli. I campioni cristallini adatti per essere usati come elementi ottici per una lente di Laue possono essere prodotti con profitto sfruttando una delle tecniche descritte nel capitolo 2 di questa tesi. Il maggior problema che si riscontra nella costruzione di una lente di Laue riguarda il requisito stringente dell’allineamento dei cristalli.
Una lente di Laue per scopi radioterapici consente un maggior disallineamento rispetto ai casi di impiego in campo astrofisico e in medicina nucleare, dove sono accettabili solo piccolissimi angoli di disallineamento tra i cristalli. Infatti, in questo caso, non vi è la necessità di una macchia focale estremamente piccola poiché la lente non è usata per imaging.
Una lente di Laue per applicazioni mediche è posta a metà strada tra la sorgente ed il punto di fuoco, dove ognuna di queste distanze risulta essere uguale alla distanza focale. In questo caso la lunghezza focale deve essere inferiore al metro in modo da avere un sistema compatto, adatto per applicazioni cliniche. In particolare, in una possibile applicazione radioterapica la sorgente fotonica sarebbe costituita da un tubo a raggi X, mentre il tumore da trattare si troverebbe nel fuoco della lente. La Figura 5.1.a mostra lo schema di una lente di Laue per utilizzo medico. Un fascio divergente di radiazione X, emesso dalla sorgente, è soggetto a diffrazione di tipo Laue provocata dall’insieme dei piani cristallini di una serie di cristalli disposti lungo anelli concentrici (blocchi gialli), su di un substrato che funge da supporto (parte grigia). Per tenere conto della variazione dell’angolo di incidenza dei raggi X in funzione della posizione radiale lungo la lente, ogni anello è composto di cristalli con una diversa orientazione cristallina (Fig. 5.1.b). Infatti, una variazione nella spaziatura del reticolo permette di soddisfare la condizione di Bragg per ogni posizione radiale all’interno della lente. Per soddisfare i requisiti di compattezza e leggerezza imposti dalle numerose applicazioni che potrebbero trarre beneficio dall’utilizzo di una lente di Laue, la curvatura dei cristalli non può essere ottenuta meccanicamente ma deve essere di tipo autoportante. Per questo, come detto in
meccanici. Tra le varie tecniche sviluppate e precedentemente trattate si è scelto di utilizzare quella della sabbiatura.
Figura 5.1: (a) Rappresentazione schematica di una lente di Laue per applicazioni mediche. Un fascio divergente di raggi X emesso da una sorgente incide sui cristalli della lente localizzata ad una distanza uguale alla sua lunghezza focale. La diffrazione nella geometria di Laue focalizza il fascio nel fuoco della lente. (b) Vista in sezione trasversale di una lente di Laue che mostra che l’angolo di incidenza tra i raggi X e i piani di diffrazione del cristallo è funzione della posizione radiale sulla lente. I cristalli sono disposti lungo anelli concentrici con diverse orientazioni cristalline (e spaziatura reticolare), in modo da soddisfare la condizione di Bragg per diverse posizioni della lente. [37]
Una lente di Laue può teoricamente focalizzare fotoni con energia fino ad alcune centinaia di keV consentendo di trattare in maniera efficace ed accurata anche i tumori radicati in profondità. Inoltre, potrebbe essere in grado di emettere un flusso di fotoni capace di irradiare un tumore dell’ordine di 1 cm3 in un tempo comparabile alla durata dei trattamenti radioterapici attuali. La sorgente più adatta da usare in combinazione con una lente di Laue è un tubo a raggi X con una macchia focale dell’ordine di 1 mm e una potenza di alcuni kW, ovvero un comune tubo per diagnostica capace di raggiungere un voltaggio di picco di 150 kV. Infatti, un tubo impostato a questo valore di voltaggio e con una corrente anodica di diverse decine di mA emetterebbe un fascio di raggi X avente un alto flusso all’energia designata di 71-72 keV. Va inoltre precisato che è richiesto un tubo con un fuoco di circa 1 mm per non compromettere la capacità di focalizzazione della lente.
A fine 2015, presso l’SSL di Ferrara, è stato sviluppato, nell’ambito del progetto LAUPER, un primo prototipo di lente di Laue. La lente in questione, sottoposta poi a test presso la Sezione INFN di Bologna, presenta 4 cristalli QM di silicio posti su un supporto anch’esso di Si. Anche se per un eventuale impiego in radioterapia i requisiti di allineamento dei cristalli sono meno stringenti che in altri ambiti di applicazione, nella costruzione delle lente, come già detto in precedenza, occorre prestare molta attenzione a questo aspetto, che ovviamente diventa più critico all’aumentare del numero di cristalli montati sul supporto.
Successivamente alla creazione del primo prototipo, presso il laboratorio SSL di Ferrara ne sono stati realizzati altri con un maggior numero di cristalli per aumentare le capacità di focalizzazione della lente. In questo lavoro di tesi verranno prese in esame e descritte in dettaglio le varie prove sperimentali eseguite su tali prototipi con lo scopo di testare le reali prestazioni delle lenti e verificare se esse possano, in futuro, essere utilizzate in radioterapia.