Pisa, 25 Settembre 2014

100° Congresso Nazionale SIF

Pisa, 22-26 Settembre 2014

Primi test su rivelatore a gas a micro pattern

per applicazioni in protonterapia

Ampollini A .3, Basile E.1, Carloni A.1, Carpanese M.3,Castelluccio D.M.2, Cisbani E.1,

Colilli S.1, De Angelis G.1, Frullani S.1, Ghio F.1, Giuliani F.1, Gricia M.1, Lucentini M.1,

Notaro C.1, Picardi L.3, Santavenere F.1, Spurio A.1,Vacca G.1, Vadrucci M.3

(1) Istituto Superiore di Sanità (ISS) - Roma -Dipartimento Tecnologie e Salute

(2) ENEA - Istituto di Radioprotezione - Monte Cuccolino - Bologna

(3) ENEA - Unità Tecnica Sviluppo di Applicazioni delle Radiazioni - Frascati

Progetto finanziato da FILAS-Regione Lazio

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Slide su adron terapia

Picco di Brag (magari fai vedere lo sviluppo bidimensionale) e precisa che il picco diventa sharp quando si sommano piu’ particelle

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Proton terapia con LINAC:il progetto TOP-IMPLART

TOP-IMPLART (Terapia Oncologica con Protoni - Intensity Modulated Proton Linear

Accelerator for Therapy): sistema innovativo basato, per la prima volta, su un acceleratore

lineare; installazione prevista presso l’ospedale IFO-Regina Elena.

Collaborazione: ENEA + ISS + IFO + Private Companies

Fondi: ISS (<2002), Sparkle (2007-2009), Regione Lazio (>2009)

7 MeV7 MeV 147 MeV147 MeV47 MeV47 MeV 237MeV237MeV

Head-NeckTumors

Head-NeckTumors

In vitro and AnimalRadiobiology

In vitro and AnimalRadiobiology

In vitroRadiobiology

In vitroRadiobiology

17 MeV17 MeV Deep TumorDeep Tumor

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Monitor del rilascio di dose

requisiti e specifiche in TOP-IMPLART LINAC Il monitor del fascio deve provvedere:

Misure di posizione, profilo, direzione e

intensità in real-time per ogni impulso

Informazioni di retroazione per correggere

piccole deviazioni dal piano di trattamento

Shutdown automatico in caso di almeno un

parametro fuori dall’intervallo di accetazione

Alta affidabilità

Pulsed beam characteristics Beam monitor system specifications

Energy in the range

Beam cross section

Beam current

Average current:

Pulse period

Pulse frequency

(fast dose repainting)

130-250 MeV

1-10 mm

0.1-10 μA

3.5 nA

1-3.5 μs

10-100 Hz

Light compact chamber

Good spatial resolution ( ~1/10 mm) MPGD

Wide dynamic range (104 at least)

Good sensitivity (~100 fC)

Zero dead time (or near zero)

Rapid response ( < 1ms)

Typical number of channels: few 100

DedicatedElectronics

TOP-IMPLART LINAC scanning attivo (3+1D) in:

­ Intensita (rilascio istantaneo di dose)

­ Energia (profondità/Z)

­ Posizione trasversa (X/Y)

Permette terapia altamente conformazionale

Richiesto monitor dei parametri di fascio molto

accurato e a livello di singolo impulso

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The chamber operates in ionization region and has the following characteristics:

GAP between anode and cathode: 2mm

Anode and cathode ACTIVE AREA: 7x7cm2

ANODE: Al (5μm)

CATHODE: Kapton (50 μm) with PADs in Cu

(15 μm) on the beam incidence side and

STRIPs in Cu (15 μm) on the other side

PITCH: 875 μm (final version 400 mm)

Gap between pad: 120 μm

CHANNELS: 80 x 80

BIAS: 300 V

WET: 0.017 cm

Camera a ionizzazione peril monitor del fascio TOP-IMPLART

Foil produced by R. De Oliveira at TS-DEM, CERN

The TOP-IMPLART monitor system is based on 2D segmented ionization chamber driven

by a dedicated front end electronics, with a dual range logic

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Chamber assembly and the final system

no glue; o-ring for gas tightness

ReadoutElectronics

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Basata su amplificatore di trans-impedenza

(Carica/Tensione) con capacità di “sample and

hold” in retroazione.

L’amplificatore adatta automaticamente il

guadagno alla quantità di carica in ingresso.

Quando la tensione sulla capacità supera una

soglia di riferimento viene connessa in parallelo

una capacità più grande.

Tale semplice logica può essere replicata

L’elettronica prototipo è composta da schede di

front-end a 16 canali, collegate in cascata

attraverso backplane passivo

Elettronica di readout con amplificatore multi-guadagno

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Readout electronics test: Dual Regime performance

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Input dynamic range larger than 104 (from about 2 pC to tens of nC) Relative sensitivity less than 3% (minimum absolute sensitivity of 70 fC)

Range Transition (one bit store this information)

Influence ofcurrent sourceinstability

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Test con fascio di elettroni da 5 MeV

- Configurazione -

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5 MeVElectron beam

Schema di messa a terra

Vista Frontale: camera + elettronica

@@@@ Metti qualche caratteristica del fascio:Intensità:frequenza impulsi:@@@@La stabilità di fascio non è purtroppo nota con precisione

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Beam on shielded

Beam off

Stabilità e rumore

X and y integral charges

measured with:

beam on and thick Pb

absorber between beam

and chamber (variation

~1%)

beam off (variation <0.5‰)

Noisy environment induced by

radiofrequency / reasonably

under control

Variation ~0.5% Variation <0.5‰

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Profilo di fascio

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X and Y collected charge profile with 6 mm Pb collimator interposed between

beam and chamber. Beam instability is included in RMS.

X and Y charge profiles fitted with: Gaussian + straight line (red line).

Beam profile well reproduced / relative variation within 0.02%Pedestal subtraction not optimized

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Parametri del profilo di fascio verso

Alta Tensione (HV) della camera

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Intensità (da fit gaussiano) Posizione (da fit gaussiano)

Larghezza (della gaussiana) Fondo / Costante

Fondo / Gradiente Intensità (somma)

Punto di lavoro ῀300 V - Promettente margine di sicurezza prima della saturazione

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Strip X->

Strip Y->

Fenditura Verticale:profilo di fascio verso posizione della fenditura

~2,5 pC/cm2

The beam hits the chamber active zone in correspondence of the vertical slit, causing a peak; the chamber horizontal motion “moves” the peak in x

Px=13 mm Px=18,7 mm Px=24,3 mm Px=28 mm

Px: chamber horizontal position; the chamber moves horizontally with respect to the slit

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@@@ puoi togliere i plot con RMS I valori sono molto più grandi di quelli della slide 11;Probabilmente causa instabilità fascio ... Ma meglio Capire prima di presentarli @@@

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Dipendenza dall’intensità del fascio

Beam intensity (~110 pC/cm2)

has been passively varied by

interposing Plexiglas plates

between beam exit and

chamber.

The integral charges in X

(black) and in Y (red) are

represented versus 3 plates

thickness.

The exponential fit reproduces

rather well the measured

points

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Conclusioni e prossimi sviluppi

• First electron beam tests of the chamber prototype of the dose delivery

monitor show :

o good noise characteristics

o excellent beam profile measurements

o chamber behaves as basically expected with respect to High Voltage,

with promising margin for saturation.

• Further and more accurate characterization tests are in progress

• Tests and characterization under the TOP/IMPLART proton beam (up to 17

MeV) in the coming months

• A new, consolidated version of the chamber and the electronics is under

development (largely based on lesson learned by the presented tests)

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GRAZIE PER L'ATTENZIONE

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Fenditura Verticale: Parametri del profilo di fascio verso posizione della fendituraIntensità (da fit gaussiano) Posizione (da fit gaussiano)

Larghezza (della gaussiana) Fondo / Costante

Fondo / Gradiente Intensità (somma)

@@@ La variazione relativa su l’ampiezza è molto più grandedi 3%Guardando il profilo della slide 11 sembra che RMS<qualche percento.

Come hai valutato l’errore ?@@@