Problematiche di attivazione presso un centro di adroterapia

Gli acceleratori di particelle, inizialmente utilizzati solo per la ricerca, oggi vengono impiegati anche in molti altri ambiti: per la ricerca in fisica delle particelle, per scopi industriali (per la sterilizzazione, per la conservazione di cibi), per lo studio della struttura dei materiali, ecc. Sicuramente uno dei settori che ha ricevuto maggiormente beneficio dall’utilizzo degli acceleratori, è quello medico. In questo settore, gli acceleratori vengono utilizzati per la produzione di radionuclidi e per effettuare trattamenti radioterapici. E’ proprio in questo contesto che si inserisce il CNAO, acronimo di Centro Nazionale di Adroterapia Oncologica. Il centro è unico in Italia e in un prossimo futuro, a regime, permetterà il trattamento adroterapico di circa 3000 pazienti l’anno affetti da tumore. A tal scopo questa facility è stata dotata di un sincrotrone che accelera protoni fino ad un’energia massima pari a 250 MeV e ioni C fino a 400 MeV/u.

L’utilizzo di fasci di particelle richiede di affrontare una serie di problematiche radioprotezionistiche. Tra queste, di particolare interesse è quella legata al fenomeno dell’attivazione, processo attraverso il quale un fascio di particelle, incidendo su un materiale, riesce ad attivarlo, ovvero lo rende sorgente di radiazioni.

E’ proprio da tale considerazione che è scaturita l’idea di sviluppare una tesi il cui scopo fosse quello di descrivere il fenomeno dell’attivazione nelle facility ospitanti acceleratori di particelle, mettendone in luce la complessità e la problematicità. Nella tesi si descrive con maggior dettaglio la radioattività indotta in acceleratori di adroni. A tal fine e per dare anche una maggiore concretezza alle argomentazioni e alle osservazioni che verranno proposte, vista la possibilità di cooperare con il CNAO, verranno mostrate simulazioni e misure relative al problema dell’attivazione proprio in questo centro.

Il punto di partenza per questo lavoro di tesi è la descrizione, che verrà sviluppata nel primo capitolo, di alcuni degli aspetti preliminari di maggiore interesse concernenti il fenomeno in esame. In questo capitolo introduttivo si possono distinguere due parti principali: una incentrata sul tema della radioattività mentre la seconda su quello degli aspetti basilari di radioprotezione. Nella prima parte sono discussi gli aspetti formali legati al fenomeno del decadimento radioattivo e viene accennata la tematica della radioattività naturale e artificiale. Invece nella seconda parte sono illustrati il rischio radiogeno, le grandezze radioprotezionistiche di maggiore interesse, con un breve accenno all’ipotesi LNT (relativa agli effetti stocastici legati all’esposizione alle radiazioni ionizzanti), per poi passare ad una introduzione delle problematiche radioprotezionistiche relative all’attivazione.

Nel secondo capitolo verrà approfondita la descrizione delle modalità di produzione della radioattività indotta negli acceleratori. A tal proposito, dapprima verranno fornite le basi formali associate al fenomeno dell’attivazione, per poi contestualizzare la discussione proponendo un confronto delle modalità di produzione di radionuclidi in acceleratori di elettroni o adroni.

Si prosegue con il terzo capitolo, ove sono illustrate le possibili problematiche legate all’attivazione dei materiali che si possono incontrare in un acceleratore. Per ognuna di tali problematiche, si cercherà di capire quali siano le modalità di produzione, si fornirà una descrizione qualitativa e, per quanto possibile, quantitativa della radioattività prodotta.

In seguito, nel quarto capitolo, verranno forniti i risultati delle simulazioni Monte Carlo effettuate per la valutazione dell’attivazione di alcuni materiali di particolare interesse per il CNAO. Si prenderà spunto da tali risultati per ulteriormente sottolineare alcune osservazioni già presentate nei precedenti capitoli e si proporrà un più dettagliato confronto tra l’attivazione indotta da protoni piuttosto che ioni C.

Infine nel quinto ed ultimo capitolo, dapprima, verranno illustrati alcuni aspetti relativi alla strumentazione di radioprotezione utile per i problemi legati all’attivazione, tra cui la spettrometria gamma e il sistema EGAM utilizzato al CNAO per la misura dell’attivazione dell’aria. Successivamente verranno mostrati i risultati delle misure effettuate sull’attivazione di alcuni materiali esposti a fasci di particelle. Visto che al momento il CNAO è in fase di commissioning della linea di iniezione e quindi il sincrotrone ancora non è entrato pienamente in funzione, sono descritte le misure dell’attivazione di alcune delle principali componenti utilizzate in questa fase preliminare: Faraday cup del test bench 3 (TB3) del linac e vari rivelatori della MEBT (Medium Energy Beam Transfer Line).