Chiari: Lezione su acceleratori di particelle (2012)Massimo Chiari
Slide delle lezioni su acceleratori di particelle e sorgenti di ioni nell'ambito del corso "Tecniche di analisi con fasci di ioni", corso di Laurea Magistrale in Fisica e Astrofisica, Univ. Firenze AA 2011-2012 (Massimo Chiari, P.A. Mandò)
L’adroterapia fu proposta per la prima volta da Robert R. Wilson nel 1946.
Sfruttando il modo particolare in cui gli adroni carichi depositano energia nella materia, il cosiddetto picco di Bragg, è possibile rilasciare un’elevata dose in tumori anche profondi, limitando l’irradiazione sia dei tessuti sani circostanti che del canale d’entrata. La figura della pagina seguente mostra come diversi tipi di radiazione depositano energia in acqua; in essa è ben visibile il picco degli ioni carbonio.
Gli adroni carichi rilasciano molta della loro energia alla fine del percorso; inoltre, grazie alla loro massa, hanno una traiettoria pressoché rettilinea. Queste due proprietà fondamentali permettono un trattamento conforme in cui la dose viene rilasciata nel bersaglio tumorale con un’accuratezza più elevata rispetto alla radioterapia convenzionale che si avvale di elettroni e fotoni. I tumori per i quali è indicata l’adroterapia sono quelli localizzati nella base cranica, sul fondo dell’occhio e lungo la colonna vertebrale, ma anche i tumori pediatrici, i tumori del sistema nervoso centrale, della prostata, del fegato,
dell’apparato gastroenterico e del polmone possono beneficiare di un tale trattamento.Oltre alla miglior conformazione della dose ottenibile con protoni e ioni leggeri, questi ultimi hanno il vantaggio di possedere un’elevato LET (Linear Energy Transfer ).
Questo parametro è legato alla ionizzazione indotta nei tessuti e dipende dal quadrato della carica della particella. Un’elevata densità di ionizzazione permette una doppia rottura della catena del DNA, molto più difficile da riparare di una rottura singola. Non solo, per gli adroni il LET è più elevato nel picco di Bragg che nel canale di entrata. Tuttavia ioni con Z troppo elevato possono causare gravi danni sia nel canale d’entrata che nella coda (cioè oltre il picco di Bragg). La carica Z dello ione va dunque determinata con particolare cura: allo stato attuale delle conoscenze la scelta migliore è lo ione C6+ caratterizzato da una efficacia biologica relativa (RBE) che è circa tre volte quella dei protoni nella regione del picco di Bragg mentre rimane pressoché la stessa nel canale d’entrata. Gli ioni C6+ sembrano quindi essere i più adatti per il trattamento di tumori radioresistenti.1 2
L’acceleratore del CNAO – Centro Nazionale di Adroterapia Oncologico è un
acceleratore normalconduttivo costituito da due sorgenti ECR per la produzione di ioni carbonio C4+ e H3+. Una linea di trasporto a bassa energia LEBT, un acceleratore lineare LINAC costituito da un RFQ ed una struttura IH – DTL che accelera il fascio da 8 keV/u a 7 MeV/u. Il fascio incontra quindi uno stripper foil di Carbonio passando dallo stato di carica tetravalente a quello esavalente per poi essere accelerato dalla cavità RF del sincrotrone.
Le cavità acceleratici del Linac sono strutture normalconduttive in acciaio ramato per via elettrochimica. Risulta di fondamen
I. Electronic properties of nanomaterials.
Physics of inorganic nanostructures: Band structure engineering, quantum confinement, quantum wells/wires/dots, electronic states, energy levels and density of states, selected experimental results on characterization (STS, WF mapping, optical spectroscopy) and applications (lasers, single photon sources, single electron transistors).
Physics of organic nanosystems: Carbon nanostructures (nanotubes, fullerenes and graphene: band structure, Dirac Points, electronic properties, Raman spectra, electronic transport, Klein tunneling and applications), charge transport in conductive polymers and organic semiconductors.
L’uso di materiali superconduttori per la costruzione di cavità RF per gli acceleratori di particelle, permette di ottenere degli alti gradienti di accelerazione con basse perdite termiche.
Tra tutti i possibili materiali, il niobio massivo puro, con Tc = 9.2 K, presenta il migliore comportamento superconduttivo se sottoposto ad alti campi di RF. Per ottenere alti fattori di qualità (Q0) e alti campi acceleranti (Eacc), sono necessarie superfici piatte e libere da difetti superficiali. Le dispersioni si generano in uno strato superficiale di 50-100 nm che presenta
esternamente l’ossido nativo (5-10 nm) solitamente contaminato da polvere ed elementi adsorbiti durante il processo di pulitura superficiale.
I processi di pulitura chimici BCP (Buffer Chemical Polishing) generano ottime
superfici, nel particolare la lucidatura chimica ottenuta con la miscela FNP 1:1:2 (Acido Fluoridrico, Acido Nitrico, Acido Ortofosforico 1:1:2 v/v/v) da Kinter1 offre anche ottimi rendimenti. Nonostante questo, con il miglioramento delle tecniche di produzione, il trattamento finale è diventato il vero fattore limitante per l’ottenimento di gradienti acceleranti superiori a 35-40 MV/m2.
L’EP (Electrochemical Polishing) rappresenta una valida alternativa offrendo, già dalle prime applicazioni, un miglioramento rispetto ai processi chimici standard di lucidatura.
Infatti, anche se non è completamente chiaro il motivo, le superfici elettrolucidate presentano gradienti acceleranti maggiori delle superfici lucidate chimicamente.
D’altronde l’impiego dell’elettrolucidatura, condotta in HF 36% / H2SO4 4%, non evita l’uso di agenti chimici alquanto pericolosi. Nasce da questi presupposti codesto lavoro di tesi che si propone l’ambizioso obiettivo di rendere il processo più sicuro e allo stesso tempo meno costoso.
1. Superfici e Interfacce Benchè numericamente trascurabili (rispetto al bulk ), gli atomi alla superficie di un solido determinano un gran numero di proprietà dello stesso in relazione alla interazione con agenti esterni. Inoltre, la superficie (ovvero una qualunque interfaccia con altro mezzo) rappresenta un luogo in cui la perfetta simmetria del cristallo si modifica notevolmente. Immaginando di dividere in due, lungo un particolare piano, un cristallo gli atomi sulla superficie tendono a ridisporsi per minimizzare la loro energia (deformazione).
6. Low Energy Electron Diffraction (LEED) Tecnica usata da Davisson e Germer per evidenziare la natura ondulatoria dell’elettrone. Gli elettroni sono diffratti dal primo strato di atomi (scattering bidimensionale). Sfera di Ewald q z qualunque, poichè R z =0.
7. Molecular Beam Epitaxy Reflection High Energy Electron Diffraction (RHEED) Produzione di strati sottili cristallini su substrati ordinati. Lo spessore che va depositandosi viene controllato con la tecnica RHEED. Max di diffrazione quando una strato è completo.
8. Scanning Tunnelling Microscopy Oppenheimer (1927): corrente di tunnelling. la funzione d’onda si riduce di un fattore Soluzione approx. eq. Schroedinger La corrente è proporzionale a V, 2 , densità iniziale elettroni n i , densità stati finali n f .
14. Immagine STM di un quantum corral per elettroni: realizzato con 48 atomi di Fe su una superficie di Cu a bassa temperatura. STM: Quantum corral La stessa punta del microscopio è utilizzata per posizionare gli atomi di Fe in una anello di 12.4 nm. Notare la struttura ondulatoria dentro il recinto determinata dal confinamento degli stati elettronici superficiali di Cu.
![Superfici e Interfacce Trascurando “ricostruzioni superficiali” e “deformazioni” sono necessari 10 parametri per posizionare due interfacce planari una rispetto all’altra. ,[object Object],[object Object],[object Object],[object Object]](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)