Transcript Il ciclotrone - Ingegneria Elettrica ed Elettronica

Le tecnologie di Imaging e
l’Ospedale – Il ciclotrone
Relatore:
Roberto Marzeddu
Alliance Medical
[email protected]
Le tecnologie di Imaging e l’Ospedale
Cagliari, 28 Febbraio 2014
Sommario
•
•
•
•
Cos’è un ciclotrone
A cosa serve un ciclotrone in ospedale
Come funziona un ciclotrone
Com’è fatto un ciclotrone
– GE MINITrace
• La gestione/manutenzione di un ciclotrone
Acceleratori di particelle
• Un acceleratore di particelle è una macchina il cui scopo è quello di
produrre fasci di ioni o particelle subatomiche (elettroni, positroni,
protoni, antiprotoni etc.) con "elevata" energia cinetica (keV – GeV)
• Utilizzi principali
– 60% scopi industriali (impiantazione di ioni, sterilizzazione)
– 35% scopi medici (produzione di isotopi radioattivi, terapia adronica, etc.)
– 5% ricerca (studio della struttura dei materiali, fisica delle particelle
• Geometria
– Lineari (LINAC) : SLAC, acc.ri radioterapia
– Circolari : ciclotrone, sincrotrone, LHC (CERN)
• Caratteristiche comuni
– L’accelerazione delle particelle è basata sull'uso di campi elettrici (aumento di
energia) e magnetici (correggere dispersioni spaziali e di impulso dei fasci
accelerati)
– Sorgente (iniettore) di ioni
– Vuoto
– Raffreddamento
Ugo Amaldi , “The importance of particle accelerators”, Europhysics News, June 31, 2000
SLAC -Stanford
• LINAC
• 3 km, 50 GeV e- / e+
Acceleratore lineare per radioterapia
• Elettroni (es. 6-9-12-15-18 MeV)
• Fotoni (6 – 18 MV)
Il sincrotrone - Cnao
• CNAO (Centro
Nazionale
Adroterapia
Oncologica)
• 25 m diametro
• Protoni 250 MeV, ioni
carbonio (4800 MeV)
• Tre sale di
trattamento
Rossi S. ,»The status of CNAO» , Eur. Phys. J. Plus (2011) 126: 78
Large Hadron Collider
• Tunnel circolare lungo 27 km alla profondità di
100 m
• Collisioni protone-protone 8 GeV (c.d.m.)
Il ciclotrone
(1930)
Ciclotrone classico
• Per effetto dell’azione combinata del campo elettrico e
magnetico le particelle percorrono una traiettoria «a
spirale» successione di semi-circonferenze di raggio
crescente
• Il raggio della La frequenza di rivoluzione è indipendente
dall’energia della particella
– Proporzionale alla velocità /energia della particella
– Inv.te proporz.le al campo magnetico e carica
• La frequenza di rivoluzione è indipendente dall’energia
della particella
– Proporzionale al campo magnetico e carica
– Inv.te proporz.le alla massa della particella
• Limite relativistico
– Aumento della massa  diminuzione della frequenza
Focalizzazione del fascio
• Posizione/Orbita/Piano di riferimento
– Per un dato valore di energia, le particelle percorrono una traiettoria
«circolare» di raggio r0, contenuta nel piano di riferimento e con una
data fase ϕs rispetto al potenziale oscillante
• Impacchettamento (bunch)
– Contenere le variazioni angolari rispetto alla fase di riferimento ϕs
– Meccanismo di stabilità in fase
• Focalizzazione radiale
– Contenere le variazioni dr rispetto al valore del raggio di riferimento r0
– Campo mag.co decrescente in direzione radiale
• Focalizzazione trasversale
– Contenere le variazioni dz rispetto al piano dell’orbita di riferimento
– Campo mag.co decrescente in direzione radiale
• Scelta opportuna del gradiente per ottenere la focalizzazione
radiale e trasversale con dB/dr <0
Stabilità in fase
• Meccanismo di compensazione dello
sparpagliamento longitudinale del fascio:
– La particella che arriva per prima al gap (V>Vs) subisce
una accelerazione minore rispetto alla particella in
fase
– La particella che arriva per prima al gap (V<Vs) subisce
una accelerazione maggiore rispetto alla particella in
fase
– Impacchettamento del fascio (bunch)
Dispersione assiale / radiale
• Oscillazioni di betatrone
– Oscillazioni rispetto all’orbita di riferimento in
direzione radiale nel piano della traiettoria
– Oscillazioni rispetto all’orbita di riferimento in
direzione perpendicolare al piano della traiettoria
Correzione disp.ne radiale
• Diminuire l’intensità del campo
magnetico all’aumentare del raggio
dell’orbita
• La componente radiale della F. di L. deve
contrastare la forza centrifuga (~1/r)
• Il campo deve diminuire secondo
(1/r)^n con n<1
• Focalizzazione assiale
Correzione disp.ne assiale
• La variazione radiale del c.m. introduce una componente radiale Br che può
focalizzare (dB/dr < 0) o defocalizzare (dB/dr > 0) assialmente il fascio.
• In presenza di effetti relativistici, occorre aumentare l’intensità del campo con il
raggio
• Perdita della focalizzazione assiale
Focalizzazione forte / debole
• Focalizzazione debole:
– focalizzazione radiale e assiale (0< n < 1)
– funziona sino a energia non relativistiche (v<<c)
• Focalizzazione forte (di Thomas):
– Il campo aumenta radialmente (n<0)
• Solo focalizzazione radiale (n < 1)
– Il campo magnetico varia azimutalmente
• Conformazione del magnete hills / valley
Ciclotrone AVF
• Campo magnetico a
gradienti alternati
(Azimuthally Varying
Field)
– Successione di settori
focalizzanti (hills) e
defocalizzanti (valley)
– Effetto focalizzante anche
ad energie relativistiche
– Elevata intensità del fascio
Produzione r.f. e
diagnostica PET
PRODUZIONE
RADIOFARMACI
DIAGNOSTICA
Produzione di radioisotopi PET
• Radioisotopi per diagnostica PET
– Emettitori +
– Breve emivita
Radioisotopo
Emivita
(minuti)
Energia
cinetica
media dello
spettro
(MeV)
Energia
cinetica
massima
dello spettro
e+ (MeV)
Range
medio in
acqua
(mm)
Path length
(mm)
18F
109.8
0.242
0.633
1.4
2.4
11C
20.4
0.385
0.960
1.7
4.1
13N
10.0
0.491
1.198
2.0
5.1
15O
2.0
0.735
1.732
2.7
7.3
Produzione 18F
•
•
18O(p,n)18F
(liq./gas)
20Ne(p,α)18F (gas)
Il ciclotrone GE MINItrace™
A.O. «Brotzu», M.N. Centro PET
Ciclotrone GE MINItrace™ (1)
• General Electric MINItrace™
– Protoni 9,6 MeV
– Compatto e autoschermato
• “Facilità” di installazione
• Minori vincoli di schermature (radioprotezione)
– Gestione operativa automatizzata attraverso software
“user friendly” (Master System)
• Richiede una conoscenza base del sistema
– Gestione operativa manuale attraverso software
MINItrace Service System (MSS)
• Richiede una conoscenza approfondita del sistema
Ciclotrone GE MINItrace™ (2)
• Autoschermatura (cemento borato + acciaio)
– 3.6 x 2.1 x 2.1 m (l*p*a), 50 tonnellate
•
•
•
•
•
Consumo : 40 kW (3,5 kW in standby)
Orientazione della camera verticale
Sorgente: Penning catodo freddo, ioni HFrequenza RF: 101 MHz (fciclo≈25,2 MHz, h=4)
Magnete (elettromagnete):
– diametro dei poli: 70 cm
– peso dei poli (avvolgimenti inclusi): 10 tonnellate
– campo magnetico medio: 1.66 T
• Sistema di estrazione:
– Stripping foil
– particelle in uscita: protoni da 9.6MeV
• Bersagli
– 5+1
– corrente di fascio massima: 50μA (18F), 40 μA (11C)
Struttura del
sistema
MINItrace™
1. Master System (o MSS): consolle di comando
2. Blocco ciclotrone
–
–
–
–
–
Camera
Magnete
Target
Sistema da vuoto
Sistema di raffreddamento
3. Armadio tecnico (CCAB + RFPG)
Sistema di controllo
• Master consolle
– Interfaccia principale
– Procedure automatizzate
• MSS consolle
– Interfaccia basso livello
– Manutenzione e diagnosi
Finestra
“System status”
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.
11.
12.
I.S. Tensione/Corrente
Corrente di magnete
Tensione delle dees
Regolazione segnale RF
Pressione della camera
Corrente del target
Corrente dei collimatori
Corrente del foil
Corrente della probe
Pressione riemp.to target
Pressione del target
Pressione circuito He cooling
Sottosistemi del
MINItrace
•
Sorgente di ioni:
– genera le particelle da accelerare (H-)
•
Sistema di radiofrequenza:
– estrae le particelle dalla sorgente
– accelera le particelle
•
Generatore di campo magnetico:
– costringe le particelle a percorrere orbite circolari
– confina il plasma nella sorgente
•
Sistema di estrazione:
– estrae del fascio di particelle accelerate verso il bersaglio
•
Sistema da vuoto:
– aumenta l’isolamento elettrico
– riduce le collisioni delle particelle con molecole di gas
•
Bersagli (targets):
– Contengono la sostanza che viene attivata dal fascio di protoni
•
Sistema di raffreddamento:
– raffredda tutti i sottosistemi (acqua)
– raffredda i foils del target (elio)
•
Sistema di diagnosi del fascio
– Verifica la presenza e l’intensità del fascio di particelle
Sistema da vuoto
Estrae le molecole di gas dalla
camera
• Riduce le collisioni degli ioni H• Aumenta l’isolamento elettrico
• Pressioni
• ~10-6 – 10-8 mbar (standby)
• ~10-5 mbar (irraggiamento)
Parametri controllo:
• pressione camera (mbar)
Sistema da vuoto (2)
Sistema autonomo (24h)
• Pompa rotativa / diffusiva
Sorgente di ioni
Genera le particelle
da accelerare (H-)
• Penning catodo
freddo
Parametri controllo:
• IS current (mA)
• IS voltage (V)
Sorgente
di ioni (2)
Circuito generatore RF
• Genera il segnale
radiofrequenza per
accelerare gli ioni H• 101 MHz (± 0,5 MHz)
• Estrae gli ioni dalla
sorgente
Parametri controllo:
•RF tuning (%)
“Dees”
“Antenna” trasmittente del segnale RF
• estrae gli ioni dalla sorgente
• accelera gli ioni che la attraversano
• apertura angolare 36°
• tensione max 35 kV
Parametri di controllo:
• tensione delle dee
Fase di accelerazione
2 dees + 2 settori gnd
• 4 accelerazioni per giro
• 25 keV per gap
• 100 keV per giro
• ~ 100 giri
Magnete
• Genera il campo magnetico
• deflessione
• focalizzazione
• Campo magnetico medio: 1.66T
• Espansione polare AVF (hills / valleys)
• Corrente operativa: 132 A (max 150 A)
Parametri di controllo:
• corrente di magnete
Sistema di
estrazione
• Stripping degli elettroni per mezzo
di un foglio di grafite (2 µm)
• Misura la corrente del fascio prima
dell’estrazione
Parametri di controllo:
• corrente foil di estrazione
• lavoro del foil (uAh)
Target
• liquido / gassoso
• Liquid Target Filler (LTF)
• raffreddamento
elio/acqua
• Sonda di corrente
• Connessioni Media in/out
Parametri di controllo:
• corrente target
• pressione riempimento
• pressione target
Target 18F: dettagli
Collimatori
• Delimitano il fascio in ingresso al
target
• Misurano la corrente per il
posizionamento fine dell’estrattore
Parametri di controllo:
• corrente collimatori (µA)
Sistema di raffreddamento
ELIO (helium cooling)
• dedicato ai foils del target
ACQUA (raff.to sec.)
• Tutti i sottosistemi (RF, DEES, PSMC,
RFPG, MAGNET, IONS e TARGET)
• Operativo 24h
Parametri di controllo:
• Pressione circuito elio
Sistema di diagnosi del fascio
Controlla la presenza e l’intensità del fascio
• all’uscita della sorgente (probe)
• sul foil di estrazione
• sui collimatori
• sui targets
OBBIETTIVO : mantenere costante la corrente del target
Gestione del «sistema ciclotrone»
• La macchina ciclotrone presenta una varietà di criticità
intrinseche conseguenti alla complessità del sistema stesso
e riconducibili soprattutto a
– Instabilità del fascio
– Perdita di efficienza
• Il (buon) funzionamento del ciclotrone è condizione
necessaria ma non sufficiente per il funzionamento del
«sistema ciclotrone»
– Funzionamento dei servizi di supporto
• U.T.A. , erogazione gas tecnici e aria compressa, alim.ne elett.ca
– Manutenzioni programmate / sistema di monitoraggio
• Monitoraggio del ciclotrone
• Monitoraggio degli impianti (supervisione)
• Facility manager, ditte di manutenzione specializzate
Monitoraggio del ciclotrone
• Software Excel/VBA per raccolta dati relativi ai
bombardamenti e analisi dei logfiles
• Descrizione oggettiva del singolo irraggiamento
– Parametri e soglie di riferimento
– Analisi grafica
• Descrizione dello stato del sistema
– Analisi grafica e numerica dei parametri nel tempo
– Caratterizzazione numerica di un evento (se fa…)
– Associazioni con i metadati (guasti)
Database dei batch: inserimento
DATABASE delle PRODUZIONI e delle SESSIONI
LAVORO dei TARGET
RESA della PRODUZIONI
Database dei batch: archiviazione
Foglio di elaborazione principale
Startup
05.32.33
05.34.07
05.35.43
05.37.39
05.39.30
05.41.21
05.43.17
05.45.10
05.47.05
05.48.53
05.50.37
05.52.30
05.54.27
05.56.24
05.58.20
06.00.12
06.02.03
06.03.55
06.05.48
06.07.38
06.09.29
06.11.21
06.13.16
06.15.17
06.17.12
06.19.03
06.20.51
06.22.33
06.24.15
06.26.10
06.28.02
06.29.53
06.31.44
06.33.35
06.35.28
06.37.19
06.39.10
06.41.01
06.42.53
06.44.54
06.46.48
06.48.45
Target / foil current (uA)
TARGET, FOIL e COLLIMATORI
tempo (hh:mm:ss)
target
foil
60,0
50,0
40,0
10,00
30,0
8,00
20,0
6,00
4,00
10,0
2,00
0,0
0,00
Collimators current (uA)
Regolazione della corrente del target
L+R
16,00
14,00
12,00
Analisi dell’irraggiamento
• asimmetria di incidenza del fascio sui collimatori
– viene valutata dal rapporto percentuale tra la differenza e
la somma delle correnti dei collimatori sinistro e destro;
• la dispersione del fascio incidente sui collimatori
– viene valutata attraverso il calcolo del rapporto
percentuale tra la somma delle correnti dei collimatori e la
corrente del target;
• la perdita di corrente tra il foil ed il target (“foil/target
loss”)
– viene valutata tramite la media dei rapporti percentuali tra
le correnti dell’extraction foil e del target
• Perdita del fascio
06:02:13
06:02:19
06:02:23
06:02:28
06:02:33
06:02:38
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06:02:59
06:03:04
06:03:09
06:03:14
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06:03:47
06:03:51
06:03:56
06:04:00
06:04:04
06:04:09
06:04:14
06:04:18
06:04:22
06:04:27
06:04:32
06:04:36
06:04:41
06:04:46
06:04:51
06:04:55
06:05:00
06:05:04
06:05:09
06:05:14
06:05:19
06:05:24
06:05:29
• analisi dati specifiche
• report
• grafici
Collimator current (uA)
Fogli per i
sottosistemi
Correnti PROBE e FOIL
50,0
probe
foil
45,0
40,0
35,0
30,0
25,0
20,0
15,0
10,0
5,0
0,0
time (hh.mm.ss)
06:49:32
06:46:35
06:43:38
90
134
80
133,5
70
132
50
40
131,5
30
131
20
130,5
130
10
129,5
0
129
magnet current (A)
RF tuning - Magnet current
06:40:41
06:37:51
06:35:00
06:32:08
06:29:18
06:26:27
06:23:34
06:20:59
06:18:13
06:15:18
06:12:14
06:09:23
06:06:33
RF tuning (%)
batch 4535 del 31/05/2013
06:03:43
06:00:51
05:58:00
05:54:59
05:52:03
05:49:13
05:46:25
05:43:34
05:40:39
05:37:48
05:34:58
05:32:34
05:32:34
05:33:52
05:35:08
05:36:39
05:38:10
05:39:41
05:41:12
05:42:45
05:44:19
05:45:50
05:47:27
05:48:53
05:50:20
05:51:50
05:53:21
05:54:57
05:56:33
05:58:09
05:59:41
06:01:11
06:02:43
06:04:14
06:05:46
06:07:16
06:08:47
06:10:17
06:11:48
06:13:25
06:15:03
06:16:39
06:18:09
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06:21:05
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06:23:50
06:25:25
06:26:57
06:28:28
06:29:58
06:31:29
06:33:00
06:34:31
06:36:03
06:37:34
06:39:04
06:40:36
06:42:07
06:43:44
06:45:21
06:46:52
06:48:28
06:50:00
IS voltage (V)
RF
Magnet
133
60
132,5
1600
Ion Source Chart (batch 3596 - 1/3/2012 - tg.1 (18F-F-) )
tempo (hh.mm.ss)
IS voltage
450
1400
400
1200
1000
800
250
600
200
400
150
100
200
50
0
0
IS current (mA)
Grafici generali
IS current
350
300
Sistema di
supervisione
• Antincendio
• U.T.A.
– Ciclotrone
– Radiofarmacia
– Diagnostica PET
• Gas tecnici
Criticità dei servizi
Criticità legate ai servizi accessori al sistema ciclotrone
• Pressione aria compressa medicale
– Valvole sistema da vuoto  spegnimento della macchina  attesa del
ripristino del vuoto
• Depressione bunker
– Consenso all’irraggiamento  blocco dell’irraggiamento
• Temperatura circuito di raffreddamento
– Resa di produzione
– Condensa
• Alimentazione elettrica
– Gruppo di continuità
– Sbalzi di pressione
– Tensione di alimentazione trifase  Tensione di riferimento tubo RF
• Media (gas tecnici / acqua)
– Inquinamento del target e della linea di trasferimento del 18F  blocco del
filter-frit entro poche produzioni
Riepilogo
• Cos’è un ciclotrone
– Acceleratore circolare di particelle
• A cosa serve un ciclotrone in ospedale
– Produzione di radioisotopi per diagnostica PET (specialmente quelli a
brevissima emivita)
– Produzione di 18F con reazione (p,n) su bersaglio liquido H218O
• Come funziona un ciclotrone
– Campo elettrico: accelera le particelle del fascio
– Campo magnetico: curva e focalizza il fascio di particelle
• Com’è fatto un ciclotrone
– Vuoto, raffreddamento, magnete, RF,
• La gestione/manutenzione di un ciclotrone
– Supervisione, manutenzione dedicata
– Importanza dei servizi accessori