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EBB_NeS
(Electron Beam Based Neutron Source)
Realizzazione di un prototipo di sorgente di neturoni termici/epitermici per BNCT con
acceleratore lineare di elettroni di bassa energia (10-12 MeV) ed alta corrente.
Research Area:
Accelerator based radiation sources
Scientific Responsibles (PI):
Lucrezia Auditore, Antonio Trifirò
Scopo del progetto
Progettazione, realizzazione e test di una sorgente di neutroni termici/epitermici basata sull’utilizzo di un
acceleratore lineare di elettroni (linac) di bassa energia (10-12MeV) ed alta corrente di fascio di
ottimizzata per essere di utilità pratica per la Boron Neutron Capture Therapy (BNCT).
Motivazione
BNCT strettamente dipendente dalla disponibilità di reattori nucleari (fluenze di neutroni ≥109 n/s/cm2).
Sorgenti basate su linac di elettroni, un’interessante soluzione: tecnologia ‘semplice’, già presente negli
ospedali da più di 10 anni, possibilità di sviluppare una sorgente compatta.
La fisica di EEB_NeS
Reazioni fotonucleari  possibilità di effettuare simulazioni MC dettagliate ed affidabili.
Produzione di neutroni:
(e,gamma): W o Ta, i cui spessore e dimensioni verranno ottimizzati mediante simulazioni MC.
(gamma,n): Be e/o D (bassa soglia energetica)  progettazione dettagliata.
Caratterizzazione spettroscopica e dosimetrica del fascio.
Vantaggi tecnologici di EEB_NeS
Linac di bassa energia, alta corrente: compattezza, tecnologia ormai consolidata, assenza di magneti di
focheggiamento, ‘bassa’ potenza.
Lucrezia Auditore, “EBB_NES”, CNSV INFN, 01 Ottobre 2014, Ferrara
Differenze di EBB_NeS rispetto altri progetti INFN
EBB_NeS vs PhoNeS (concluso):
 Stessa fisica (reazioni fotonucleari).
 Stesso scopo (produzione di un fascio di neutroni termici/epitermici di pratico interesse per la BNCT).
 Stessa tecnologia (acceleratori lineari di elettroni).
 Differente energia di fascio:
PhoNeS, 18-25MeV (GDR).
EBB_NeS, 10-12MeV.
 Differente corrente di fascio:
PhoNeS, linac di elettroni medicale, bassa corrente (sino a 45 mA).
EBB_NeS, linac di elettroni ad alta corrente progettato per Radiation Processing
 Differenti target per la produzione di fotoneutroni:
PhoNeS, materiali ad alto Z (W/Pb).
EBB_NeS, Be e/o D.
 Differente compattezza del prototipo (e.g. lunghezza della struttura accelerante di circa 1 m).
 Struttura autofocheggiante (non ci sono magneti focalizzatori).
 Bassa energia: limitati problemi di attivazione della struttura accelerante (rame). Vantaggi dal punto di vista
radioprotezionistico
Lucrezia Auditore, “EBB_NES”, CNSV INFN, 01 Ottobre 2014, Ferrara
INFN Units
INFN – Gruppo Collegato di Messina
Involved people
L. Auditore (Resp. Naz.)
Assegnista
0.5
M. Trimarchi
Ric. Temp. Det.
0.1
A.Trifirò (Resp. Naz.)
Ricercatore
0.5
FTE (INFN)
INFN – Sezione di Catania
M. Brai
Prof. Ordinario
0.3
A.
Dottorando
0.3
S. Gallo
Dottorando
0.1
A.
Post-Doc
0.2
M. Marrale (Resp. Loc.)
Ricercatore
0.3
S. Panzeca
Specializzando Fisica Sanitaria
0.3
E.A. Tomarchio
Prof. Associato
0.5
Carlino
Longo
FTE (INFN)
External Units
Dipartimento di Fisica e Scienze della Terra,
Università di Messina
Dipartimento di Ingegneria Civile e Industriale,
Università di Pisa
Istituto Nazionale di Metrologia delle
Radiazioni Ionizzanti dell’ENEA (INMRI-ENEA)
1.1
Involved people
I.Ielo
Esperto Qualificato con incarico
E. Morgana
Contrattista
R. Ciolini
Ricercatore
F. D’Errico
Prof. Associato
V. Giusti
Ricercatore
C. Romei
Dottorando
L. Quintieri
Ricercatore
2.0
EBB_NeS: aspetti scientifici.
Sorgente di fotoneutroni basata su un acceleratore lineare di elettroni da 5 MeV.
Target possibili: Be e/o D.
IAEA Photonuclear data
Referenze bibliografiche:
[1] L. Auditore, “Study of a photneutron source based on a 5 MeV electron linac”, PhD thesis, 2004.
[2] L. Auditore et al., NIMB 229 (2005) 137-143.
[3] IAEA-TECDOC-1178, Handbook of photonuclear data for applications: Cross sections and spectra,
October 2000, IAEA Vienna
Lucrezia Auditore, “EBB_NES”, CNSV INFN, 01 Ottobre 2014, Ferrara
F ≈ 1.310-8 n/el/cm2
Lucrezia Auditore, “EBB_NES”, CNSV INFN, 01 Ottobre 2014, Ferrara
Spettro di energia dei neutroni a 50 cm dal
moderatore di PE.
Range integrazione spettro:
10-9 to 2·10-6 MeV
Picco: ~ 30 meV
Lucrezia Auditore, “EBB_NES”, CNSV INFN, 01 Ottobre 2014, Ferrara
Target ottimizzato per un fascio di elettroni da 5MeV!
Fattore di guadagno ≈ 4.5-4.8
Lucrezia Auditore, “EBB_NES”, CNSV INFN, 01 Ottobre 2014, Ferrara
Ee = 5 MeV
W, 0.088 cm
Ee = 10 MeV
W, 0.088 cm
Lucrezia Auditore, “EBB_NES”, CNSV INFN, 01 Ottobre 2014, Ferrara
Fg(W 0,18cm)
Ee = 10 MeV
W, 0.18 cm
Fg(W 0,088cm)
Ee = 5 MeV
W, 0.088 cm
≈ 1.26
Coefficiente
calcolato
considerando solo fotoni con
energia superiore a 1.7 MeV,
Ee = 10 MeV.
Ee = 10 MeV
W, 0.088 cm
Lucrezia Auditore, “EBB_NES”, CNSV INFN, 01 Ottobre 2014, Ferrara
In sintesi …. con fascio di elettroni da 5 MeV, a 50 cm dal target di Be si avrebbe fascio di neutroni
termici/epitermici con intensità:
Fn ≈ 1.3  10-8 n/el/cm2.
Se si utilizzasse un fascio di elettroni da 10 MeV e target ottimizzato per il fascio da 5 MeV, si
registrerebbe un fattore di guadagno pari a circa 4.5.
Quindi, in termini di intensità del fascio di neutroni si avrebbe:
Fn ≈ 5.8  10-8 n/el/cm2
Parametri linac attualmente possibili (magnetron): Ipicco=100 mA, f=150 Hz.
Numero di elettroni per impulso: 3.7  1014 el/s.
Fluenza del fascio di neutroni ottenibile al II anno:
Fn ≈ 2.3  107 n/s/cm2
Fluenza del fascio di neutroni ottenibile al III anno (doppio magnetron):
Ottimizzazione del target W-Be  ulteriore guadagno in termini di flusso di neutroni.
Se le stime teoriche trovano conferma sperimentale, si può pensare di acquistare un
Klystron così da poter utilizzare il cannoncino alla sua max potenza (con correnti di
picco dell’ordine di 1 A).
Lucrezia Auditore, “EBB_NES”, CNSV INFN, 01 Ottobre 2014, Ferrara
Aspetti pratici del progetto EEB_NeS
Attrezzature e strumentazione disponibili:
 Acceleratore lineare di elettroni da 10-12 MeV (Dipartimento di Fisica e Scienze della Terra,
Università di Messina) installato presso il Centro Ricerche TECNA Territorio, Villafranca Tirrena
(Me). Progetto: TECNA Territorio PIT 22 – POR SICILIA 2000/2006 Misura 3.15 Azione C project .
 Bunker dimensionato per elettroni da 10 MeV  sono richiesti interventi di adeguamento
secondo normativa per produzione di neutroni.
Lucrezia Auditore, “EBB_NES”, CNSV INFN, 01 Ottobre 2014, Ferrara
Caratterizzazione dosimetrica ed energetica del fascio di neutroni


Spettroscopia gamma/neutroni (INFN-CT/Univ. PI):

Spettrometro a multisfere (BSS) per neutroni

Spettrometri Proton recoil (organici e ZnS)

Fogli di attivazione (a risonanza e a soglia)

Rivelatori a bolle (emulsioni)

Rivelatori HPGe e Si

Scintillatori NaI, CsI, LaBr
Dosimetria gamma/neutroni (INFN-CT/Univ. PI) :

Termoluminescenza (6LiF e 7LiF)

Electron Spin Resonance (dosimentri di alanina irraggiati con e senza grafite … vedi caratterizzazione della
colonna termica del reattore effettuata in collaborazione con Prof. Saverio Altieri)

Dosimetri a Gel (gel Fricke in grado di discriminare componente gamma e
neutroni ... vedi lavoro svolto in collaborazione con G. Gambarini)

Rivelatori a bolle (emulsioni)

Rem counters
Lucrezia Auditore, “EBB_NES”, CNSV INFN, 01 Ottobre 2014, Ferrara
Soggetti esterni (non direttamente coinvolti) interessati al progetto EBB_NeS
Applicazione pratica della sorgente.
Ricerca medico-scientifica in campo
oncologico che ne può conseguire.
Non escluso un contributo economico a
medio termine e scientifico a lungo
termine.
Lucrezia Auditore, “EBB_NES”, CNSV INFN, 01 Ottobre 2014, Ferrara
Works Packages (WP). Activities and Time Schedule.
WP1: Target for photoneutron production and BSA: design by MC simulations, setup and testing. Resp.: L. Auditore / A. Trifirò (INFN-ME)
Units
MC simulations for e-gamma converter, photoneutron target and Beam
codes (MCNPX, FLUKA, GEANT4).
2nd
3rd
4th
5th
6th
sem.
sem.
sem.
sem.
sem.
sem.
x
x
ME
Shaping Assembly (BSA) design.
Comparison of MC simulation results obtained with different Monte Carlo
1st
ME, ENEA
Fabrication of the target for photoneutron production and of the BSA.
Development of the mechanical support for the target/BSA and its remote
control system.
x
Me
x
Me
x
x
Test of e-gamma converter and characterization of the beamsstrahlung beam.
Me, CT, PI
x
x
x
Test of the photoneutron target and BSA.
Me, CT, PI
x
x
x
WP2: Cooling system: design and testing. Resp.: L. Auditore / A. Trifirò (INFN-ME)
Units
Design of the cooling system for the exit window of the linac and for the
photoneutron target.
Test of the cooling system
Development of the hardware and software for the control of the cooling
system
Upgrade of the linac control system to account for safe beam interruption
because of high temperature of the target
Me
1st
2nd
3rd
4th
5th
6th
sem.
sem.
sem.
sem.
sem.
sem.
x
x
Me
x
Me
x
x
Me
x
x
WP3: Upgrade of the bunker structure and request for authorization. Resp.: Isidora Ielo (Univ. ME)
Units
Design of the shielding requested to adapt the bunker to host a
neutron source.
Me,
Univ. Me
1st
2nd
3rd
4th
5th
6th
sem.
sem.
sem.
sem.
sem.
sem.
x
x
Radiation shielding upgrade.
Me, Univ. Me
x
x
Request of authorization for hosting a neutron source.
Me, Univ. Me
x
x
WP4: Gamma and neutronic spectroscopy. Resp: Francesco D’Errico (Univ. PI)
Units
1st
2nd
3rd
4th
5th
6th
sem.
sem.
sem.
sem.
sem.
sem.
x
x
x
x
x
x
x
x
Measurements of the gamma-photon spectrum produced by the electron
accelerator in the initial configuration.
CT, PI
Measurements of the possible low-intensity neutron spectrum produced by the
CT, PI
irradiation system in the initial configuration.
Monte Carlo simulations to evaluate the spectrum of gamma photons produced by
CT, PI
x
x
CT, PI
x
x
the electron-gamma and gamma-neutron converters.
Monte Carlo simulations to evaluate the spectrum of neutrons produced by the
electron-gamma and gamma neutron converters.
Measurements of the gamma-photon spectrum of the mixed field produced by the
CT, PI
irradiation system after the installation of the radiation converters.
Measurements of the neutron spectrum of the mixed field produced by the
irradiation system after the installation of the radiation converters.
CT, PI
WP5: Gamma dosimetry, neutron dosimetry. Resp.: Maurizio Marrale (INFN-CT)
1st
Units
Determination of the dose rates due to the gamma and the possible neutron
components of the mixed field in the initial configuration of the electron accelerator.
Monte Carlo simulations to evaluate the doses released by gamma photons produced
by the electron-gamma and gamma-neutron converters.
Monte Carlo simulations to evaluate the doses due to neutrons produced by the
electron-gamma and gamma neutron converters.
Measurements of the gamma dose of the mixed field produced by the irradiation
system after the installation of the radiation converters.
Measurements of the neutron dose of the mixed field produced by the irradiation
system after the installation of the radiation converters.
sem.
2nd
4th
sem. sem. sem.
CT, PI
x
x
CT, PI
x
x
CT, PI
x
x
CT, PI
3rd
x
CT, PI
Money matrix (Costs are expressed in k€)
2015
2016
2017
Tot. / WP
WP1
35.5
76
85
196.5
WP2
55
1.5
0
56.5
WP3
200
78
15
293
WP4
62
2
2
66
WP5
42
22
22
86
Travels/Transport
33.5
30
30
93.5
Total / year
428
209.5
154
791.5
5th
6th
sem.
sem.
x
x
x
Conclusioni
Il successo del progetto EBB_NeS confermerebbe l’idea che acceleratori lineari di
elettroni di bassa energia ed alta corrente possono essere utilizzati per produrre
neutroni termici/epitermici di interesse pratico per la BNCT.
Qualora i dati di simulazioni MC non fossero confermati e dai test sperimentali
risultassero fluenze inferiori a quelle previste, il progetto EBB_NeS consentirebbe
comunque di avere una sorgente di neutroni termici/epitermici basata su una
tecnologia versatile e relativamente economica.
La disponibilità di una siffatta sorgente di neutroni termici/epitermici è di grande
interesse per la comunità scientifica nazionale ed internazionale, anche nell’ambito di
studi spettroscopici e dosimetrici con lo sviluppo di nuovi rivelatori e tecniche di
rivelazione.
Non è infine da sottovalutare l’impatto tecnologico del progetto (sviluppo di tutti i
sistemi di controllo e monitoraggio della sorgente e strumentazione correlata).
Lucrezia Auditore, “EBB_NES”, CNSV INFN, 01 Ottobre 2014, Ferrara