Добірка наукової літератури з теми "Identificazione frammenti nucleari"

L'adroterapia è il trattamento per la cura dei tumori attraverso l'irraggiamento del volume tumorale con un fascio di protoni o di ioni pesanti. Il vantaggio nell'utilizzare queste particelle consiste nel loro profilo di dose-profondità caratterizzato dal picco di Bragg che permette di massimizzare il danno nella regione tumorale limitando i danni ai tessuti sani limitrofi. Fino ad ora, non è ancora stata fatta una stima completa degli effetti nocivi causati dagli eventi di frammentazione nucleare tra le particelle del fascio e il materiale biologico. L'esperimento FOOT nasce con l'obiettivo di misurare la sezione d'urto differenziale di tutti i prodotti emessi nella frammentazione nucleare tra il fascio e il paziente. E' stato effettuato a tal proposito uno studio sull'identificazione dei frammenti nel quale sono stati stimati il numero atomico z e il numero di massa A. La ricostruzione della carica e della massa è stata effettuata analizzando i frammenti prodotti da un fascio di ossigeno-16 avente energia cinetica 200 MeV/u su un bersaglio di polietilene. I dati sono stati ottenuti attraverso una simulazione effettuata con il codice FLUKA, includendo le risoluzione sperimentali di tutti i rivelatori ottenute da test effettuati su fascio. Sono stati selezionati gli 8 frammenti più comunemente prodotti nell'interazione nucleare tra il fascio e il bersaglio (uno per ogni carica, da z=1 a z=8). La stima di z è stata ottenuta con una risoluzione percentuale inversamente proporzionale al valore della carica stessa, da un 6% per l'idrogeno a un 2% per l'ossigeno. La ricostruzione di A è stata effettuata con metodi diretti e attraverso l'uso di due metodi di fit, minimizzazione del chi quadro e Augmented Lagrangian Method. La migliore risoluzione percentuale di A è risultata del 4% per i frammenti pesanti e del 5% per quelli leggeri. I risultati così ottenuti hanno dimostrato la potenzialità dell'esperimento nell'univoca identificazione dei frammenti considerati.

L’esperimento FOOT è un progetto di fisica nucleare approvato nel 2017 con l’obiettivo di misurare le sezioni d’urto relative a processi di frammentazione nucleare tra un fascio di protoni o ioni e un bersaglio, in un intervallo di energia tipico dell’adroterapia e della radioprotezione spaziale. Ad oggi il progetto conta 101 membri appartenenti a 10 diverse sezioni INFN e coinvolge numerosi laboratori e università italiane e internazionali. Al fine di misurare queste sezioni d’urto, risulta fondamentale identificare univocamente i frammenti nucleari prodotti. In questa tesi è stato effettuato uno studio sull’identificazione dei frammenti prodotti in seguito all’urto tra un fascio di 16O, avente energia cinetica pari a 200 MeV/u, e un bersaglio fisso di polietilene (C2H4). L’analisi è stata effettuata sui dati simulati dal programma FLUKA, includendo le risoluzione sperimentali di tutti i sottorivelatori ottenute da test effettuati su fascio. In primo luogo, considerando gli 8 frammenti maggiormente prodotti (1H, 4He, 7Li, 9Be, 11B, 12C, 14N, 16O), è stato effettuato uno studio sulla ricostruzione della carica z ottenendo una risoluzione percentuale tra il 5% per 1H e il 2% per 16O. In secondo luogo, è stata realizzata una ricostruzione del numero di massa A attraverso metodi diretti e con l’uso di un metodo di fit basato sulla minimizzazione di una funzione di χ2. La migliore risoluzione percentuale di A è risultata del 3% per i frammenti pesanti e del 4% per quelli leggeri. E` stata dimostrata la capacità dell’esperimento nel fornire l’identificazione dei frammenti prodotti, primo passo per la misura delle sezioni d’urto di interesse.

L'adroterapia è una cura oncologica radiante che utilizza fasci di adroni, come protoni o ioni pesanti. Questa terapia risulta notevolmente efficace, rispetto alla radioterapia, in quanto impiega l'interazione tra particella carica e materia per creare danni irreparabili nella catena del DNA delle cellule cancerogene. Nell'intervallo di energia dell'adroterapia, risulta tuttavia essenziale considerare i processi di frammentazione nucleare che potrebbero danneggiare tessuti sani limitrofi alla neoplasia. L'esperimento FOOT è stato progettato per determinare le sezioni d'urto dei processi di frammentazione nucleare tra il fascio di trattamento e il bersaglio biologico. L'analisi delle sezioni d'urto necessita di una preliminare identificazione dei frammenti prodotti. La tesi verte su quest'ultimo aspetto attuato attraverso un'analisi di dati simulati dal programma FLUKA, a cui è applicata un'alterazione gaussiana delle quantità ricostruite per tener conto della diversa risoluzione dei detector dell'apparato di FOOT. La simulazione considera un fascio di ossigeno-16 indirizzato verso un bersaglio di polietilene ad un'energia di 200 MeV/u. Viene quindi identificato il numero atomico Z e il numero di massa A di 9 dei principali frammenti prodotti in eventi di frammentazione nucleare (con Z compreso tra 1 e 8). La misura del numero atomico Z è stata ottenuta attraverso la misura del tempo di volo dei frammenti e dell'energia depositata negli strati di materiale scintillante; la precisione ottenuta permette una completa identificazione della carica dei frammenti. La misura del numero di massa è stata effettuata sia attraverso l'applicazione di formule cinematiche relativistiche, sia attraverso un metodo di minimizzazione del χ^2. Quest’ultimo metodo ha fornito i risultati più precisi, dimostrando la possibilità di una separazione isotopica dei frammenti e dunque anche del calcolo della loro sezione d'urto.

L’adroterapia è una terapia medica oncologica che consiste nell'irraggiamento della massa tumorale tramite un fascio di particelle cariche la cui caratteristica fondamentale è il loro quasi completo rilascio di dose nella zona di arresto del fascio dove è situato il tumore, con il vantaggio di limitare i danni ai tessuti sani circostanti. Nonostante l’adroterapia sia studiata e utilizzata da oltre 60 anni, non tutti gli aspetti sono conosciuti esattamente; in particolare esistono pochi dati in letteratura sulla probabilità di frammentazione nucleare tra le particelle del fascio e i nuclei del corpo umano alle energie dell’adroterapia, che impediscono la definizione di un protocollo standard di trattamento. Per sopperire a questa mancanza, l’INFN ha approvato l’esperimento FOOT, con l’obiettivo di misurare la sezione d’urto di tutti i frammenti nucleari che si creano nell'interazione tra il fascio e il paziente. A tale scopo, è necessaria innanzitutto l’identificazione univoca di ciascun frammento, ricostruendo il numero atomico Z e il numero di massa A. L’analisi per la ricostruzione è stata effettuata con una simulazione Monte Carlo dell’interazione tra un fascio di ossigeno di energia 200 MeV/u e di un bersaglio di polietilene che ben simula i nuclei presenti nel corpo umano. Al fine di valutare le prestazioni dell’apparato, si è tenuto conto della risoluzione finita dei diversi rivelatori e l’analisi si è focalizzata sugli 8 frammenti più copiosamente prodotti nell'interazione nucleare tra il fascio e il bersaglio. La stima della carica z è stata ottenuta con un metodo la cui risoluzione va dal 5.8% di H al 1.9% di O, mentre il valore del numero di massa A è stato ottenuto con diversi metodi diretti e con l’utilizzo di un fit cinematico, dove la miglior risoluzione percentuale risulta del 3% per i frammenti pesanti e di circa il 5% per quelli leggeri. Dai risultati emerge l’efficacia dell’esperimento FOOT nella ricostruzione univoca dei frammenti nucleari.

L'esperimento FOOT (FragmentatiOn Of Target) ha l'obiettivo di migliorare la conoscenza dei fenomeni nucleari che avvengono nell'interazione fascio-paziente durante le cure di adroterapia, misurando le sezioni d'urto differenziali di produzione di tutti i frammenti nucleari. Per poter effettuare queste misure è necessario identificare il tipo di frammento prodotto determinandone la sua carica (o numero atomico) e la sua massa (o numero di massa). Il numero di massa del frammento è ricavato attraverso la minimizzazione di una funzione di χ2 di un fit cinematico delle quantità ricostruite impulso, energia cinetica e tempo di volo. La precisione raggiunta per la determinazione della carica e della massa è rispettivamente intorno al 2% e al 4%. Uno studio sistematico ha evidenziato che migliorare la risoluzione dell'impulso o dell'energia cinetica non comporta un sostanziale miglioramento sulla determinazione del numero di massa: al contrario un miglioramento sul tempo di volo si riflette direttamente su una maggior precisione del numero di massa. A tale scopo è stato allestito un apparato in laboratorio costituito da una torre di tre scintillatori per la misura del tempo di volo dei raggi cosmici che li attraversavano. L'apparato ha permesso di identificare dei metodi che possono essere usati nell'analisi dei segnali per rendere la misura sul tempo di volo più precisa. In particolare sono stati affrontati problemi quali la sincronizzazione di segnali che presentavano fluttuazioni temporali (jitter) dovuti al rumore elettronico e di segnali di ampiezza diversa (time walk): l'analisi dei dati ha permesso di migliorare sensibilmente la misura del tempo di volo effettuata in laboratorio e potrebbe essere applicata anche all'esperimento FOOT. Un miglioramento sulla sola risoluzione temporale, dagli attuali 70 ps ai 50 ps, permetterebbe un miglioramento della precisione del numero di massa, dal 4% al 3%, con una conseguente riduzione delle identificazioni isotopiche errate.

Negli ultimi anni il numero di pazienti oncologici trattati con tecniche di adroterapia è in aumento. Il vantaggio principale di questa modalità di trattamento è dovuto alla proprietà fisica degli adroni di rilasciare tutta la loro energia in un preciso punto denonimato picco di Bragg. Tale caratteristica permette di ottenere dei profili di dose più conformi alla regione tumorale rispetto alla radioterapia convenzionale, diminuendo anche il danno inferto ai tessuti sani circostanti. Gli attuali piani di trattamento adroterapico dei tumori, seppur molto accurati, considerano solo parzialmente gli effetti causati dalle frammentazioni nucleari dei fasci terapeutici all’interno del corpo del paziente. I frammenti prodotti possono portare ad una modifica del profilo di dose e ad un aumento del danno inferto ai tessuti sani. L’esperimento FOOT ha come obiettivo lo studio delle reazioni di frammentazione nucleare che avvengono tipicamente durante le sessioni di adroterapia. FOOT utilizzerà sia la cinematica diretta che quella inversa per poter studiare i frammenti, identificandone massa, carica, energia e momento. Questa tesi si concentra sul sistema dedicato all’identificazione della carica dei frammenti tramite misure di perdita di energia (dE) e tempo di volo (TOF). Tale sistema è composto da due tipi di scintillatori plastici, Start Counter e TOF-Wall: il primo è un sottile foglio mentre il secondo è costituito da due piani ortogonali di 20 barre ciascuno. In questo lavoro l'analisi dati ha lo scopo di ricostruire la carica dei frammenti prodotti da un fascio di O a 400 MeV/u su un target di C di 5 mm. Inizialmente è stata eseguita una calibrazione dell’apparato sperimentale ottenendo una risoluzione del 4.7 % per dE e pari a 79 ps per TOF. Tale precisione ha permesso di ricostruire la carica dei frammenti più pesanti con una risoluzione del 2.6 %. I risultati ottenuti mostrano la capacità dell’apparato sperimentale di discriminare i frammenti in base alla loro carica.