Coordinatrice: Valeria Conte
Telefono: 049 8068304
Mail: valeria.conte@lnl.infn.it
Sito web della commissione scientifica nazionale 5
La CSN5 si occupa di ricerche tecnologiche, interdisciplinari e di fisica degli acceleratori. Al contempo promuove l’utilizzo delle tecnologie e innovazioni sviluppate nel campo fisico in altri settori. I prototipi o gli acceleratori realizzati potranno essere utilizzati in altri ambiti della ricerca scientifica con un impatto economico e sociale.
Index
- Acceleratori
- Fisica per la medicina
- Fisica dei rivelatori
- Altri
4MiCA
Responsabile nazionale: Valeria Conte (INFN LNL)
Responsabile locale: Valeria Conte
Il progetto 4MiCA ha come obiettivo l’ingegnerizzazione di un contatore proporzionale a gas miniaturizzato (mini-TEPC) sviluppato durante il progetto CIMICE, per la caratterizzazione microdosimetrica di fasci di particelle cariche usate per la cura dei tumori (adroterapia). Questo implica la standardizzazione delle procedure di costruzione e assemblaggio, per garantire la riproducibilità della risposta, e l’integrazione del sensore con un sistema automatico di controllo e analisi dati, utilizzabile agevolmente in ambito clinico. Al progetto collaborano la De.Tec.Tor, ditta specializzata nella produzione di dispositivi medici per adroterapia, e il CNAO. Una volta introdotto in ambiente clinico, il mini-TEPC potrà essere usato per monitorare grandezze fisiche correlate all’efficacia biologica della radiazione, e dunque per ottimizzare i piani di trattamento.
ASIDI
Responsabile nazionale: Valentino Rigato (INFN LNL)
Responsabile locale: Valentino Rigato
Il progetto prevede la messa a punto di nuove tecniche di irraggiamento e di impiantazione di singola particella e delle correlate tecniche di rivelazione con risoluzione sub-micrometrica per lo studio della risposta spaziale di rivelatori di radiazione, la funzionalizzazione localizzata di materiali avanzati e la creazione di nuovi dispositivi quantistici, impiegando i fasci ionici dell’acceleratore elettrostatico AN2000 dei Laboratori Nazionali di Legnaro.
La possibilità di alterare localmente, a livello atomico, le proprietà quanto-meccaniche di un materiale con l’introduzione di una specie chimica estranea e/o con una modifica controllata dei legami chimici esistenti, costituisce il punto di partenza per generare sistemi quantistici elettricamente, otticamente e magneticamente attivi. Inoltre la possibilità di studiare la risposta di un rivelatore a pixel strutturato per tracking 2D e 3D in zone sulla scala sub-micrometrica (es. in prossimità dei bordi delle zone attive …) è di vitale importanza per lo sviluppo dei rivelatori a silicio a moltiplicazione interna che accoppiano posizione e timing.
CIMICE
Responsabile nazionale: Anna Selva (INFN LNL)
Responsabile locale: Anna Selva
La microdosimetria misura la fluttuazione stocastica del deposito energetico alla scala del micron, che è strettamente correlata all’efficacia biologica della radiazione. I rivelatori di riferimento sono i contatori proporzionali a gas tessuto-equivalenti (TEPC), costruiti con materiali aventi composizione elementale analoga a quella del tessuto biologico. Il progetto CIMICE, finanziato nell’ambito del bando 2018 per giovani ricercatori, ha come obiettivo lo sviluppo di un TEPC miniaturizzato (mini-TEPC), ottimizzato per l’utilizzo nei fasci di ioni carbonio impiegati per la cura di particolari tipi di tumori. La foto mostra un prototipo trasparente del nuovo rivelatore, che è più robusto e più semplice da operare rispetto a quelli oggi esistenti.
DEMIURGOS
DEtector of Matrix Isolated Unreactive Rare Gas Organized in Solid
Responsabile nazionale: Giovanni Carugno (INFN Sezione di Padova)
Responsabile locale: Antonio Dainelli
The research program is devoted to the development of a novel class of particle detectors aimed to Dark Matter searches as well as the study of others feeble interacting phenomena characterized by low energy deposition. Exploiting the forefront development in the fields of cryogenics, lasers and ultra-pure materials, we propose innovative schemes for particle detectors that improve the current standard of energy threshold. The key-point of the proposal is to probe, through laser spectroscopic techniques, atomic or molecular energy levels of atoms embedded into unreactive environments. These detection schemes, together with inverse laser bremsstrahlung within high density gases, will produce devices capable to detect single excitation phenomena in the solid matter opening the possibility to detect energy releases of the order of eV. These approaches will provide a completely new class of detectors that could be used for many applications such as Dark Matter (DM) searches, neutrino physics and radiation detection. In particular, the so-called DM, that represents about the 27% of the Universe composition, plays a central role in the current understanding of the Universe and to be able to probe possible DM constituents it is necessary to improve the performances of the current detectors making them more efficient in terms of energy threshold and mass.
ENTER-BNCT
Responsabile nazionale: Saverio Altieri (INFN Sezione di Pavia)
Responsabile locale: Enrico Fagotti
Il progetto MUNES (MUltidisciplinary NEutron Source) mira alla realizzazione di una sorgente di neutroni termici-epitermici intensa tramite l’interazione di protoni da 5 MeV su un bersaglio di berillio. Un fascio di protoni ad alta intensità (30 mA) è fornito da un quadrupolo a radiofrequenza, per raggiungere un’intensità di neutroni di 1014 s-1. I neutroni vengono prodotti tramite la reazione 9Be(p, n)9B. Lo spettro dei neutroni emessi è centrato a 1.2 MeV, e la sua energia viene quindi ridotta al range termico-epitermico da un apposito moderatore costituito da acqua pesante, PTFE e grafite. Lo spettro di neutroni finale è progettato per essere adatto alla terapia da cattura neutronica del boro (BNCT). ENTER-BNCT mira allo studio delle prestazioni target e all’ottimizzazione del suo design. A tale scopo, è stata progettata ed installata una sorgente di prova a bassa potenza sulla linea del fascio di +15° dell’acceleratore CN. Con una corrente del fascio di 3 μA a 5 MeV, la densità di potenza nominale di 600 W/cm2 può essere raggiunta mediante un’adeguata collimazione, consentendo test di integrità del target. Oltre a questa attività principale, la sorgente di neutroni fornisce un flusso di neutroni di 1.2×106 n/(s·cm2) a disposizione per gli esperimenti.
FIRE
flexible organic ionizing radiation detector
Responsabile nazionale: Beatrice Fraboni (INFN Sezione di Bologna)
Responsabile locale: Sara Carturan
The main goal of this project, funded by the INFN Vth commission, is to produce a fully flexible photodetector, able to reveal ionizing particles such as protons, X-rays, g-rays and neutrons. This device can be realized in a direct configuration (PHOX), where the organic semiconductor directly converts the ions/photons deposited energy in electrical signal, read by the flexible photoconverter. On this topic the RU of INFN-Bologna is the leading group, supported by the RM3 and INFN-NA units’ skills in the manufacture and optimization of the phototransistor. As for the indirect configuration (NEPRO), the thin, flexible siloxane scintillator (PSS) is synthesized by the LNL unit, in collaboration with TIFPA unit. In this case, the scintillation light is read by the Organic Photo Transistor (OPT). The device is tested under irradiation with low energy protons @AN2000 accelerator of LNL and LABEC (INFN-FI) and with high energy protons @TIFPA accelerator, used for the proton therapy in Trento. In the final application, the fully flexible device will work as dose meter during a proton therapy treatment. The use of this device in close proximity to the tumor volume to be irradiated will preserve the surrounding healthy tissue from damaging. Aiming at this task, the scintillator coupled to the Optical Photo Transistor (OPT) has been validated as for light emission using an UV calibrated source, whereas the scintillation light and its stability with irradiation time has been collected using a power meter. In the next two years, conclusive validation of both direct (PHOX) and indirect (NEPRO) flexible devices will be pursued.
ION2NEUTRAL
Responsabile : Marco Cavenago (INFN LNL)
Local Responsible : Marco Cavenago e Michele Comunian (INFN LNL)
L’esperimento Ion2neutral (2020-2024) è un progetto integrato per sviluppare sorgenti di ioni, sistemi per il raffreddamento di ioni, rivelatori GEM (moltiplicazione di elettroni in gas) per gamma / neutroni, fasci di ioni ad alta corrente e tecniche di calcolo di interesse per il progetto ITER e altri reattori a fusione, e per Progetto SPES LNL. L’esperimento ha sede presso quattro sezioni INFN (BA, LNL, MI e MIB) ed è svolto in sinergia con il progetto INFN-E (Energia), il ”Consorzio RFX ”, Padova e il progetto PRIMA (Ricerca a Padova sull’acceleratore a 1 megavolt per ITER), che sta sviluppando gli iniettori di fasci neutri per ITER (potenza nominale del fascio 40 MW, ovvero 40 A di fascio di ioni negativi / 1 MV di accelerazione, per ogni iniettore).
Le attività di ricerca di Ion2neutral (I2N) sono organizzate in cinque sottoprogetti:
WP1: fisica e tecnologia delle sorgenti di ioni H-, con confronti delle configurazioni magnetiche ed effetti di condizionamento (tramite gas o Cs) nella sorgente ionica a radiofrequenza (rf) NIO1 (e altre sorgenti), e recupero di energia del fascio. Funzionamento e sviluppo (dopo la nostra progettazione e supervisione alla costruzione) di una versatile sorgente ionica chiamata NIO1 (Negative Ion Optimization 1, Fig. 1), con l’obiettivo di produrre 9 fascetti di ioni H fino a 15 mA ciascuno, tensione di accelerazione 60 kV; l’acceleratore funziona continuamente o con durata paragonabile alla specifica di ITER, pari a 3600 s. Finanziato con fondi esterni.
WP2: Manipolazione e raffreddamento di fasci di ioni rari: trappole di fasci e raffreddamento con collisioni con gas in trappole lineari rf, come Eltrap o Duel, e installazione in Eltrap di un prototipo RFQC (Radio Frequency Quadrupole Cooler); simulazione collisionale con e oltre (fig. 2) le tecniche Monte Carlo. Sono inclusi anche la costruzione di reti di adattamento RF e sistemi specializzati di polarizzazione degli elettrodi.
WP3: sviluppo e costruzione di rivelatori di neutroni a tripla GEM (di cui l’INFN ha una lunga tradizione condivisa anche da altri esperimenti e sezioni); in questo caso i rivelatori possono avere una rapida risoluzione temporale e possono fornire informazioni sull’energia di fotone / neutroni e quindi sulla reazione di produzione, o sull’insorgenza di scariche di alta tensione (HV), vedi fig. 3. L’utilizzo di GEM viene esteso per rilevare non solo neutroni ma anche fotoni a bassa energia (da 1 a 20 keV) che sono precursori delle scariche HV, in sorgenti ioniche e in un impianto di prova a 80 kV (HVPSGF, High Voltage Padova Short Gap Facility).
WP4: sorgenti di ioni positivi ad alta corrente (stile IFMIF); fisica dei fasci H+ ad alta corrente, ioni backstreaming e plasmi secondari con prove su TRIPS di sorgenti ioniche. Progettazione e collaborazione alla costruzione della linea del fascio diagnostico, dotata di telecamera a infrarossi (I.R.), un FES (Fast emittance scanner), un RFEA (Retarding Field Energy Analyzer) e una postazione di prova per il plug-in di recupero di energia, vedi fig 4. Inoltre, siccome la manifattura additiva sta emergendo come una nuova tecnica per costruire parti di acceleratori, in particolare gli elettrodi a griglia e i collettori (fortemente raffreddati) di fasci, una altra stazione di prova viene riservata a tali elettrodi.
WP5: teoria delle sorgenti ioniche e dei fasci di particelle (ioni H± e elettroni) in condizioni di forte carica spaziale. Gli strumenti di simulazione dipendono dalle sezioni partecipanti e vanno da codici multifisici di uso generale a codici specializzati di; inoltre vengono sviluppati internamente dei macro-codici, per superare l’errore di granularità del tracciamento usuale del fascio (tipico dei codici precedenti) e per trattare le collisioni con e oltre le tecniche Monte Carlo (esempio, secondi momenti dell’equazione di Fokker Planck). Punti di accumulo delle cascate rigenerative di ioni-elettroni nei sistemi di elettrodi ad alta tensione e previsione della posizione di scarica della tensione in ambiente ad alto vuoto.
Responsabile nazionale: Alberto Andrigetto (INFN LNL)
Responsabile locale: Stefano Corradetti
Lo sviluppo di un nuovo radiofarmaco è un processo complesso, e sono necessari diversi anni per la sua introduzione negli studi clinici. Considerando sia la rilevanza del 111Ag come agente radiofarmaceutico per le sue proprietà nucleari e chimiche, sia i promettenti risultati ottenuti con il precedente esperimento biennale ISOLPHARM_Ag, è in corso un nuovo esperimento triennale, ISOLPHARM_EIRA. L’esperimento ISOLPHARM_EIRA prevede l’interazione tra diverse discipline, dalla fisica alla chimica fino alla radiobiologia.
La Task di Fisica è principalmente dedicata ad esplorare la possibilità di fornire il primo “lotto” di 111Ag utilizzando approcci “tradizionali” basati su reattori che verrà utilizzato per studi preliminari di radiochimica ed all’eventuale radiomarcatura dei primi composti. Inoltre, verranno sviluppati gli strumenti necessari quando la facility ISOL (SPES) sarà operativa, in particolare la definizione di una procedura per il controllo di qualità dei radioisotopi prodotti e l’esplorazione della fattibilità della ionizzazione laser dell’argento. Il 111Ag sarà prodotto nel reattore di ricerca TRIGA Mk II presso il laboratorio LENA di Pavia.
La Task di Chimica ha lo scopo di fare un passo avanti nello sviluppo e nella caratterizzazione di composti farmaceutici a base di argento. Inoltre, saranno studiate sia la capacità di chelare radioisotopi del rame che la sintesi di linkers fluorescenti, al fine di fornire l’opportunità di testare in-vitro e in-vivo le molecole appena sviluppate. Infine, sarà studiata la purificazione chimica di 111Ag dai suoi contaminanti pseudo isobarici.
La Task di Biologia prevede studi in-vitro e in-vivo per la valutazione dell’affinità dei farmaci sviluppati con il bersaglio cellulare selezionato così come l’osservazione del loro comportamento in condizioni dinamiche, in particolare i migliori derivati saranno iniettati in topi portatori di tumore CCK2R ed esaminati con un sistema di immagini 2D seguendo la farmacocinetica in diversi momenti per determinare la loro efficacia come agenti di imaging. Gli effetti terapeutici dei composti saranno valutati confrontando la crescita dello xenotrapianto tumorale nei topi che hanno ricevuto la somministrazione dei composti radiomarcati rispetto al gruppo di controllo non trattato. Gli esperimenti di imaging in vivo con composti radiomarcati saranno eseguiti al CAPIR – Center for Advanced Preclinical in vivo Research.
METRICS
Responsabile nazionale: Juan Esposito (INFN LNL)
Responsabile locale: Juan Esposito
L’imaging “ibrido” multimodale è il recente sviluppo nelle procedure diagnostiche per immagini in medicina, mediante l’imaging nucleare, attraverso la “fusione” tra due delle modalità già oggi disponibili che permettono di acquisire informazioni di natura diversa e tra loro complementari: la Tomografia ad Emissione di Positroni (PET) e la Risonanza Magnetica Nucleare (MRI). Le immagini in modalità CT e MRI permettono di ottenere una ricostruzione tridimensionale della struttura anatomica. Viceversa, le scansioni PET, SPECT permettono di penetrare in profondità nei meccanismi di funzionamento degli organi, fino alle sottostrutture cellulari e raccogliere informazioni a livello molecolare. Pertanto, combinando immagini con un diverso contenuto diagnostico, è possibile migliorare significativamente la comprensione del quadro clinico.
Tuttavia, per ottenere una vera “fusione” tra l’informazione PET/SPECT ed MRI acquisita con tomografi ibridi, sia l’agente di contrasto, sia quello radioattivo, DEVONO essere CHIMICAMENTE IDENTICI. E’ sempre molto difficile trovare un composto chimico che riesca a comportarsi allo stesso tempo, sia come un agente di contrasto paramagnetico sia possedere, simultaneamente, isotopi radioattivi aventi proprietà nucleari utili per l’imaging PET/SPECT I composti del manganese, avendo esattamente la stessa composizione chimica, possono essere preparati utilizzando, sia isotopi di 52Mn/51Mn radioattivi, sia isotopi stabili paramagnetici ed utilizzabili, infine, come agenti MRI e PET. Ciò permetterebbe di aprire nuove modalità di acquisizione per un nuovo tipo di immagine diagnostica ibrida PET/MRI SENZA PRECEDENTI, caratterizzata da una PERFETTA FUSIONE/CORRISPONDENZA tra le proprietà chimiche e biologiche delle due sonde di imaging.
Gli obiettivi che si pone l’esperimento METRICS sono mirati sostanzialmente a fornire una risposta alle seguenti domande:
1. In che modo è possibile produrre Mn52 nella forma radionuclidica più pura possibile, ovvero in modalità NO CARRIER ADDED (NCA) ad alta attività specifica?
2. E’ possibile identificare, al contempo, molecole trasportatrici biocompatibili che possano permettere di mantenere le proprietà paramagnetiche del Mn, al fine di poter effettuare (in prospettiva) studi in vivo, acquisendo immagini ibride PET/MRI?
Maggiori informazioni sul progetto sono disponibili qui.
MICROBE_IT
Responsabile nazionale: Chiara La Tessa (INFN TIFPA)
Responsabile locale: Valeria Conte
L’esperimento MICROBE_IT ha come obiettivo lo sviluppo di un nuovo modello di RBE (Relative Biological Effectiveness) della radiazione ionizzante, per migliorare l’efficacia dei trattamenti di radioterapia con ioni carichi. A differenza dei modelli esistenti che considerano principalmente quantità medie, si basa sulla misura sperimentale della distribuzione di probabilità dei depositi energetici alla scala del micron (microdosimetria) con diversi rivelatori. Le previsioni del modello vengono poi confrontate con misure di sopravvivenza cellulare fatte nello stesso campo di radiazione, per ottimizzarne i parametri.
MOPEA
Realization of a Modular Optcally-Powered Electrostatic Accelerator prototype
Responsabile nazionale: Pierluigi Zotto (INFN Sezione di Padova)
Responsabile locale: Piergiorgio Antonini
The project is focussed on the design, set-up and test of an innovative optically powered electrostatic accelerator prototype in the megavolt (MV) range, with superior performance and lower projected cost with respect to the current state-of-the-art.
Electrostatic accelerators, with currents up to tens of microamperes, can be used in many applications, e.g. material analysis by proton-induced X-ray emission or ion implantation. Existing accelerators are based either on van de Graaff or Cockcroft-Walton high voltage (HV) generators, whose major drawbacks are cost and large dimensions. The size is dictated by the voltage partition which cannot, in the current technology, be more than 30-50 kV. Furthermore the HV system needs to be inserted in a large vessel filled with an inert gas at several bars of high pressure in order to avoid sparks.
The proposed accelerator is based on a recent technique, developed by the proponents and proved in 2016, which provides the high voltage through series connection of lower voltage stages made of independently stabilized generators each one providing HV settable in the 12-100kV range with 4W available power.
All the power needed for the operation is supplied to each stage by laser light fed to photovoltaic cells through optical fibers. The series connection of many high voltage stages is allowed by the all-optical feeding scheme which decouples each stage from ground reference; the maximum attainable voltage is thus only limited by insulation of the last stage with respect to the mechanical structure.
The modular approach in the electrostatic accelerator design is allowed by the inherent floating nature of the HV generators. The aim of this project is towards a further improvement of the modularity of the design by producing fully independent accelerator modules, each one providing 300-500 kV which could be connected in series to get the required beam energy.
The overall impact of this project will be the availability of safer, cheaper, easier to maintain and more stable electrostatics accelerators.
N3G
Responsabile nazionale: Davide De Salvador (INFN Sezione di Padova)
Responsabile locale: Daniel Napoli
“Vedere” i raggi gamma è utile per capire la natura dei nuclei, delle stelle e del corpo umano! Gli occhi che permettono di fare ciò sono dector sempre più sofisticati. N3G è un progetto per sviluppare nuove tecnologie di realizzazione di detector che permettano di misurare la direzione e l’energia dei raggi gamma resistendo a flussi di radiazione elevati. A questo scopo sudiamo come trattare uno dei materiali più puri che l’uomo abbia mai fabbricato : il germanio iperpuro. Nella figura a sinistra vediamo un dettaglio dell’apparato laser che viene usato per modificare le proprietà elettroniche di superfice del germanio, a destra un esempio di detector segmentato, ovvero diviso in settori che permettono di localizzare i raggi gamma.
NEPTUNE
Responsabile nazionale: Giacomo Cuttone (INFN LNS)
Responsabile locale: Valeria Conte
Rispetto ai trattamenti convenzionali con fotoni, la radioterapia con protoni consente di trattare tumori profondi con un minor danno al tessuto sano circostante, grazie alle diverse caratteristiche della loro interazione con la materia (in particolare, il loro range ben definito). Tuttavia, i protoni hanno un’efficacia biologica relativa (RBE) che è solo il 10% più alta dei fotoni. Recentemente è stato osservato un potenziamento dell’RBE quando il tessuto tumorale è infuso con concentrazioni opportune di atomi di 11B. Scopo del progetto NEPTUNE è studiare i meccanismi fisici alla base di questo potenziamento. Il ruolo dei LNL riguarda la caratterizzazione microdosimetrica della reazione protoni-Boro.
NIRVANA
Responsabile nazionale: Valeria Conte (INFN LNL)
Resposanbile locale: Valeria Conte
L’azione biologica della radiazione ionizzante inizia a livello del DNA (scala del nanometro), e la gravità del danno prodotto è strettamente correlata al numero di ionizzazioni prodotte entro distanze di qualche nanometro. Ad oggi, solo tre rivelatori al mondo sono in grado di misurare sperimentalmente il numero di ionizzazioni alla scala del nanometro. Uno di questi, l’apparato Startrack, è installato a LNL (in foto). Questi apparati sono molto ingombranti, pensati per l’utilizzo in centri di ricerca. L’esperimento NIRVANA mira invece a sviluppare strumenti per nanodosimetria trasportabili, adatti all’utilizzo in centri clinici.
QUANTEP
QUANtum Technologies Experimental Platform
Responsabile nazionale: Andrea Salamon (INFN Sezione di Roma 2)
Responsabile locale: Valentino Rigato
The QUANTEP project aims at the development and implementation of a complete Silicon Photonics Integrated Circuit for Quantum Computation with linear quantum optics circuits and single photons. A prototype of this kind of circuits is the universal two qubit Controlled-NOT (C-NOT) gate. This scheme makes use of linear, coincidence basis gate that performs all the operations of a controlled-NOT gate and requires only single photons at the input. This scheme could be a useful test-bed for the implementation of more sophisticated quantum circuits, which eventually will require on-chip single photon sources and detectors.
The technology selected for silicon photonics integrated circuits is IHP SG25PIC, which is a 250 nm Silicon On Insulator CMOS process. Special production process are foreseen in which a reduced set of masks is used in the standard Multi Project Wafer runs and some special reworking is done, after the run, in research facilities of the QUANTEP team.
The quest for single photon sources will be performed through ion implantation in silicon with the aim to identify appealing classes of emitter centers in the telecom C-band.
For the detection stage, two solutions will be studied: an integrated InGaAs SPAD and an integrated Bi2Se3/n-Si heterojunction. Bi2Se3 is a topological insulator, which efficiently absorbs IR light and delivers the photocharges to the external circuit without backscattering due to its Dirac–like metallic surface.
The potential of novel quantum-device concepts, realized by using as basic building blocks heterostructured semiconductor nanowires, graphene and other 2D materials will be explored focusing on their capability to provide the control over light-matter interaction mechanisms, such as polarization modulation.
The integrated linear optics quantum circuits will be characterized and the logic tested in the fully integrated version.
REMIX
Research on Emerging Medical radIonuclides from the X-sections
Responsabile nazionale: Gaia Pupillo (INFN LNL)
Responsabile locale: Gaia Pupillo
REMIX, acronimo di “Research on Emerging Medical radIonuclides from the X-sections”, è un esperimento dei LNL che si inserisce nel contesto di LARAMED (link). REMIX coinvolge le sezioni INFN di MI, PD e PV, e vede la collaborazione della facility ARRONAX (Nantes, France), dell’ospedale Sacro Cuore Don Calabria (SCDC, Negrar, VR) e dell’Istituto Oncologico Veneto (IOV-IRCCS). Lo scopo del progetto è trovare le migliori reazioni nucleari per produrre i radionuclidi (RN) teranostici 47Sc (già studiato nel progetto PASTA, finanziato dalla CSN5 negli anni 2017/2018), 149Tb, 152Tb, 155Tb ed il terapeutico 161Tb (Figura). Gli sforzi della comunità scientifica internazionale per raggiungere una possibile produzione di questi radionuclidi emergenti per sviluppare radiofarmaci (RF) innovativi sono sottolineati anche dal Coordinated Research Project (CRP No. F22053, 2016-2020) promosso dalla International Atomic Energy Agency (IAEA) su 67Cu, 47Sc and 186Re, e dal progetto PRISMAP, finanziato dalla EU per gli anni 2021-2025 (bando INFRAIA-02-2020), che ha tra i principali obiettivi la produzione degli isotopi del Tb.
Obiettivi del progetto REMIX sono:
– misurare le sezioni d’urto (XS) inesplorate o validare i pochi dati disponibili in letteratura;
– confrontare tali misure con i risultati della modellistica nucleare, quali TALYS, FLUKA ed EMPIRE, per poter stimare la produzione dei RN difficili da misurare (es. stabili o isotopi di lunga/corta emivita);
– effettuare calcoli dosimetrici con il codice OLINDA per RF specifici, includendo tutti gli isotopi contaminanti (che devono determinare un incremento alla dose totale ≤ 10%), per individuare i parametri d’irraggiamento ottimali per la produzione dei RN d’interesse.
Il progetto REMIX si articola nei seguenti Work Packages (WP), con le Persone di Riferimento (RP) indicate:
WP1. RP: S. Cisternino (LNL). Realizzazione dei bersagli arricchiti di 49Ti and 50Ti, utilizzando la tecnica HIVIPP (sviluppata durante il progetto E_PLATE, CSN5 2018/2019) e loro caratterizzazione SEM e con analisi Elastic Back Scattering (EBS) presso gli acceleratori AN2000/CN di LNL. Realizzazione di bersagli di Gd2O3 con la tecnica Spark Plasma Sintering (SPS), adatti all’utilizzo presso la stazione target del ciclotrone all’ospedale SCDC. Informazioni aggiuntive si possono trovare qui (link REPARTO TARGET, Juan).
WP2. RP: L. Mou (LNL). Misura delle XS per la produzione di 47Sc (e radionuclidi contaminanti), utilizzando il fascio di protoni fornito dal ciclotrone di ARRONAX ed i bersagli arricchiti di 49Ti e 50Ti realizzati dal WP1. Le analisi di spettrometria-γ saranno effettuate ad ARRONAX. I range di energia più promettenti, individuati dal WP4, saranno studiati.
WP3. RP: S. Manenti (MI). Misura delle XS per la produzione di 149Tb, 152Tb, 155Tb, 161Tb (e radionuclidi contaminanti), utilizzando i fasci forniti dal ciclotrone di ARRONAX ed i bersagli di natDy, 159Tb e natEu, disponibili commercialmente. Le analisi di spettrometria-γ saranno effettuate al LASA (MI). I range di energia più promettenti, individuati dal WP4, saranno studiati.
WP4. RPs: L. Canton (PD) e A. Fontana (PV). Si utilizzeranno i codici TALYS, EMPIRE e FLUKA per studiare la produzione di 47Sc, 155Tb e 161Tb ed isotopi contaminanti. Attività di ricerca svolta in modo sinergico tra le sezioni di PD e PV.
WP5. RPs: L. De Nardo (PD) e L. Melendez-Alafort (IOV). Individuazione dei parametri di irraggiamento ottimali per la produzione di 47Sc e xxTb per tutti i possibili bersagli, effettuata sulla base dei calcoli dosimetrici effettuati con il codice OLINDA, ottenuti dai dati di biodistribuzione di RF riportati in letteratura e considerando 10% come limite massimo all’incremento della dose totale dovuta ai contaminanti.
WP6. RP: P. Martini (UniFE). Durante il terzo anno, il WP6 si occuperà della misura di Thick Target Yield (TTY) per la produzione di 155Tb presso l’ospedale SCDC, utilizzando i bersagli realizzati dal WP1 e sviluppando un’opportuna procedura di dissoluzione per le successive analisi di spettrometria-γ, svolte in collaborazione con il WP2.
WP7. RP: G. Sciacca (LNL). Il WP7 si occupa del design, della realizzazione e dei test della Stazione Target (TS) e del Beam Dump (BD) che saranno installati presso la linea a bassa intensità LARAMED a LNL dedicata alle misure di sezioni d’urto con il ciclotrone SPES.
| Isotope | t 1/2 | β+ Eaverage [keV] (I) | X and γ with I > 10% [keV] (I) | β- Eaverage [keV] (I) | Conv. & Auger electrons (>1 keV) Eaverage [keV] (I) | Energy α [keV] (I) |
| 47Sc | 3.35 d | – | 159 (68%) | 162 (100%) | – | – |
| 149Tb | 4.1 h | 730 (7%) | 42-50 (69%), 165 (26%), 352 (29%), etc. | – | 32 (85%) | 3967 (17%) |
| 152Tb | 17.5 h | 1140 (20%) | 42-50 (65%), 344 (64%) | – | 36 (69%) | – |
| 155Tb | 5.32 d | – | 42-50 (108%), 87 (32%), 105 (25%) | – | 19 (204%) | – |
| 161Tb | 6.89 d | – | 45-53 (39%), 75 (10%) | 154 (100%) | 19 (227%) | – |
Maggiori informazioni sul progetto sono disponibili qui.
RESOLVE
high dose-rate and spatially resolved X-Ray EffectS On LiVingcElls
Responsabile nazionale: Federico Picollo (INFN Sezione di Torino)
Responsabile locale: Valentino Rigato
The 3-years RESOLVE project is aimed at developing a state of the art X-ray irradiation facility with high dose rate and micrometric spatial resolution and at investigating the corresponding effects induced on living cells. The project is therefore divided into two main stages: the former devoted to the R&D of the experimental set-up and the latter to its application for cutting-edge radiobiological experiments. The unconventional irradiation conditions are available exploiting the peculiarity properties of a Metal-Jet X-ray source which is characterized by the presence of a liquid anode (this source is already available and under the supervision of a Torino unit member). The high brilliance of the source will be integrated by customized polycapillary focusing optics, which will guarantee to achieve the desired spatial resolution and high dose-rate. The final element of the facility is constituted by the irradiation end-station equipped with fluorescence microscopy and motorized stages allowing the automated single cells irradiation. Exploiting the performances of both the facility and the diamond-based biosensors, developed in the framework of the DIACELL experiment, innovative studies on the X-ray induced effects on neuron-like cells will be carried out. In parallel, the effects induced by the extremely high dose-rate will be investigated at the single cell level, offering unexplored opportunities for the study of the FLASH therapy. RESOLVE facility will represent a unique facility, which will allow to design an entirely new generation of radiobiology experiments.
SALVIA
Responsabile nazionale: Matteo Campostrini (INFN LNL)
Responsabile locale: Matteo Campostrini
Il progetto ha durata biennale, e vede capofila i LNL con il coinvolgimento dei LNGS e delle Sezioni INFN di Padova e Napoli. SALVIA ha come obbiettivo la produzione di bersagli a film sottile per esperimenti di fisica nucleare nonchè la realizzazione di un nuovo setup sperimentale che ne permetta la caratterizzazione e lo studio dei materiali utilizzati.
STORM
STrOngcRystallineelectroMagneticfields
Responsabile nazionale: Laura Bandiera (INFN Sezione di Ferrara)
Responsabile locale: Davide De Salvador
It has been known since decades that the alignment of a beam of high-energy e- or photons with particular crystal direction involves a huge increase of radiation emission or pair production probability, respectively. While crossing an oriented crystal, such penetrating particles experience an electromagnetic field so strong that it leads to a huge enhancement of the e.m. shower development with consequent reduction of the radiation length, X0.
The main objective of the STORM project is a deep investigation of beam interactions with strong crystalline electromagnetic fields to exploit the huge enhancement of the photon emission and radiation length reduction for applications in accelerator and detector physics.
By the end of the project, we expect to get a measure of the γ emission enhancement in crystalline targets optimized to be used as radiators for the positron sources of future e+/e- colliders. In addition, we expect to fully characterize the light output enhancement in Cherenkov and scintillator crystals.
The success of the STORM project will open up several application scenarios in accelerators, e.g. in intense gamma and e+ source, and particle detectors, e.g. in the development of compact forward calorimeters/preshowers in fixed-target experiments, as well as in satellite-borne gamma-telescopes.
TeFeN
Film spessi per la nuova generazione di cavità risonanti
Responsabile nazionale: Cristian Pira (INFN LNL)
Responsabile locale: Cristian Pira
Le cavità acceleranti superconduttive in radiofrequenza (SRF) costituiscono il cuore dei moderni acceleratori di particelle e le cavità in Niobio bulk sono ad oggi così efficienti da superare i limiti teorici intrinsecamente imposti dal materiale di cui sono costituite. Tuttavia, la questione chiave è la riduzione dei costi e le cavità di Niobio su Rame rappresentano un’eccellente alternativa laddove non siano richiesti alti campi acceleranti. Il considerevole Q-slope (l’aumento delle dissipazioni all’aumento del campo accelerante) limita questa tecnologia ad applicazioni a basso campo accelerante (come ad esempio i risonatori a quarto d’onda in ALPI Linac presso i LNL, o le cavità ellittiche a 400MHz presenti in LHC al CERN).
L’obbiettivo principale dell’esperimento TeFeN è dimostrare la possibilità di realizzare cavità risonanti in Niobio su Rame con performance comparabili a quelle della tecnologia Niobio bulk e non limitate dal Q-slope, utilizzando film spessi di Niobio (40microns anziché i 2 microns delle cavità a film sottile di Niobio).
Relativamente alla tecnologia di film spessi di Niobio per cavità risonanti a 6GHz, i prossimi step da percorrere sarà quello di rendere il processo stabile e riproducibile, aumentare le performances, in termini di Q e Eacc, allo stesso livello delle cavità Niobio bulk, trovare una correlazione tra i parametri di processo e le performances RF, e successivamente dimensionarli alle cavità a misura standard per gli acceleratori, come per esempio le cavità ellittiche a 1.3 GHz.
Per migliorare le performances RF è fondamentale migliorare la qualità della superfice del substrato di rame che oggi è considerato il principale responsabile dei limiti della performance delle cavità a film sottile (e spesso).
Inoltre, i recenti miglioramenti nelle performance RF delle cavità in niobio su rame, hanno evidenziato l’effetto limitante del flusso magnetico “intrappolato”, approfonditamente studiato nelle cavità a Niobio bulk, ma fino ad oggi, invece, trascurato nelle cavità in Niobio su Rame.
Durante i tre anni dell’esperimento TeFeN, i LNL e la Sezione di Napoli studieranno vari aspetti dei films superconduttivi di Niobio e Rame e si cercherà di correlarli alle performance RF delle cavità risonanti e al fenomeno del Q-slope, a partire dai risultati già raggiunti e dai nuovi studi svolti presso gli altri laboratori internazionali.
Specificatamente, l’esperimento TeFeN sarà suddiviso in tre work packages che andranno ad investigare, rispettivamente:
WPI1: la preparazione della superficie sulle cavità in rame;
WP2: i film spessi di Niobio depositati tramite tecnica multilayer; WP3: l’effetto del campo magnetico residuo “intrappolato” nel film superconduttivo
Responsabile nazionale: Francesco Taccetti (INFN Firenze)
Responsabile locale: Demetre Zafiropolous
Il gruppo di lavoro si dedica in particolare alle tecniche di fisica nucleare senza acceleratori, non distruttive e non invasive sia molecolari (spettroscopia Raman) sia elementali (XRF) per ottenere la completa caratterizzazione strutturale e chimica dei materiali e dei pigmenti di manufatti.