Progetto PROMETHEUS Proposta di una Infrastruttura di Ricerca

Progetto PROMETHEUS Proposta di una Infrastruttura di Ricerca PROtons, electrons and coherent X rays facility based on high power laser for MEdical research, oncological THErapy, bio imaging and radio biology USes

Progetto PROMETHEUS Προμηθεὺς Δεσμώτης www. prometheuslab. unibo. it

Progetto PROMETHEUS OBIETTIVO Infrastrutura per applicazioni in biomedicina dei fasci di protoni accelerati nella interazione laser plasma

Progetto PROMETHEUS • Struttura proponente Centro Galvani http: //www. centogalvani. unibo. it • • • G. Turchetti Direttore CIG (Dip. Fisica) M. Sumini Responsabile Lab Montecuccolino (Dip. Energ. ) E. Barbieri Primario di Radioterapia (Dip. Sc. Radiol. ) R. Zannoli Direttore Scuola Fisica Sanitaria (Dip. Card. ) P. Londrillo Dipartimento di Astronomia e INFN BO • Struttura organizzativa Fondazione Alma Mater Presidente W. Tega http: //www. fondazionealmamater. unibo. it/FAM Segretaria C. Vignoli c. vignoli@fondazionealmamater. it

Progetto PROMETHEUS Iniziative anno 2008 La proposta fatta dal Centro Galvani, riguarda una infrastruttura di ricerca congiunta tra UNIBO ENEA con la partecipazione di altri Enti pubblici e privati • Seminario di start up Bologna La luce estrema 8 gennaio 2008. • Presentazione ricognizione MIUR per IR 29 febbraio 2008 • Domus Galileiana di Pisa Luce estrema per energia e salute 11 aprile 2 • Workshop Bologna Prometheus 27 giugno • Approvazione proposta scientifica dal Senato Accademico 21 ottobre 20 • Workshop Bologna NTA e prospettive biomediche Bologna 16 dicembre

Progetto PROMETHEUS Conferenze Anno 2008 (27 -30 maggio) CSFI 08 Calcolo scientifico in Italia Sezione dedicata ai plasmi ed accelerazione laser Anno 2009 (15 -18 giugno) COULOMB 09 Ions acceleration with high power lasers

Progetto PROMETHEUS Interdisciplinarietà Aree scientifiche interessate • • • SCIENZE MEDICINA INGEGNERIA Studio di fattibilità (1 anno) Simulazioni validate su esperimenti PLASMONX Obiettivi fase I (3 anni) Produzione di protoni da 20 -30 Me. V e post-accelerazione con linac ad alto campo SCL fino a 40 -60 Me. V Obiettivi fase II (4 anni) Accelerazione protoni fino a 100 Me. V ibrida o ottica. (Produzione di X coerenti, FEL ottico).

Progetto PROMETEUS Fase preparatoria Creazione di un comitato scientifico Governance della Fondazione Alma (16 -12 -08) Mater (16 -12 -08) Fase conclusiva Convenzione tra gli Enti che svolgono ricerca scientifica Consorzio tra i soggetti finanziatori

Progetto PROMETEUS • Lettere di interesse UNIBO, ENEA, Regione E. R. (2008) • Manifestazioni di interesse di privati: ABO, Varian • Consenso da parte di ricercatori INFN e CNR Modello di struttura organizzativa TERA-CNAO

Progetto PROMETEUS Localizzazione L’ Università di Bologna mette a disposizione il Laboratorio di Montecuccolino I locali del reattore nucleare RB 3 il cui decommisioning è quasi ultimato sono idonei per ospitare l’infrastruttura

Progetto PROMETEUS • Montecuccolino: sala ex reattore RB 3 Struttura principale cubo di 17 m di lato con bunker e carro ponte. Edifici annessi (sala controllo e altre stanze) 220 mq. Seminterrato per impianti tecnologici 300 mq. Cabina elettrica da 0. 8 MW. Idoneo per laser di 1 PW

The Prometeus project Layout di un laser 40 TW nella sala RB 3 (sinistra) s suo Ingrandimento (destra). (Amplitude technologies)

Progetto PROMETHEUS FISICA TECNOLOGIA

Progetto PROMETHEUS Vantaggi accelerazione laser Accelerazione di protoni in prossimità del paziente Dimensioni micrometriche dei fasci Radioprotezione ridotta. Riduzione ingombri e costi Obiettivo Stabilità e qualità dei fasci

Progetto PROMETHEUS Dimensioni contenute dei laser fino a 100 TW Laser Pulsar 200 della Amplitude Versione da 40 TW è quasi table top Amplificatore principale Front end

Progetto Prometeus Accelerazione laser Bassa corrente e potenza. Dose adeguata. Bunch di 108 protoni da 100 Me. V a 10 Hz. Corrente 109 protoni/sec. Potenza 0. 016 W. Ciclotroni commerciali Diametro 4 m Peso 20 tonnellate Energia 250 Me. V Potenza 120 W Corrente 3 1012 protoni/sec Emittanza pochi mm mrad Costo 10 Meuro Affidabilità elevata Costo struttura ptototerapia molte decine di Meuro

Progetto Prometheus Regimi di accelerazione per ioni TNSA Polarizzazione lineare Largo spettro di energia e ampia dispersione angolare RPA Polarizzazione circolare Spettro quasi monoenergetico buona collimazione. Minore intensità

The Prometheus project La energia degi protoni TNSA aumenta linearmente con la radice dell’intensità. Legge di scala confermata dai risultati sperimentali e simulazioni Proton number (/Me. V) Emax = k I 10 10 Laser Vulcan E=20 -400 J t=1 -8 ps 109 108 107 106 0 2 4 6 8 10 Protons energy (Me. V) 10 Hz laser at LOA V. Malka et al. , Appl. Phys. Lett. 83, 15 (2003), Med. Phys. 31, 6 (2004) Robson et al. , Nature Physics 3 (2007)

Progetto Prometheus Simulazioni 2 D con ALa. Dyn a Bologna. Densità di protoni ed elettroni su H con densità n=25 nc spessore 1. 5 mm. Preplasma con rampa di 1. 5 mm. Impulso di 80 TW e spot focale di 10 mm 2. Spettro come 1 D con 40 TW

Progetto PROMETHEUS APPLICAZIONI TERAPEUTICHE

Progetto Prometheus ADROTERAPIA Intensità laser e soglia di interesse clinico 1017 1019 Picco di Bragg 10 21 Efficacia biologica relativa di una radiazione rispetto a stessa dose X per C 12 RBE = 2 -5 I Picco a 25 cm in acqua per C 12 da 400 Me. V/u e per protoni da 200 Me. V

Progetto Prometheus Centri per la terapia con protoni e ioni carbonio nel mondo. Si ritiene indicata nel 15% dei pazienti oncologici Stima centri prototerapia necessari 300 in UE 7 CP 12 CP 1 CC 150 in USA Costo di un centro 80 -140 M€ 1 CP 2 CC 5 CP

Progetto Prometheus Progetti proposti e finanziati per la terapia oncologica • SAPHIR/Propulse (Parigi Francia). Durata 4 anni Costo 15 Meuro Sorgente X e p da 100 Me. V. Medicalizzazione dei fasci. • PMRC/Jaeri (Kyoto Giappone) Durata 10 anni Costo 50 Meuro Sorgente X. Fasci p da 10 Me. V (4 anni), 50 -70 Me. V (6 ani), 200 Me. V (8 anni) • On. COOPtics (Dresda Germania) • MPQ (Garching Germania) • Fox Chase Center (USA) • LIBRA (consorzio in UK)

Progetto PROMETHEUS Road Map Prog. PMRC JP

Progetto PROMETHEUS Progetto Photo Medical Research Center (JP) http: //wwwapr. kansai. jaea. go. jp/pmrc_en

Progetto Prometeus FASE 1 Allestimento laboratorio RB 3 20012 -2014 A) Istallazione Laser Ti. Sa a 2 J e 25 fs B) Sistema di collimazione e trasporto C) Da 1 a 3 Moduli di linac SCL Obiettivo: protoni da 40 -60 Me. V Avvio ricerche: radiobiologica, sperimentazione preclinica Dose: 40 -60 Gray su 1 g Con 2 x 106 protoni da 60 Me. V = 10 -11 J si ha E= 2 x 10 -5 per tiro. A 10 Hz in 5 minuti Etot= 0. 06 J. Efficienza sistema 10 -5.

Progetto Prometeus FASE 2 Sviluppo laboratorio 20015 -2018 A) Upgrade laser Ti. Sa a 4 J B) Aggiunta di altri 3 moduli linac SCL Obiettivo: protoni terapeutici da 100 Me. V (Altri possibili sviluppi: X monocromatici per diagnostica, AOFEL) Dose: 60 Gray su 10 g Alla frequenza di 10 Hz e in 5 minuti con 1. 2 x 10 7 protoni per tiro la energia totale è di 0. 5 J ossia 50 Gray su 10 g.

Progetto Prometeus Caratteristiche della accelerazione laser di protoni • Utilizzo di bersagli solidi sottili di qualche micron e laser compatti • Deposizione di dose con impulsi da 10 Hz per qualche minuto • Dimensioni del fascio pochi micron • Produzione del fascio vicino al paziente, con richieste minime per radioprotezione

Progetto Prometeus Studio di fattibilità • Sarà condotto da ricercatori della sezione INFN di Milano (De Martinis, Giove, Serafini) e di Bologna (Londrillo, Turchetti) • Competenze accelerazione laser e linac SCL Milano • Competenze simulazioni PIC Bologna • Sinergia con il programma di accelerazione di ioni a Frascati con FLAME

Progetto Prometeus ROAD MAP Dic 08 Dic. 08 Giu 09 Governance del progetto: Fondazione Alma Mater. Comitato scientifico Workshop COULOMB 09 Anno 2010 Studio di fattibilità Decomissioning RB 3 Convenzione partners scientifici Consorzio finanziatori Anno 2011 Ristrutturazione RB 3 Allestimento laboratorio