Development and performance assessment of a Plasma Focus electron beam generator for Intra-Operative Radiation Therapy

The Plasma Focus is a device designed to generate a plasma sheet between two coaxial electrodes by means of a high voltage difference. The plasma is then driven to collapse into a “pinch”, where thermonuclear conditions prevail. During the “pinch phase” charged particles are emitted, with two main components: an ion beam peaked forward and an electron beam directed backward. The electron beam emitted backward by Plasma Focus devices is being investigated as a radiation source for medical applications, using it to produce x-rays by interaction with appropriate targets (through bremsstrahlung and characteristic emission). A dedicated Plasma Focus device, named PFMA-3 (Plasma Focus for Medical Applications number 3), has been designed, put in operation and tested by the research groups of the Universities of Bologna and Ferrara. The very high dose rate (several gray per discharge, in less than 1 µs) is a peculiarity of this device that has to be investigated, as it might modify the relative biological effectiveness (RBE). Aim of this Ph.D. project was to investigate the main physical properties of the low-energy x-ray beams produced by a Plasma Focus device and their potential medical applications to IORT treatments. It was necessary to develop the optimal geometrical configuration; to evaluate the x-rays produced and their dose deposited; to estimate the energy electron spectrum produced in the “pinch phase”; to study an optimal target for the conversion of the x-rays; to conduct simulations to study the physics involved; and in order to evaluate the radio-biological features of the beam, cell holders had to be developed for both irradiations and cell growth conditions.

Il Plasma Focus è un dispositivo progettato per generare una guaina di plasma tra due elettrodi coassiali attraverso un’ elevata differenza di potenziale. Il plasma viene accelerato e compresso in un “pinch”, dove avvengono reazioni termonucleari. Durante la fase del “pinch” sono emesse particelle cariche, con due componenti principali: un fascio di ioni diretto in avanti e un fascio retroemesso di elettroni. Si pensa di utilizzare il fascio retroemesso di elettroni prodotto dal Plasma Focus come sorgente di radiazioni per applicazioni medicali, producendo raggi X attraverso l’interazione con un target appropriato (tramite emissione prodotta per bremsstrahlung o caratteristica). Il Plasma Focus, PFMA-3 (Plasma Focus per Applicazioni Mediche numero 3), è stato progettato, messo in opera e testato dai gruppi di ricerca delle università di Bologna e di Ferrara. L’alto rateo di dose (diversi gray per scarica, in meno di 1 µs) è una particolarità del dispositivo che deve essere analizzata, perché potrebbe modificarne l’efficacia biologica relativa (RBE). Scopo di questo progetto di dottorato è stato studiare le principali proprietà fisiche del fascio di raggi X a bassa energia prodotti dal Plasma Focus e le loro potenzialità mediche per i trattamenti IORT. E’ stato necessario determinare la configurazione geometrica ottimale, valutare i raggi X prodotti e la dose da questi depositata, stimare lo spettro energetico degli elettroni prodotti nella fase di “pinch”, studiare un target ottimale per la conversione in raggi X, condurre simulazioni per studiare la fisica coinvolta e per valutare l’efficacia radio-biologica del fascio, sviluppare porta-campioni utilizzati sia per la crescita delle cellule, sia per gli irraggiamenti di quest’ultime.