Advanced aspects of radiation protection in the use of particle accelerators in the medical field

In this work, the well-known MC code FLUKA was used to simulate the GE PETrace cyclotron (16.5 MeV) installed at “S. Orsola-Malpighi” University Hospital (Bologna, IT) and routinely used in the production of positron emitting radionuclides. Simulations yielded estimates of various quantities of interest, including: the effective dose distribution around the equipment; the effective number of neutron produced per incident proton and their spectral distribution; the activation of the structure of the cyclotron and the vault walls; the activation of the ambient air, in particular the production of 41Ar, the assessment of the saturation yield of radionuclides used in nuclear medicine. The simulations were validated against experimental measurements in terms of physical and transport parameters to be used at the energy range of interest in the medical field. The validated model was also extensively used in several practical applications uncluding the direct cyclotron production of non-standard radionuclides such as 99mTc, the production of medical radionuclides at TRIUMF (Vancouver, CA) TR13 cyclotron (13 MeV), the complete design of the new PET facility of “Sacro Cuore – Don Calabria” Hospital (Negrar, IT), including the ACSI TR19 (19 MeV) cyclotron, the dose field around the energy selection system (degrader) of a proton therapy cyclotron, the design of plug-doors for a new cyclotron facility, in which a 70 MeV cyclotron will be installed, and the partial decommissioning of a PET facility, including the replacement of a Scanditronix MC17 cyclotron with a new TR19 cyclotron.

Caratterizzazione e simulazione di processi di colata in sabbia di ghise sferoidali

L’oggetto principale delle attività di tesi è la caratterizzazione numerico-sperimentale di processi di colata in sabbia di ghisa sferoidale. Inizialmente è stata effettuata un’approfondita indagine bibliografica per comprendere appieno le problematiche relative all’influenza dei parametri del processo fusorio (composizione chimica, trattamento del bagno, velocità di raffreddamento) sulle proprietà microstrutturali e meccaniche di getti ottenuti e per valutare lo stato dell’arte degli strumenti numerici di simulazione delle dinamiche di solidificazione e di previsione delle microstrutture. Sono state definite, realizzate ed impiegate attrezzature sperimentali di colata per la caratterizzazione di leghe rivolte alla misura ed alla differenziazione delle condizioni di processo, in particolare le velocità di raffreddamento, ed atte a validare strumenti di simulazione numerica e modelli previsionali. Inoltre sono stati progettati ed impiegati diversi sistemi per l’acquisizione ed analisi delle temperature all’interno di getti anche di grandi dimensioni. Lo studio, mediante analisi metallografica, di campioni di materiale ottenuto in condizioni differenziate ha confermato l’effetto dei parametri di processo considerati sulle proprietà microstrutturali quali dimensioni dei noduli di grafite e contenuto di ferrite e perlite. In getti di grandi dimensioni si è riscontrata anche una forte influenza dei fenomeni di macrosegregazione e convezione della lega su microstrutture e difettologie dei getti. Le attività si sono concentrate principalmente nella simulazione numerica FEM dei processi fusori studiati e nell’impiego di modelli empirico-analitici per la previsione delle microstrutture. I dati misurati di temperature di processo e di microstrutture sono stati impiegati per la validazione ed ottimizzazione degli strumenti numerici previsionali impiegati su un ampio intervallo di condizioni di processo. L’impiego di strumenti affidabili di simulazione del processo fusorio, attraverso l’implementazione di correlazioni sperimentali microstrutture-proprietà meccaniche, permette la valutazione di proprietà e difettologie dei getti, fornendo un valido aiuto nell’ottimizzazione del prodotto finito e del relativo processo produttivo.

Simulazione numerica di celle solari Metal Wrap Through (MWT) con passivazione dell'interfaccia di base e contatti puntuali

L'energia solare rientra nel gruppo delle energie rinnovabili, ovvero che provengono da una fonte il cui utilizzo attuale non ne pregiudica la disponibilità nel futuro. L'energia solare ha molti vantaggi, poiché è inesauribile ed è una risorsa d'immediata disponibilità perché giunge attraverso i raggi del sole. La conversione fotovoltaica sfrutta il meccanismo di generazione di carica elettrica prodotto dall'interazione della radiazione luminosa su di un materiale semiconduttore. La necessità di creare energia riducendo al minimo l'impatto ambientale ed il contemporaneo aumento del prezzo di fonti fossili come ad esempio il petrolio ed il carbone (senza trascurare il fatto che le riserve di essi sono, di fatto, esauribili) ha portato un aumento considerevole della produzione di energia elettrica tramite conversione fotovoltaica. Allo stato attuale dell'economia e dei mercati, sebbene il settore fotovoltaico sia in forte crescita, non è esente da un parametro che ne descrive le caratteristiche economiche ed energetiche, il cosiddetto rapporto costo/efficienza. Per efficienza, si intende la quantità di energia elettrica prodotta rispetto alla potenza solare incidente per irraggiamento, mentre per costo si intende quello sostenuto per la costruzione della cella. Ridurre il rapporto costo/efficienza equivale a cercare di ottenere un'efficienza maggiore mantenendo inalterati i costi, oppure raggiungere una medio-alta efficienza ma ridurre in maniera significativa la spesa di fabbricazione. Quindi, nasce la necessità di studiare e sviluppare tecnologie di celle solari all'avanguardia, che adottino accorgimenti tecnologici tali per cui, a parità di efficienza di conversione, il costo di produzione della cella sia il più basso possibile. L'efficienza dei dispositivi fotovoltaici è limitata da perdite ottiche, di ricombinazione di carica e da resistenze parassite che dipendono da diversi fattori, tra i quali, le proprietà ottiche e di trasporto di carica dei materiali, l'architettura della cella e la capacità di intrappolare la luce da parte del dispositivo. Per diminuire il costo della cella, la tecnologia fotovoltaica ha cercato di ridurre il volume di materiale utilizzato (in genere semiconduttore), dal momento in cui si ritiene che il 40% del costo di una cella solare sia rappresentato dal materiale. Il trend che questo approccio comporta è quello di spingersi sempre di più verso spessori sottili, come riportato dalla International Technology Roadmap for Photovoltaic, oppure ridurre il costo della materia prima o del processo. Tra le architetture avanzate di fabbricazione si analizzano le Passivated Emitter and Rear Cell-PERC e le Metal Wrap Through-MWT Cell, e si studia, attraverso simulazioni numeriche TCAD, come parametri geometrici e di drogaggio vadano ad influenzare le cosiddette figure di merito di una cella solare.

Caratterizzazione di un rivelatore MCP-PMT per misure di risoluzione temporale e spaziale.

Questa tesi descrive una prima serie di misure effettuate per caratterizzare le prestazioni di un rivelatore di fotoni MCP-PMT a multi anodo, con particolare enfasi sulla risoluzione temporale e spaziale. I risultati sono stati confrontati con quelli relativi a tre ulteriori rivelatori (un MCP-PMT a singolo anodo e due fotomoltiplicatori a silicio). Le misure sono state effettuate presso i Laboratori dell’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN - Sezione di Bologna) per conto del Dipartimento di Fisica dell’Università di Bologna. La rivelazione della luce ha sempre occupato un posto fondamentale nella Fisica Nucleare e Subnucleare. Il principio base della rivelazione consiste nel trasformare la luce incidente in un segnale elettrico misurabile e i primi strumenti storicamente utilizzati furono i fotomoltiplicatori. Successivamente furono introdotti dei nuovi rivelatori di fotoni chiamati Micro Channel Plates, composti da un array di canali di dimensioni microscopiche, ciascuno in grado di moltiplicare gli elettroni prodotti per effetto fotoelettrico dai fotoni incidenti. Questo nuovo modello presenta ottime prestazioni in particolare per quanto riguarda la risoluzione temporale, e questa insieme ad altre caratteristiche (come la segmentazione degli anodi, che permette una risoluzione spaziale migliore), ha spinto a studiarne il funzionamento.

Integrazione informativa per la medicina nucleare: analisi del framework proposto da IHE

La presente tesi ha come obiettivo quello di illustrare il flusso informativo che gestisce lo scambio dei dati relativi a cure radioterapiche nell’ambiente di medicina nucleare. La radioterapia comprende tutte quelle cure a base di sostanze radioattive o radiazioni che vengono somministrate a scopo diagnostico o terapeutico. Le due tecniche più utilizzate sono la brachiradioterapia e la radioterapia a fasci esterni. La prima è utilizza solo in casi selezionati di tumori direttamente accessibili e la sua caratteristica principale è la rapida diminuzione della dose con l'allontanarsi dalla sorgente, la seconda tecnica invece consiste nell’irradiare la zona interessata dall’esterno, utilizzando come sorgente di radiazioni una macchina chiamata acceleratore lineare, posta all’esterno del corpo del paziente. Questa terapia ha come obiettivo primario quello di ottenere la migliore distribuzione di dose nel volume bersaglio, risparmiando quanto più possibile i tessuti sani. Già dalla nascita della radioterapia, questa tecnica era caratterizzata dalla presenza di immagini digitali, cioè al contrario di altri reparti radiologici dove le immagini diagnostiche venivano impresse su pellicole, qui le informazioni circolavano già in formato elettronico. Per questo motivo già da subito si è avvertita l’esigenza di trovare una modalità per lo scambio, in maniera efficiente e sicura, di dati clinici per organizzare al meglio la cura del paziente e la pianificazione, anche con macchinari di diversi produttori, del trattamento radioterapico. In tutto questo ha svolto un ruolo fondamentale la proposta di IHE del framework di medicina nucleare, dove si dettavano linee guida per coordinare in maniera semplice e vantaggiosa l’integrazione informativa dei vari attori del processo di cura radioterapico.

Modellazione e simulazione di particelle 'attive' in matrici liquido-cristalline

In questo lavoro di tesi si sono sviluppati un modello molecolare ed una metodologia Molecular Dynamics in grado di simulare il comportamento di particelle attive, alimentate da un motore molecolare, in matrici liquido-cristalline. In particolare, abbiamo sviluppato un metodo di calcolo della temperatura traslazionale ed un algoritmo di termalizzazione compatibili con le condizioni di non-equilibrio del sistema. Dall’analisi delle prove condotte sono emerse variazioni significative nei comportamenti collettivi dei campioni quali segregazioni e flussi coerenti caratterizzati da un alto grado di ordine nematico. Il modello proposto, pur nella nella sua semplicità, può costituire una base per future e più specifiche simulazioni.

Development and application of a thermo-hydraulic model supporting the design and the deterministic safety analysis in a sodium cooled fast reactor

Il CP-ESFR è un progetto integrato di cooperazione europeo sui reattori a sodio SFR realizzato sotto il programma quadro EURATOM 7, che unisce il contributo di venticinque partner europei. Il CP-ESFR ha l'ambizione di contribuire all'istituzione di una "solida base scientifica e tecnica per il reattore veloce refrigerato a sodio, al fine di accelerare gli sviluppi pratici per la gestione sicura dei rifiuti radioattivi a lunga vita, per migliorare le prestazioni di sicurezza, l'efficienza delle risorse e il costo-efficacia di energia nucleare al fine di garantire un sistema solido e socialmente accettabile di protezione della popolazione e dell'ambiente contro gli effetti delle radiazioni ionizzanti. " La presente tesi di laurea è un contributo allo sviluppo di modelli e metodi, basati sull’uso di codici termo-idraulici di sistema, per l’ analisi di sicurezza di reattori di IV Generazione refrigerati a metallo liquido. L'attività è stata svolta nell'ambito del progetto FP-7 PELGRIMM ed in sinergia con l’Accordo di Programma MSE-ENEA(PAR-2013). Il progetto FP7 PELGRIMM ha come obbiettivo lo sviluppo di combustibili contenenti attinidi minori 1. attraverso lo studio di due diverse forme: pellet (oggetto della presente tesi) e spherepac 2. valutandone l’impatto sul progetto del reattore CP-ESFR. La tesi propone lo sviluppo di un modello termoidraulico di sistema dei circuiti primario e intermedio del reattore con il codice RELAP5-3D© (INL, US). Tale codice, qualificato per il licenziamento dei reattori nucleari ad acqua, è stato utilizzato per valutare come variano i parametri del core del reattore rilevanti per la sicurezza (es. temperatura di camicia e di centro combustibile, temperatura del fluido refrigerante, etc.), quando il combustibile venga impiegato per “bruciare” gli attinidi minori (isotopi radioattivi a lunga vita contenuti nelle scorie nucleari). Questo ha comportato, una fase di training sul codice, sui suoi modelli e sulle sue capacità. Successivamente, lo sviluppo della nodalizzazione dell’impianto CP-ESFR, la sua qualifica, e l’analisi dei risultati ottenuti al variare della configurazione del core, del bruciamento e del tipo di combustibile impiegato (i.e. diverso arricchimento di attinidi minori). Il testo è suddiviso in sei sezioni. La prima fornisce un’introduzione allo sviluppo tecnologico dei reattori veloci, evidenzia l’ambito in cui è stata svolta questa tesi e ne definisce obbiettivi e struttura. Nella seconda sezione, viene descritto l’impianto del CP-ESFR con attenzione alla configurazione del nocciolo e al sistema primario. La terza sezione introduce il codice di sistema termico-idraulico utilizzato per le analisi e il modello sviluppato per riprodurre l’impianto. Nella sezione quattro vengono descritti: i test e le verifiche effettuate per valutare le prestazioni del modello, la qualifica della nodalizzazione, i principali modelli e le correlazioni più rilevanti per la simulazione e le configurazioni del core considerate per l’analisi dei risultati. I risultati ottenuti relativamente ai parametri di sicurezza del nocciolo in condizioni di normale funzionamento e per un transitorio selezionato sono descritti nella quinta sezione. Infine, sono riportate le conclusioni dell’attività.

Simulazione del volo di un catamarano con hydrofoil

Velocity prediction program per catamarano con V-foil anteriori e T-foil posteriori, simulazione di volo 3DOF con analisi della stabilità e dei carichi applicati.

Il ruolo della teoria della relatività nella formazione di strutture stellari: nane bianche e stelle di neutroni

In questa tesi viene affrontato il problema della stabilità delle strutture stellari da un punto di vista relativistico. La stella è approssimata ad un fluido perfetto a simmetria sferica, e le equazioni che ne governano la struttura vengono ricavate grazie alle risoluzione delle equazioni di campo della relatività generale in questo caso particolare. L'approssimazione di fluido perfetto permette anche di ricavare un'equazione di stato che lega densità di energia e pressione tramite un parametro, detto parametro di rigidità. Un'analisi del comportamento della materia al variare della densità consente di stabilire l'andamento di questo parametro, mentre uno studio delle piccole oscillazioni radiali della stella permette di stabilire quali sono i valori del parametro che consentono un equilibrio stabile. La stabilità risulta possibile in due differenti intervalli di densità, che corrispondono ai due tipici stadi finali dell'evoluzione stellare: nana bianca e stella di neutroni. Grazie alle equazioni che descrivono la struttura stellare è possibile stabilire, nei due intervalli di densità, quale sia il valore che la massa della stella non può superare: si ricavano il limite di Chandrasekhar e il limite di Oppenheimer-Volkoff. Infine viene mostrato come la relatività generale imponga un limite assoluto alla stabilità di una distribuzione di materia, sostenuta da una qualsiasi forza della natura: superato questo confine, la materia non può fare altro che collassare in un buco nero.

Cyclotron production of 11^C: experimental assessment of saturation yield and validation with Monte Carlo simulation

Nell'ambito della Fisica Medica, le simulazioni Monte Carlo sono uno strumento sempre più diffuso grazie alla potenza di calcolo dei moderni calcolatori, sia nell'ambito diagnostico sia in terapia. Attualmente sono disponibili numerosi pacchetti di simulazione Monte Carlo di carattere "general purpose", tra cui Geant4. Questo lavoro di tesi, svolto presso il Servizio di Fisica Sanitaria del Policlinico "S.Orsola-Malpighi", è basato sulla realizzazione, utilizzando Geant4, di un modello Monte Carlo del target del ciclotrone GE-PETtrace per la produzione di C-11. Nel modello sono stati simulati i principali elementi caratterizzanti il target ed il fascio di protoni accelerato dal ciclotrone. Per la validazione del modello sono stati valutati diversi parametri fisici, tra i quali il range medio dei protoni nell'azoto ad alta pressione e la posizione del picco di Bragg, confrontando i risultati con quelli forniti da SRIM. La resa a saturazione relativa alla produzione di C-11 è stata confrontata sia con i valori forniti dal database della IAEA sia con i dati sperimentali a nostra disposizione. Il modello è stato anche utilizzato per la stima di alcuni parametri di interesse, legati, in particolare, al deterioramento dell'efficienza del target nel corso del tempo. L'inclinazione del target, rispetto alla direzione del fascio di protoni accelerati, è influenzata dal peso del corpo del target stesso e dalla posizione in cui questo é fissato al ciclotrone. Per questo sono stati misurati sia il calo della resa della produzione di C-11, sia la percentuale di energia depositata dal fascio sulla superficie interna del target durante l'irraggiamento, al variare dell'angolo di inclinazione del target. Il modello che abbiamo sviluppato rappresenta, dunque, un importante strumento per la valutazione dei processi che avvengono durante l'irraggiamento, per la stima delle performance del target nel corso del tempo e per lo sviluppo di nuovi modelli di target.

Disegno e sviluppo di scenari di simulazione in 3D per l'addestramento dei controllori del traffico aereo

In questo elaborato verrà illustrato il processo di realizzazione degli scenari tridimensionali utilizzati nell’addestramento dei Controllori del Traffico Aereo di aeroporto. Verrà esposto nel dettaglio il processo di modellazione al computer di scenari compatibili con il sistema Adacel™ MaxSim® attualmente utilizzato nei simulatori di ENAV Academy; verranno inoltre analizzati e descritti i processi decisionali che si affrontano prima e durante le diverse fasi di realizzazione dello scenario. Nell’illustrare i processi e le metodologie si farà riferimento all’esperienza acquisita durante la collaborazione con il team di ENAV per la realizzazione di modelli e scenari tridimensionali. In particolare, si farà riferimento allo scenario dell’Aeroporto di Ciampino in una fase di addestramento resa necessaria dal delicato passaggio dalla gestione militare alla gestione civile.

Analisi e simulazione di un sistema per la misura sperimentale del dipolo magnetico residuo di micro-satelliti

La dinamica dell'assetto di un satellite artificiale rappresenta uno degli aspetti più delicati della missione che esso stesso andrà a svolgere in orbita attorno ad un qualche corpo celeste, quale appunto il pianeta Terra. Il seguente lavoro di tesi si propone di analizzare la causa di una delle principali componenti di disturbo dell'assetto appena menzionato, preponderante per satelliti dalle piccole dimensioni, fornendo la spiegazione, validata attraverso una simulazione, della messa a punto di un metodo sperimentale per la valutazione della stessa. La componente in questione è la coppia di disturbo magnetica, ed è generata dall'interazione tra il campo magnetico terrestre ed il cosiddetto 'dipolo magnetico residuo' del satellite stesso, ossia quel campo magnetico che esso, in modalità operativa e non, risulta generare a causa del materiale ferromagnetico presente al suo interno, e delle correnti elettriche circolanti nei vari cavi conduttori. Ci si è dunque occupati dell'analisi e messa a punto di un metodo che possa consentire sperimentalmente di rilevare l'entità del dipolo residuo. Il lavoro di simulazione è stato svolto prendendo in considerazione le dimensioni e le possibili caratteristiche del dipolo residuo del micro-satellite ESEO (European Student Earth Orbiter), sviluppato da studenti di diverse università europee ed ora in fase di progetto dettagliato (fase C) presso i laboratori dell'azienda ALMASpace S.r.l. di Forlì. Il metodo in esame consiste nel rilevare il campo magnetico generato dal satellite, posto all'interno di un sistema tridimensionale di bobine di Helmholtz per avere una zona libera da campi magnetici esterni. Il rilevamento del dipolo avviene per mezzo di un magnetometro a tre assi, e dalla suddetta misura si può pervenire alla conoscenza delle componenti del dipolo stesso, quali posizione, orientamento ed intensità; siccome però la misura del magnetometro non è ideale, ma risulta affetta da errori, per una più corretta caratterizzazione del dipolo è necessario utilizzare un numero maggiore di magnetometri (oppure, il che è lo stesso, un unico magnetometro spostato mano a mano) in punti diversi attorno al satellite in modo da avere più misure di campo magnetico e poter così sfruttare una procedura numerica di ottimizzazione per risalire alle componenti del dipolo. Questa intera parte di calcolo è stata realizzata in MatLab®, simulando quindi le misure ottenute dai magnetometri, 'sporcandole' con i predetti errori, ed utilizzando le funzioni di minimizzazione lsqnonlin ed fmincon per verificare la funzionalità del sistema; si sono infatti analizzati i grafici rappresentanti i livelli di errore commessi dall'algoritmo di stima sulle varie componenti del dipolo, per le tipologie di errore dei magnetometri menzionate in precedenza. Si è così cercato di suggerire una configurazione ottimale di magnetometri in grado di fornire una stima caratterizzata da un buon compromesso tra numero di magnetometri da utilizzare non troppo elevato ed errore derivante accettabile.

Metodologie open source per la simulazione numerica di banchi di flussaggio per motori a combustione interna

Valutazione di software open source per la simulazione di banchi di flussaggio stazionari. Analisi dei risultati e confronto con dati sperimentali e con dati ottenuti da un software commerciale. Il toolbox usato è OpenFOAM.

Simulazione numerica di un sistema geotermico a bassa entalpia open-loop in presenza di un gradiente geotermico anomalo

Il lavoro svolto nella presente tesi di laurea magistrale consiste nella modellazione e simulazione numerica, tramite il software commericale COMSOL MULTIPHYSICS, di un reservoir geotermico a bassa entalpia sfruttato mediante un impianto di teleriscaldamento a pompa di calore accoppiato ad un sistema open-loop.

Analisi e simulazione dei processi di gestione dei passeggeri nei terminal aeroportuali

La crescente espansione del traffico aereo degli ultimi anni obbliga i progettisti delle infrastrutture aeroportuali ad analizzare nel dettaglio i vari processi presenti negli aeroporti. Tali processi possono essere relativi al terminal, e quindi legati ai passeggeri, e relativi alle operazioni di volo, e pertanto legati agli aeromobili. Una delle aree più critiche dell’infrastruttura aeroportuale è il Terminal, in quanto è l’edificio che permette il trasferimento dei passeggeri dal sistema di trasporto terrestre a quello aeronautico e viceversa. All’interno del Terminal si hanno diversi processi, intesi come procedure, azioni o misure, che il passeggero è tenuto a sostenere prima, durante e dopo la partenza. L’aspetto più critico, per ciò che concerne i rischi di congestione dovuti alla molteplicità di processi, è il viaggio del passeggero in partenza. Il passaggio tra processi successivi deve essere visto con l’obiettivo di rendere il percorso del passeggero il più facile e semplice possibile. Nel presente elaborato si vuole focalizzare l’attenzione sui processi di gestione dei passeggeri presenti nei terminal aeroportuali valutandone le rispettive criticità. Per una buona analisi di questi processi bisognerebbe valutare il sistema reale. Per far fronte a questa necessità si fa uso della simulazione del sistema reale attraverso software specifici. La simulazione è il processo di progettazione e creazione di un modello computerizzato di un sistema reale. In questo lavoro di tesi, si vogliono, quindi, riportare le peculiarità dei processi che caratterizzano il viaggio dei passeggeri in partenza all’interno dei terminal aeroportuali, e valutarne le criticità attraverso l’applicazione ad un caso reale mediante l’utilizzo di uno dei maggiori software di simulazione in commercio, ovvero Arena Simulation Software della casa americana Rockwell. Pertanto nei primi capitoli vengono descritte le caratteristiche dei processi presenti in un terminal aeroportuale e le proprietà della simulazione. Mentre nei successivi capitoli si è riportato la simulazione di un caso reale effettuata con il software Arena.