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Indice 1 Introduzione 2 2 Impiego di fasci di particelle in medicina nucleare 4 2.1 Radioterapia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 2.2 Adro-terapia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 2.3 Terapia a neutroni catturati da boro . . . . . . . . . . . . . . 6 2.4 Tomografia ad emissione di positroni . . . . . . . . . . . . . . 8 3 Acceleratori per uso medicale 11 3.1 Acceleratore Cockcroft-Walton . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 3.2 Acceleratore Van de Graaff . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 3.3 Acceleratore lineare (linac) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 3.4 Ciclotrone . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 4 Accelerazione indotta da impulsi laser nei plasmi 17 4.1 Accelerazione di elettroni . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 4.2 Accelerazione di protoni e ioni . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 5 Prospettive di impiego in ambito medico 21 Bibliografia 24 1
1 Introduzione Nell’ambito della fisica delle particelle si utilizzano macchine acceleratrici per fornire energia cinetica a particelle cariche che, collidendo con bersagli opporuni, producono reazioni nucleari e subnucleari. Lo sviluppo tecnologico ha portato alla creazione di acceleratori in grado di fornire sempre maggiore energia, ma anche di dimensioni sempre maggiori. Il Large Hadron Collider (lhc) del cern è un anello lungo 27km in grado di accelerare due fasci di protoni fino a 14TeV nel sistema del centro di massa. Parallelamente è nata la possibilità di applicare queste tecniche a settori come la medicina per i quali sono spesso sufficienti minori energie cinetiche. Acceleratori di particelle sono spesso utilizzati in ambito medico per la cura di tumori e per attivare traccianti per diagnosi mediche accurate (pet). Nel capitolo 3 saranno sommariamente descritti i principali tra tali acceleratori, basati su tecniche “convenzionali”. Nel 1979 T. Tajima e J. Dawson per primi proposero il concetto di accelerazione nei plasmi guidata da laser [1]. Questa nuova tecnica consiste nel far incidere un impulso laser su un plasma per accelerare particelle (tipicamente elettroni e protoni). I vantaggi di questa tecnica sono la brevità del cammino di accelerazione (≈ 100µm) e di conseguenza anche la limitatezza della radiazione emessa dalle particelle accelerate. Tuttavia le energie più alte che si riescono ad ottenere attualmente sono del GeV per gli elettroni [2]. Queste tecniche basate sui laser non sono attualmente in grado di competere con quelle convenzionali di accelerazione nell’ambito della ricerca in fisica delle interazioni fondamentali. Si cercherà di valutare se tuttavia possano trovare sin da ora applicazione in ambito medico. Infatti, limitandoci agli elettroni, la medicina nucleare richiede energie fino a qualche decina di MeV con caratteristiche di fascio non estreme in termini di monocromaticità, divergenza e stabilità di puntamento. Questo lavoro di tesi consiste quindi nell’analizzare le prospettive di impiego in ambito medico dell’accelerazione guidata da laser nei plasmi. In particolare, dopo un’introduzione sulle principali tecniche utilizzate in medicina nucleare, saranno descritti i tipi di acceleratori attualmente utilizzati in questo campo. Di seguito una breve introduzione all’accelerazione nei plasmi 2
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