Radiation Protection Issues for Cyclotron Produced Radionuclides

The national laboratory of Legnaro (LNL) of the INFN (National Institute of Nuclear Physics) is going to create a research infrastructure, LARAMED (LAboratory for the production of RAdionuclides for MEDicine), in the field of radiopharmaceuticals, thanks to the proton beam delivered by the recently installed cyclotron. The goals of LARAMED will be the research on innovative radionuclides to be used in tumors diagnosis and therapy and the consolidation of accelerator-based techniques for the production of existing substances. In this work, the LARAMED project has been taken as an example to outline the radiation protection issues of a laboratory dedicated to radiopharmaceuticals production, starting from the irradiation of a target with high power proton beams, to the analysis and treatment of the radioactive target in a radiochemical equipped laboratory. Radiation protection includes the identification of the radiation sources and the range of all the actions taken to guarantee the health protection of the workers and the general public. The treated matter is obviously shared with many applications, other than the irradiation of a target for medical radioisotopes, but the increasing interest in the use of cyclotrons of energy about 70 MeV for this task, is the rationale for the thesis. Legal aspect concerning the achievement of the authorization to run this facility have also been explored, since they include the risk analysis and the evaluation of the radiological hazard both during normal operation and in case of accident, where abnormal levels of exposure are foreseen. In order to obtain an accurate description of the problem and to efficiently treat the transport of radiation and particles through matter, it has been used FLUKA, a numerical code based on the Monte Carlo technique, developed jointly by CERN and INFN, boasting a large number of benchmarks in the field of engineering, radiation shielding and dosimetry studies. The FLUKA code has been used mainly to describe the source term of the interaction of the proton beam with the target, thus deriving the secondary particles field and the activation levels of the materials directly hit by the proton beam or by the secondary radiation. In many cases the results of the numerical simulations have been used without any further handling (as in the shielding calculations or in activation estimations), while sometimes the results have become source terms in the models describing the spread of radioactivity as, for instance, the release of radioactive air to the environment through the ventilation system. Since the LARAMED facility is still at the project stage, some preliminary measurements are presented in this work, regarding the commissioning of the cyclotron and the radiometric survey adopted. The measurements have been compared to the results of the evaluations, giving a useful indication of the accuracy of the methods.

I Laboratori Nazionali di Legnaro dell’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (LNL-INFN) ospiteranno, nell’ambito del progetto SPES, un’infrastruttura di ricerca nel campo dei radiofarmaci, grazie all’utilizzo di un fascio di protoni generato dal ciclotrone recentemente installato presso i laboratori. Il nome di tale infrastruttura è LARAMED, acronimo di LAboratory for the production of RAdionuclides for MEDicine. IL progetto LARAMED avrà lo scopo da una parte di fare ricerca su radionuclidi innovativi da utilizzare in terapia e diagnosi tumorale, dall’altra di consolidare le tecniche basate sull’utilizzo di acceleratori per la produzione di sostanze attualmente esistenti e correntemente impiegate. In questo lavoro di tesi il progetto LARAMED è stato preso come esempio per descrivere le problematiche radioprotezionistiche di un laboratorio dedicato alla produzione di radiofarmaci, partendo dall’irraggiamento di un bersaglio con un fascio di protoni di alta potenza, fino all’analisi e al processamento del bersaglio radioattivo in un laboratorio di radiochimica. La radioprotezione include l’identificazione delle sorgenti di radiazione e tutta la gamma di azioni da intraprendere per garantire la protezione dei lavoratori e della popolazione dal rischio radiologico. In tal senso la materia trattata trova impiego in molti altri campi, non esclusivamente l’irraggiamento di bersagli per la generazione di radioisotopi a scopo medico, ma il crescente interesse – nazionale ed internazionale – nell’utilizzo di ciclotroni di energia pari a circa 70 MeV per questa applicazione, costituisce la motivazione di questo lavoro. Sono stati anche esplorati gli aspetti normativi legati alla richiesta dell’autorizzazione all’esercizio di questa facility: la documentazione da procurare per ottenere un decreto autorizzativo include anche un’analisi di rischio e una valutazione degli eventuali scenari comportanti esposizioni potenziali e delle conseguenze sui lavoratori e sulla popolazione, oltre che una valutazione delle dosi per i lavoratori e per i gruppi di riferimento della popolazione in condizioni di normale attività. Per poter descrivere accuratamente il problema del trasporto di particelle e radiazione da un punto di vista fisico, è stato scelto di utilizzare il codice FLUKA basato sul metodo Monte Carlo, frutto di una collaborazione tra fisici del CERN (Organizzazione Europea per la Ricerca Nucleare) e dell’INFN. La sua validità nella progettazione di schermature in presenza di campi di radiazione complessi, nelle applicazioni per rivelatori, in dosimetria e in molti altri campi, è stata confermata anche attraverso confronti con evidenze sperimentali. In questo lavoro il codice FLUKA è stato utilizzato principalmente per descrivere il termine sorgente dell’interazione del fascio di protoni con il bersaglio, stimando quindi le principali grandezze legate al campo di radiazione secondario e, in particolare, i livelli di attivazione dei materiali investiti dal fascio diretto di protoni o dalla radiazione secondaria. In molti casi i risultati delle simulazioni numeriche hanno fornito immediatamente l’informazione richiesta, come ad esempio nel calcolo della dose attraverso le schermature o nelle stime di radioattività indotta. In altri casi tali risultati sono stati trattati come termine sorgente per i modelli che descrivono l’eventuale diffusione di radioattività come nel caso dei rilasci radioattivi in presenza di sistemi di ventilazione. Poiché la facility LARAMED è ancora in una fase progettuale, in questo lavoro sono state presentate delle misure relative al commissioning del ciclotrone e al sistema di sorveglianza radiometrica installato. Le misure sono state confrontate con i risultati delle valutazioni, fornendo così un’utile indicazione sull’accuratezza del metodo di calcolo utilizzato.