The aim of the this thesis work is to report the work done during the period of internship within the LMPlus Program, supported by the University of Pavia. The internship was carried out at the National Center for Oncological Hadrontherapy (CNAO). This is one of the six centers in the world that provides hadrontherapy treatments with protons and carbon ions. In addition to the treatment rooms, an Experimental Room with a horizontal beam line is available to the experimenters. My work involved the interface between a new detector for low intensity beams and the CNAO Dose Delivery System (DDS). A Dose Delivery System is responsible for monitoring and controlling the beam produced by the accelerator during treatment. Among the fundamental elements of a DDS there are the beam monitors which have the task of providing information on the position and intensity of the beam. The beam monitors currently used in CNAO have been designed to work at therapeutic intensities, in the order of 10^9 particles/s and become "blind" at low intensities, in the order of 10^3−10^5 particles/s. In the framework of the collaboration between CNAO and the National Institute of Nuclear Physics (INFN) of Rome a new beam monitor is under construction to be used in the CNAO Experimental Room for low intensity beams. The monitor is a detector with two orthogonal planes of 128 scintillating fibers coupled to SiPM (Silicon Photomultiplier). The structure is similar to one of the beam monitors currently in use, so the goal we want to achieve is to interface the new monitor with the DDS using the existing acquisition chain. For the acquisition of the detector data we chose to use a CAEN DT5550W/A55CIT4 board that supports a programmable FPGA (Field Programmable Gate Array), using a graphic software called SCI-Compiler capable of generating the VHDL (Very High Speed Integrated Circuit (VHSIC) Hardware Description Language) code for programming the FPGA, and 4 ASICs (application specific integrated circuit) for reading SiPMs. My work was first to create a firmware in SCI-Compiler that handle the acquisition of data from the detector with a structure compatible with the requests of the DDS. The next step was to test the complete acquisition chain with the DDS. To do this it was necessary to modify a part of the LabVIEW code used to handle the FPGAs of the DDS. The second part of the work was to implement in the firmware created a communication with an acquisition and configuration software of the ASICs that allows the characterization of the detector and its use during experiments where the DDS has no role in monitoring. Thanks to this work, when a low intensity beam delivery is required in the Experimental Room, the new monitor will replace BOX 1 of the DDS allowing monitoring of intensity and position of the beam even in the case of low intensities. Furthermore, thanks to the interface between the CAEN board and the DDS, carried out in this work, the DDS will be able to deliver the equivalent of treatment plans even for a small numbers of particles, by performing a 3D scan of the detectors or test cell samples in vitro.
La tesi presentata ha l’obiettivo di riportare il lavoro svolto durante il periodo di tirocinio previsto dal percorso di LMplus promosso dall’Università degli Studi di Pavia. Il tirocinio è stato svolto presso il Centro Nazionale di Adroterapia Oncologica (CNAO). Questo è uno dei sei centri nel mondo ad erogare trattamenti di adroterapia sia con protoni che con ioni carbonio. Oltre alle sale di trattamento ha a disposizione degli sperimentatori una Sala Sperimentale con una linea di fascio orizzontale. Il mio lavoro ha riguardato l’interfaccia di un nuovo rivelatore per fasci di bassa intensità con il Dose Delivery System (DDS) del CNAO. Un sistema di Dose Delivery ha il compito di monitorare, controllare e guidare il fascio prodotto dall’acceleratore durante il trattamento. Tra gli elementi fondamentali di un DDS ci sono i monitor di fascio che hanno il compito di fornire le informazioni sulla posizione e l’intensità del fascio. I monitor di fascio utilizzati attualmente in CNAO sono stati disegnati per lavorare a intensità terapeutiche, dell’ordine di 10^9 particelle/s e diventano "ciechi" a basse intensità, intendendo intensità da 10^3 a 10^5 particelle/s. In una collaborazione tra CNAO e Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN) di Roma si sta costruendo un monitor di fascio da utilizzare nella Sala Sperimentale del CNAO per fasci a bassa intensità. Il monitor in questione è un rivelatore a due piani ortogonali di 128 fibre scintillanti accoppiate a SiPM (Silicon Photomultiplier ). La struttura è simile a uno dei monitor di fascio (BOX1) che si utilizzano attualmente, quindi l’obiettivo che si vuole raggiungere è quello di interfacciare il nuovo monitor con il DDS utilizzando la catena di acquisizione già esistente per permettere al DDS di controllare fasci a intensità ridotte. Per l’acquisizione dei dati del rivelatore si è scelto di utilizzare una scheda CAEN DT5550W/A55CIT4 che supporta una FPGA (Field Programmable Gate Array), programmabile utilizzando un software grafico chiamato SCI-Compiler in grado di generare il codice VHDL (VHSIC Hardware Description Language, dove VHSIC è la sigla di Very High Speed Integrated Circuits) per la programmazione dell’FPGA, e 4 ASIC (application specific integrated circuit) per la lettura dei SiPM. Il mio lavoro è stato dapprima quello di creare un firmware in SCI-Compiler che gestisca l’acquisizione dei dati dal rivelatore con una struttura compatibile con le richieste del DDS. Il passo successivo è stato quello di testare la catena di acquisizione completa con il DDS. Per fare questo è stato necessario modificare una parte del codice LabVIEW utilizzato per gestire le FPGA del DDS. La seconda parte del lavoro è stata quella di implementare nel firmware creato una comunicazione con un software di acquisizione e configurazione degli ASIC che permetta la caratterizzazione del rivelatore e il suo uso durante gli esperimenti nei quali il DDS non avrà il ruolo di controllo. Grazie a questo lavoro, quando nella Sala Sperimentale sarà richiesta una erogazione del fascio a bassa intensità, il nuovo monitor sostituirà la BOX 1 del DDS permettendo di monitorare intensità e posizione del fascio anche nel caso di basse intensità. Inoltre, grazie all’interfacciamento tra scheda CAEN e DDS realizzato in questo lavoro, il DDS sarà in grado di erogare l’equivalente di piani di trattamento anche per piccoli numeri di particelle, effettuando una scansione 3D dei rivelatori o dei campioni cellulari in vitro da analizzare.
Realizzazione di una interfaccia tra il monitor di fascio a bassa intensità e il sistema di Dose Delivery del Centro Nazionale di Adroterapia Oncologica di Pavia
MANTA, MARIACHIARA
2021/2022
Abstract
The aim of the this thesis work is to report the work done during the period of internship within the LMPlus Program, supported by the University of Pavia. The internship was carried out at the National Center for Oncological Hadrontherapy (CNAO). This is one of the six centers in the world that provides hadrontherapy treatments with protons and carbon ions. In addition to the treatment rooms, an Experimental Room with a horizontal beam line is available to the experimenters. My work involved the interface between a new detector for low intensity beams and the CNAO Dose Delivery System (DDS). A Dose Delivery System is responsible for monitoring and controlling the beam produced by the accelerator during treatment. Among the fundamental elements of a DDS there are the beam monitors which have the task of providing information on the position and intensity of the beam. The beam monitors currently used in CNAO have been designed to work at therapeutic intensities, in the order of 10^9 particles/s and become "blind" at low intensities, in the order of 10^3−10^5 particles/s. In the framework of the collaboration between CNAO and the National Institute of Nuclear Physics (INFN) of Rome a new beam monitor is under construction to be used in the CNAO Experimental Room for low intensity beams. The monitor is a detector with two orthogonal planes of 128 scintillating fibers coupled to SiPM (Silicon Photomultiplier). The structure is similar to one of the beam monitors currently in use, so the goal we want to achieve is to interface the new monitor with the DDS using the existing acquisition chain. For the acquisition of the detector data we chose to use a CAEN DT5550W/A55CIT4 board that supports a programmable FPGA (Field Programmable Gate Array), using a graphic software called SCI-Compiler capable of generating the VHDL (Very High Speed Integrated Circuit (VHSIC) Hardware Description Language) code for programming the FPGA, and 4 ASICs (application specific integrated circuit) for reading SiPMs. My work was first to create a firmware in SCI-Compiler that handle the acquisition of data from the detector with a structure compatible with the requests of the DDS. The next step was to test the complete acquisition chain with the DDS. To do this it was necessary to modify a part of the LabVIEW code used to handle the FPGAs of the DDS. The second part of the work was to implement in the firmware created a communication with an acquisition and configuration software of the ASICs that allows the characterization of the detector and its use during experiments where the DDS has no role in monitoring. Thanks to this work, when a low intensity beam delivery is required in the Experimental Room, the new monitor will replace BOX 1 of the DDS allowing monitoring of intensity and position of the beam even in the case of low intensities. Furthermore, thanks to the interface between the CAEN board and the DDS, carried out in this work, the DDS will be able to deliver the equivalent of treatment plans even for a small numbers of particles, by performing a 3D scan of the detectors or test cell samples in vitro.È consentito all'utente scaricare e condividere i documenti disponibili a testo pieno in UNITESI UNIPV nel rispetto della licenza Creative Commons del tipo CC BY NC ND.
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