This PhD thesis is dedicated to the design, the development and the characterization of an innovative avalanche-confinement tissue equivalent proportional counter (TEPC) for microdosimetric measurements at nanometric level. This research activity belongs to the microdosimetry and track-nanodosimetry field, a branch of radiation physics which concerns the study of theoretical and experimental methodologies able to perform a detailed analysis of the radiation interaction with matter, in particular with biological tissue at cellular and sub-cellular level. This kind of analysis has a direct impact in the hadron therapy field, an emerging radiotherapeutic treatment carried out with hadrons (in particular protons and carbon ions), which constitutes a promising solution for certain radioresistant cancers and for cancerous tumors close to critical organs. A novel avalanche-confinement low pressure TEPC, constituted by tissue equivalent walls and filled with low density tissue equivalent gas, was designed to measure microdosimetric spectra in simulated biological sites from 300 nm down to 25 nm in diameter. A customized and transportable vacuum and gas flow system was constructed to ensure a continuous replacement of tissue equivalent gas inside the microdosimeter. The first phase of the characterization activity was devoted to the study of the optimum operating conditions of the detection system by determining the proper bias voltage and pressure combinations, the stability and the performances of the whole system. This was accomplished through the determination of the so-called “electron transmission windows”, empirical charts reporting the best operating conditions of the device in terms of polarization of the three electrodes at a selected simulated site size. A procedure for the calibration of the microdosimetric spectra based on the internal alpha source was also setting up and exploited. Furthermore the response of the device to photons emitted by a Cs-137 isotopic source and to fast neutrons was characterized experimentally at different simulated site sizes and configurations. The analysis of the microdosimetric spectra demonstrated the good performances of the device and the reproducibility of the calibration procedure. Since the main objective of this doctoral project concerned the feasibility study of a new type of TEPC which could fill the actual scientific gap between the approaches proposed by experimental microdosimetry and track-nanodosimetry for the physical characterization of hadron beams, the response of this novel avalanche-confinement TEPC to a low-energy carbon ion beam was experimentally evaluated. Several configurations were tested by changing both the simulated site size from 0.3 μm down to 25 nm and the depth along the Bragg Peak of the dose distribution of the delivered beam. This irradiation campaign gave confidence about the capability of this novel avalanche-confinement TEPC of measuring in the range 0.3 μm - 25 nm when irradiated with low-energy carbon ions. It should be underlined that microdosimetric measurements of hadron beams at the nanometric scale with portable devices have never been performed before. The knowledge and the results acquired during this thesis work will be exploited for designing and developing a new facility constituted by a track-nanodosimeter coupled with a wall-less avalanche-confinement TEPC, with the purpose of directly correlating the microdosimetric spectra with the track-nanodosimetric distributions at the same experimental conditions. The microdosimetric spectra measured by such a device consist in the convolution of core and penumbra events, the two components of a particle track measured through a nanodosimeter. A direct and systematic comparison between the microdosimetric and track-nanodosimetric distributions for the same particle beam will allow to investigate the possibility of unfolding the microdosimetric spectrum into its different track components and any limits of this technique. In such a way, the beam characteristics measured by a portable TEPC could be transferred to a track-nanodosimetric description, much more relevant in the framework of the biological damages to the nanometric targets, such as the DNA and the chromosome fiber.

Questa tesi di Dottorato è dedicata al progetto, allo sviluppo e alla caratterizzazione di un contatore proporzionale tessuto equivalente (TEPC) innovativo, a confinamento di valanga e a bassa pressione, per misure di microdosimetria su scala nanometrica. Tale attività di ricerca appartiene al campo della microdosimetria e della nanodosimetria di traccia, una branca della fisica delle radiazioni che riguarda lo studio di metodologie sia teoriche sia sperimentali volte ad un’analisi dettagliata dell’interazione tra radiazione e materia, in modo particolare con il tessuto biologico a livello cellulare e sub-cellulare. Questo tipo di analisi è di fondamentale importanza nel campo dell’adroterapia, un trattamento radioterapeutico molto recente basato su fasci di adroni (in particolare protoni e ioni carbonio), il quale costituisce una soluzione promettente per la cura di tipologie di tumori radio resistenti e localizzati in zone critiche, ad esempio nelle vicinanze di organi sani che devono essere preservati. Nell’ambito di questo lavoro di tesi è’ stato progettato e sviluppato un contatore proporzionale a confinamento di valanga e a bassa pressione, costituito da pareti tessuto equivalenti e riempito con gas tessuto equivalente, in grado di misurare spettri microdosimetrici in siti biologici simulati da 0.3 μm a 25 nm di diametro. Per poter fornire un ricambio continuo di gas all’interno della camera di misura, è stato costruito un opportuno sistema da vuoto e di flussaggio di gas trasportabile. La prima fase di caratterizzazione ha riguardato lo studio e l’ottimizzazione delle condizioni operative del sistema di misura, determinando le migliori combinazioni di pressione del gas e tensione di polarizzazione da applicare agli elettrodi. Tale attività è stata realizzata tramite la determinazione delle cosiddette “finestre di trasmissione degli elettroni”, costituite da diagrammi sperimentali che evidenziano le migliori condizioni di funzionamento del dispositivo in termini di polarizzazione dei tre elettrodi a seconda della dimensione del sito simulato. E’ stata, inoltre, utilizzata una procedura per la calibrazione degli spettri microdosimetrici basata su una sorgente alpha di calibrazione miniaturizzata posta all’interno della camera di misura. Successivamente è stata caratterizzata sperimentalmente la risposta del rivelatore a radiazione gamma emessa da una sorgente isotopica di Cs-137 e ad un fascio di neutroni veloci, in funzione della dimensione del sito simulato e delle condizioni operative del rivelatore. Questo studio ha permesso di valutare le prestazioni del sistema e di verificare la riproducibilità della procedura di calibrazione. Infine, poiché l’obiettivo ultimo di tale strumento consiste nella misura delle proprietà fisiche di fasci adronici, è stata valutata sperimentalmente la sua risposta ad un fascio di ioni carbonio di bassa energia. Sono stati eseguiti irraggiamenti in diverse configurazioni, variando sia la dimensione del sito simulato, da 0.3 μm fino a 25 nm, sia la profondità lungo il picco di Bragg della distribuzione in dose del fascio. È stato ottenuto un risultato molto soddisfacente, in quanto per la prima volta è stato possibile misurare distribuzioni microdosimetriche di un fascio adronico su scala nanometrica utilizzando uno strumento portatile. Le conoscenze e i risultati acquisiti durante tale progetto di ricerca, che hanno dimostrato la concreta fattibilità di estendere le prestazioni di un TEPC su scala nanometrica, almeno fino a 25 nm, saranno utilizzati per progettare e sviluppare un nuovo apparato di misura costituito da un nanodosimetro di traccia e da un TEPC a confinamento di valanga e privo di pareti, con lo scopo di correlare in modo diretto e simultaneo gli spettri microdosimetrici con le distribuzioni nanodosimetriche relative al medesimo fascio adronico. Gli spettri microdosimetrici misurati da questo tipo di rivelatore consistono, infatti, nella convoluzione degli eventi di core e di penumbra, le due componenti della traccia di una particella misurate da un nanodosimetro: un confronto diretto tra le distribuzioni microdosimetriche e nanodosimetriche del medesimo fascio permetteranno di valutare la possibilità di ricavare, dallo spettro microdosimetrico, le due diverse componenti di traccia. In tal modo le caratteristiche del fascio misurate tramite un TEPC portatile a confinamento di valanga potranno essere trasferite ad una descrizione nanodosimetrica, molto più rilevante ai fini della valutazione del danno biologico inferto a bersagli critici quali il segmento di DNA e la fibra del cromosoma.

A novel avalanche-confinement TEPC for microdosimetry at nanometric level

BORTOT, DAVIDE

Abstract

This PhD thesis is dedicated to the design, the development and the characterization of an innovative avalanche-confinement tissue equivalent proportional counter (TEPC) for microdosimetric measurements at nanometric level. This research activity belongs to the microdosimetry and track-nanodosimetry field, a branch of radiation physics which concerns the study of theoretical and experimental methodologies able to perform a detailed analysis of the radiation interaction with matter, in particular with biological tissue at cellular and sub-cellular level. This kind of analysis has a direct impact in the hadron therapy field, an emerging radiotherapeutic treatment carried out with hadrons (in particular protons and carbon ions), which constitutes a promising solution for certain radioresistant cancers and for cancerous tumors close to critical organs. A novel avalanche-confinement low pressure TEPC, constituted by tissue equivalent walls and filled with low density tissue equivalent gas, was designed to measure microdosimetric spectra in simulated biological sites from 300 nm down to 25 nm in diameter. A customized and transportable vacuum and gas flow system was constructed to ensure a continuous replacement of tissue equivalent gas inside the microdosimeter. The first phase of the characterization activity was devoted to the study of the optimum operating conditions of the detection system by determining the proper bias voltage and pressure combinations, the stability and the performances of the whole system. This was accomplished through the determination of the so-called “electron transmission windows”, empirical charts reporting the best operating conditions of the device in terms of polarization of the three electrodes at a selected simulated site size. A procedure for the calibration of the microdosimetric spectra based on the internal alpha source was also setting up and exploited. Furthermore the response of the device to photons emitted by a Cs-137 isotopic source and to fast neutrons was characterized experimentally at different simulated site sizes and configurations. The analysis of the microdosimetric spectra demonstrated the good performances of the device and the reproducibility of the calibration procedure. Since the main objective of this doctoral project concerned the feasibility study of a new type of TEPC which could fill the actual scientific gap between the approaches proposed by experimental microdosimetry and track-nanodosimetry for the physical characterization of hadron beams, the response of this novel avalanche-confinement TEPC to a low-energy carbon ion beam was experimentally evaluated. Several configurations were tested by changing both the simulated site size from 0.3 μm down to 25 nm and the depth along the Bragg Peak of the dose distribution of the delivered beam. This irradiation campaign gave confidence about the capability of this novel avalanche-confinement TEPC of measuring in the range 0.3 μm - 25 nm when irradiated with low-energy carbon ions. It should be underlined that microdosimetric measurements of hadron beams at the nanometric scale with portable devices have never been performed before. The knowledge and the results acquired during this thesis work will be exploited for designing and developing a new facility constituted by a track-nanodosimeter coupled with a wall-less avalanche-confinement TEPC, with the purpose of directly correlating the microdosimetric spectra with the track-nanodosimetric distributions at the same experimental conditions. The microdosimetric spectra measured by such a device consist in the convolution of core and penumbra events, the two components of a particle track measured through a nanodosimeter. A direct and systematic comparison between the microdosimetric and track-nanodosimetric distributions for the same particle beam will allow to investigate the possibility of unfolding the microdosimetric spectrum into its different track components and any limits of this technique. In such a way, the beam characteristics measured by a portable TEPC could be transferred to a track-nanodosimetric description, much more relevant in the framework of the biological damages to the nanometric targets, such as the DNA and the chromosome fiber.
BOTTANI, CARLO ENRICO
GIULINI CASTIGLIONI AGOSTEO, STEFANO LUIGI MARIA
15-feb-2016
Questa tesi di Dottorato è dedicata al progetto, allo sviluppo e alla caratterizzazione di un contatore proporzionale tessuto equivalente (TEPC) innovativo, a confinamento di valanga e a bassa pressione, per misure di microdosimetria su scala nanometrica. Tale attività di ricerca appartiene al campo della microdosimetria e della nanodosimetria di traccia, una branca della fisica delle radiazioni che riguarda lo studio di metodologie sia teoriche sia sperimentali volte ad un’analisi dettagliata dell’interazione tra radiazione e materia, in modo particolare con il tessuto biologico a livello cellulare e sub-cellulare. Questo tipo di analisi è di fondamentale importanza nel campo dell’adroterapia, un trattamento radioterapeutico molto recente basato su fasci di adroni (in particolare protoni e ioni carbonio), il quale costituisce una soluzione promettente per la cura di tipologie di tumori radio resistenti e localizzati in zone critiche, ad esempio nelle vicinanze di organi sani che devono essere preservati. Nell’ambito di questo lavoro di tesi è’ stato progettato e sviluppato un contatore proporzionale a confinamento di valanga e a bassa pressione, costituito da pareti tessuto equivalenti e riempito con gas tessuto equivalente, in grado di misurare spettri microdosimetrici in siti biologici simulati da 0.3 μm a 25 nm di diametro. Per poter fornire un ricambio continuo di gas all’interno della camera di misura, è stato costruito un opportuno sistema da vuoto e di flussaggio di gas trasportabile. La prima fase di caratterizzazione ha riguardato lo studio e l’ottimizzazione delle condizioni operative del sistema di misura, determinando le migliori combinazioni di pressione del gas e tensione di polarizzazione da applicare agli elettrodi. Tale attività è stata realizzata tramite la determinazione delle cosiddette “finestre di trasmissione degli elettroni”, costituite da diagrammi sperimentali che evidenziano le migliori condizioni di funzionamento del dispositivo in termini di polarizzazione dei tre elettrodi a seconda della dimensione del sito simulato. E’ stata, inoltre, utilizzata una procedura per la calibrazione degli spettri microdosimetrici basata su una sorgente alpha di calibrazione miniaturizzata posta all’interno della camera di misura. Successivamente è stata caratterizzata sperimentalmente la risposta del rivelatore a radiazione gamma emessa da una sorgente isotopica di Cs-137 e ad un fascio di neutroni veloci, in funzione della dimensione del sito simulato e delle condizioni operative del rivelatore. Questo studio ha permesso di valutare le prestazioni del sistema e di verificare la riproducibilità della procedura di calibrazione. Infine, poiché l’obiettivo ultimo di tale strumento consiste nella misura delle proprietà fisiche di fasci adronici, è stata valutata sperimentalmente la sua risposta ad un fascio di ioni carbonio di bassa energia. Sono stati eseguiti irraggiamenti in diverse configurazioni, variando sia la dimensione del sito simulato, da 0.3 μm fino a 25 nm, sia la profondità lungo il picco di Bragg della distribuzione in dose del fascio. È stato ottenuto un risultato molto soddisfacente, in quanto per la prima volta è stato possibile misurare distribuzioni microdosimetriche di un fascio adronico su scala nanometrica utilizzando uno strumento portatile. Le conoscenze e i risultati acquisiti durante tale progetto di ricerca, che hanno dimostrato la concreta fattibilità di estendere le prestazioni di un TEPC su scala nanometrica, almeno fino a 25 nm, saranno utilizzati per progettare e sviluppare un nuovo apparato di misura costituito da un nanodosimetro di traccia e da un TEPC a confinamento di valanga e privo di pareti, con lo scopo di correlare in modo diretto e simultaneo gli spettri microdosimetrici con le distribuzioni nanodosimetriche relative al medesimo fascio adronico. Gli spettri microdosimetrici misurati da questo tipo di rivelatore consistono, infatti, nella convoluzione degli eventi di core e di penumbra, le due componenti della traccia di una particella misurate da un nanodosimetro: un confronto diretto tra le distribuzioni microdosimetriche e nanodosimetriche del medesimo fascio permetteranno di valutare la possibilità di ricavare, dallo spettro microdosimetrico, le due diverse componenti di traccia. In tal modo le caratteristiche del fascio misurate tramite un TEPC portatile a confinamento di valanga potranno essere trasferite ad una descrizione nanodosimetrica, molto più rilevante ai fini della valutazione del danno biologico inferto a bersagli critici quali il segmento di DNA e la fibra del cromosoma.
Tesi di dottorato
File allegati
File Dimensione Formato  
2016_02_PhD_Bortot.pdf

solo utenti autorizzati dal 20/01/2019

Descrizione: Testo della tesi
Dimensione 3.91 MB
Formato Adobe PDF
3.91 MB Adobe PDF   Visualizza/Apri

I documenti in POLITesi sono protetti da copyright e tutti i diritti sono riservati, salvo diversa indicazione.

Utilizza questo identificativo per citare o creare un link a questo documento: https://hdl.handle.net/10589/116626