Experimental study of a silicon telescope for microdosimetry in ion-beam therapy

Starting with the first patient more than 60 years ago, about 150000 patients worldwide have been treated with proton therapy and carbon ion therapy to date. Detectors able to specify the radiation quality and to correlate it to the effect on the human cells are needed. The peculiarities of the clinical use, in particular the high beam intensity, require to develop new instruments which are substantially different from the microdosimeters regularly used in the framework of radiation protection. One of the most promising devices for this purpose is the silicon telescope developed at Politecnico di Milano. The aim of this thesis work is to provide further characterization of telescope silicon detectors for its implementation in ion-beam therapy. The microdosimetric approach to the problem is proposed in chapter I, while a discussion of the fundamental microdosimetric quantities is presented in chapter II. The chapter focuses also on spectra of lineal energy and how to overcome some distortions of the logarithmic scale representation. After an introduction in chapter III of the operating principles of the silicon telescope and the three different types of detector used in this study, SLAB-0D-1, SLAB-1D and MICRO-DISKS devices, the following sections are dedicated to the experimental analysis performed at the Ruđer Bošković Institute in Zagreb. The analysis of chapter IV provides an estimation of the thickness of ∆E layer of SLAB-0D-1 and SLAB-1D devices, as well as the thickness of the dead layer on the surface. For a correct evaluation of the microdosimetric parameters, the precise sensitive thickness must be known. This evaluation was performed analysing the detector response to different ion probes, carbon, silicon and lithium via IBIC technique, as a function of the incidence angle between the beam direction and the normal to the detector surface. The purpose of chapter V is to estimate the dimension of the border of the detector SLAB-0D-1 and of the small MICRO-DISKS device. The border is defined as the size of transition between the region where there is a full and homogeneous collection of data and the region where no data are collected. Radiation damaging studies presented in chapter VI investigate the change in the charge-collection efficiency of detector SLAB-0D-1 after exposing it to high fluence rates of 3.616 MeV silicon ions and 15 MeV carbon ions. It is also presented how the charge-collection efficiency was partially recovered after 18 days, during which the detector has been maintained at room temperature. Finally, the conclusions of the work are presented.

A partire dal primo paziente più di 60 anni fa, ad oggi la radioterapia con protoni e ioni carbonio ha trattato più di 150000 pazienti in tutto il mondo. Pertanto, sono necessari rivelatori capaci di specificare la qualità della radiazione e di correlarla agli effetti sulle cellule umane. Le peculiarità dell’utilizzo clinico, prima fra tutte l’alta intensità del fascio utilizzato, richiede lo sviluppo di dispositivi sostanzialmente differenti dai microdosimetri comunemente utilizzati nell’ambito della radioprotezione. Uno dei dispositivi più promettenti per questo scopo è il rivelatore al silicio a telescopio sviluppato presso il Politecnico di Milano. Obbiettivo del presente lavoro di tesi è fornire un’ulteriore caratterizzazione di questi rivelatori per il loro utilizzo nell’ambito della radioterapia. L’approccio microdosimetrico al problema è proposto nel capitolo I, mentre una discussione delle quantità microdosimetriche fondamentali è presentata nel capitolo II. Quest’ultimo si focalizza in particolar modo sugli spettri di energia lineale e su come risolvere alcune distorsioni legate alla rappresentazione in scala logaritmica. Dopo aver introdotto nel capitolo III i principi di funzionamento di un rivelatore al silicio a telescopio e le tre diverse tipologie di rivelatore utilizzate in questo studio, SLAB-0D-1, SLAB-1D and MICRO-DISKS, i capitoli successivi sono dedicati all’analisi sperimentale condotta presso l’istituto Ruđer Bošković di Zagabria. L’analisi del capitolo IV presenta la stima dello spessore dello strato ∆E per i dispositivi SLAB-0D-1 e SLAB-1D, e del dead layer superficiale. È infatti necessario conoscere in maniera precisa lo spessore del volume sensibile per una corretta valutazione dei parametri microdosimetrici. Questa valutazione è stata condotta analizzando la risposta del rivelatore a differenti ioni ed energie, in questo lavoro sono stati utilizzati carbonio da 15 MeV, silicio da 3.616 MeV e litio da 14.464 MeV, in funzione dell’angolo di incidenza fra la direzione del fascio e la normale alla superfice del rivelatore. Obbiettivo del capitolo V è la stima della dimensione del bordo dei rivelatori SLAB-0D-1 e MICRO-DISKS. Conoscere precisamente le dimensioni del bordo, definito come la dimensione di transizione fra la zona in cui la raccolta di carica è omogenea e completa e la zona in cui nessun dato è raccolto, risulta quindi di fondamentale importanza per una miglior definizione trasversale del volume sensibile. Lo studio del danno da radiazione presentato nel capitolo VI approfondisce i cambiamenti dell’efficienza nella raccolta di carica del rivelatore SLAB-0D dopo essere stato sottoposto ad alti tassi di fluenza di particelle, nel caso in esame ioni silicio da 3.616 MeV e ioni carbonio da 15 MeV. Viene inoltre mostrato il parziale recupero dell’efficienza nella raccolta di carica dopo 18 giorni, durante i quali il rivelatore è stato conservato a temperatura ambiente. Infine, vengono presentate le conclusioni del lavoro.