Caratterizzazione di rivelatori a gas in campi misti e di alta energia in adroterapia

Due to the worldwide dissemination of facilities where charged hadrons are accelerated at high energy, both for research and for medical reasons, ambient dosimetry in mixed and high energy radiation fields is a widely discussed topic. The radiation field produced by a particle accelerator, inside its shielding, is composed of different kinds of particles with a wide energy range. Different kinds of particles, in the mixed field, provide a different contribution to the total dose. When a detector, which is designed to measure a specific radiation, is exposed to a mixed radiation field, it turns out to be sensitive to particles that are different from the ones it is designed for, and its output is affected by the contribution of different components of the field, which varies according to the specific detector and field. The aim of this work is to characterize gas detectors response function in secondary particles radiation fields present during a hadrotherapy treatment. The LINUS and LUPIN rem counters, as concern the neutron dosimetry, and an ionization chamber, used as a monitor for photons ambient dose equivalent, have been studied. The field and the detectors have been characterized by the FLUKA Monte Carlo code, which ensures quite a good efficiency in transporting high energy particles and where the physics models for the interaction between radiation and matter are fully implemented. A deep study of the specific radiation field has been done; the spectra and the yields for each particle emerging from the target have been acquired, for two different cases: a 400 MeV/u carbon ion beam and a 250 MeV proton beam, which are typically used for hadrontherapy treatments and which are available at CNAO, where the experimental part of this work has been carried out. The data regarding the response of the simulated instruments have been scored mainly by the card DETECT and they have been elaborated in order to compare the simulated response to the measured one, according to the specific way each detector provides the signal. The detectors response has been validated, first, comparing simulation and measurement response to the source each instrument has been calibrated for (an Am-Be neutron source for the rem counters, a gamma source of 137Cs for the ionization chamber). After that, the response to the field produced by a beam of carbon ions (400 MeV/u) and protons (250 MeV) impinging on a thick target of polyethylene, has been studied. Thanks to the MC code it’s been possible to evaluate, for every gas detector individually, the detector response to any single component of the mixed field, and its contribution to the total response. Carbon ions show that charged hadrons provide the major contribute to the total dose along the beam direction, while at greater angles their contribution becomes negligible and the field is dominated by neutrons. On the other hand, when a proton beam is accelerated, charged hadrons are always negligible and the field is dominated by neutrons at all angles. In the end, the rem counters response shows the worst performance at 0° with carbon ions, but improves at major angles; with proton beam, the response function of the rem counters is quite acceptable. The ionization chamber is most sensitive to all kind of secondary radiation, and its response, in this kind of fields, is always dominated by secondary particles other than photons.

Grazie all’aumentare del numero di impianti in tutto il mondo, in cui, per scopi di ricerca e/o per scopi medicali, sono presenti fasci di particelle cariche ad alta energia, la complessità legata alla dosimetria ambientale in campi misti e di alta energia è un problema di grande interesse e ampiamente discusso in letteratura. Il campo di radiazione all’interno delle schermature di un impianto dove è presente un acceleratore di particelle è un campo complesso perché costituito da particelle di diversa natura con spettri estesi su ampi range di energia. Poiché particelle di diversa natura, con la stessa energia, forniscono un contributo diverso alla dose totale, quando uno strumento, progettato per rivelare un determinato tipo di particelle, è esposto ad un campo misto, dovrebbe idealmente “vedere” esclusivamente quella radiazione. Tuttavia, in un campo misto di alta energia gli strumenti rispondono ogni qual volta si verifica un’interazione che rilasci nel volume sensibile una quantità sufficiente di energia; è dunque possibile che vi siano componenti della risposta anche dovute a componenti del campo diverse da quelle per cui gli strumenti sono progettati, con modalità non prevedibili a priori e variabili a seconda del tipo di strumento e del campo di radiazione a cui è esposto. Nello specifico, scopo di questo lavoro di tesi è caratterizzare la risposta di rivelatori a gas in campi di radiazione secondaria prodotti durante un trattamento di adroterapia. I detector analizzati sono il rem counter tipo LINUS e il rem counter LUPIN, monitor per la dosimetria neutronica, e una camera a ionizzazione, riferimento per la dose ambientale da fotoni. È stata effettuata una analisi dettagliata degli spettri e delle rese delle particelle emergenti dal target, in due casi di interesse, fascio di ioni carbonio 400 MeV/u e protoni da 250 MeV, scelti perché tipicamente usati per trattamenti di adroterapia, e perché disponibili al CNAO (Centro Nazionale di Adroterapia Oncologica), dove si è svolta la fase sperimentale di questo lavoro di tesi. È stato utilizzato il codice Monte Carlo FLUKA, che garantisce elevata affidabilità di calcolo nel trasporto di particelle di alta energia e nel quale sono implementati i modelli fisici di interazione radiazione/materia per le energie e le particelle oggetto di studio. I dati relativi alla risposta degli strumenti simulati sono stati ottenuti principalmente con card DETECT e sono stati elaborati al fine di fornire un valore confrontabile con il risultato della misura dello strumento reale, tenendo conto delle specifiche modalità con cui ognuno dei tre rivelatori elabora il segnale. La risposta degli strumenti simulati è stata validata sperimentalmente, confrontando la risposta dello strumento simulato e quella dello strumento reale alla radiazione per cui i detector sono stati tarati (Am-Be per i due rem counter, 137Cs per la camera). Successivamente è stata studiata la risposta dei tre rivelatori al campo prodotto da un fascio di ioni carbonio da 400 MeV/u e da un fascio di protoni da 250 MeV, incidente su un target spesso di polietilene. Attraverso simulazione Monte Carlo è stato possibile valutare separatamente la risposta degli strumenti simulati alle singole componenti del campo prodotto. È emerso che, nel caso di ioni carbonio, le particelle cariche forniscono il contributo maggiore alla risposta totale, per tutti i rivelatori studiati, quando sono posizionati lungo la direzione del fascio; all’aumentare dell’angolo prevale, invece, il contributo legato ai neutroni. Nel caso di protoni, a causa della bassa resa delle particelle cariche il loro contributo risulta essere sempre trascurabile. I dati confermano gli spettri ottenuti durante l’analisi del campo. Inoltre, grazie alla simulazione, è stato effettuato un confronto in termini di H*(10) tra il valore di dose dovuto al tipo di particella considerata (neutroni o fotoni) e il valore di H*(10) misurato dal corrispettivo strumento. È emerso che la camera a ionizzazione risulta essere estremamente sensibile a tutte le componenti del campo, per cui il valore misurato si discosta significativamente dal valore che ci si attenderebbe se il monitor rispondesse esclusivamente ai fotoni. Per i due rem counter, invece, lo scostamento è risultato più contenuto, ma comunque rilevante in alcuni casi, quali, ad esempio, le misure nelle aree antistanti il target con fasci di ioni carbonio.