Medical radioisotope production by means of laser-driven proton accelerators : a theoretical study

Radioisotopes have been used for medical applications since 1940. Today their role is fundamental: new therapies and new diagnostic techniques are daily investigated. Medical isotopes are usually produced by means of particle accelerators. Beyond the currently used ones, laser-driven accelerators have opened the possibility to build an innovative technology, compact and versatile. This chance has attracted the interest of many research groups but, it is not well-investigated yet, neither numerically nor theoretically. This thesis work aims to light up the radioisotope generation process by means of laser-driven protons. First of all, radioisotopes suitable to be produced with this technology have been studied. Then, the theoretical investigation is provided following two methods: Monte Carlo simulations and analytical modeling. Monte Carlo simulations have been performed by means of the Geant4 toolkit. After having ascertained, by means of a benchmark against theoretical and experimental data, that our code works properly, the simulation regarding the production of radioisotopes by means of laser-accelerated protons has been built, in all aspects: the geometry of the target, the dynamics of the proton beam, the physical processes involved. Monte Carlo codes supply the best possible numerical description of the process, but they have a huge computational cost and are time-consuming. Because of this, an analytical model was built, able to supply trustworthy estimates just solving analytical equations. This step implied the necessity to simplify the physics of the problem, otherwise complex and not analytically solvable. Finally, a comparison between the two methods has been pointed out, in order to verify that the two descriptions are coherent with each others.

I radioisotopi sono stati utilizzati in applicazioni medicali sin dai primi anni Quaranta del Novecento. Oggi il loro ruolo è fondamentale: nuove terapie e nuove tecniche diagnostiche sono quotidianamente investigate. Il modo più comune per produrre radioisotopi a scopo medicale è attraverso acceleratori di particelle. In aggiunta alle tecnologie correntemente utilizzate, acceleratori di particelle laser-driven hanno aperto la possibilità di costruire tecnologie innovative, compatte e versatili. Questa opportunità, sebbene abbia catturato l’attenzione di molti gruppi di ricerca, non è stata ancora opportunamente investigata, sia numericamente sia teoreticamente. Questo lavoro di tesi si propone di fare luce sul processo di generazione di radioisotopi per mezzo di acceleratori di protoni laser-driven. In primo luogo, sono stati studiati i radioisotopi che potrebbero trarre vantaggio da una tecnologia laser-driven. A seguire, l’indagine teorica è stata presentata. Questa è stata portata avanti seguendo due metodi: simulazioni Monte Carlo numeriche e modellizzazioni analitiche. Le simulazioni Monte Carlo sono state sviluppate per mezzo del toolkit Geant4. Dopo essersi assicurati, attraverso benchmark con dati teorici e sperimentali opportunamente scelti dalla letteratura, che il codice sviluppato lavorasse correttamente, la simulazione di vero interesse è stata sviluppata. La produzione di radioisotopi tramite protoni da laser è stata simulata in tutti gli aspetti: la geometria del target, la dinamica del fascio di protoni, i processi fisici coinvolti. I codici Monte Carlo forniscono la descrizione numerica migliore possibile del processo ma, hanno un ingente costo computazionale in termini di tempo e risorse. Per questo motivo, si è deciso di costruire un modello che possa fornire stime affidabili risolvendo equazioni analitiche. Questo passaggio impone l’esigenza di semplificare la fisica del problema, altrimenti estremamente complessa e non analiticamente risolvibile. Infine, un confronto tra i due metodi è stato delineato, in modo da verificare che le due descrizioni fossero coerenti l’una con l’altra.