Microdosimetric investigation of the p-11B reaction through a silicon telescope for the enhancement of protontherapy

In the last 50 years, the research on radiation cancer treatments developed with the aim of reducing the risk of normal tissue toxicity and late occurring sequelae. In particular, protontherapy plays a key role due to the physical characteristics of protons to deposit the most of the dose in the tumor volume only; nevertheless, their biological effects are traditionally assumed comparable to those of photons. The association of protontherapy with a nuclear reaction triggered directly in the tumor volume and generating high LET particles could be a chance to enhance the effectiveness of protons. This thesis is developed in the framework of the NEPTUNE project, which proposes to investigate the p + 11B -> 3 a for protontherapy enhancing; the goal of the thesis consists in investigating the proton fusion reaction on boron-11 from the physical and microdosimetric point of view. As the reaction cross section shows a very low yield of the reaction, even at the major resonance at 0.675 MeV, an analytical model of the set up is developed to maximize alpha particles production and detection. The boron target should be of some micrometers in thickness. Four different boron targets are prepared through a deposition process and then irradiated to test alpha production: boron carbide deposited in water results as the most suitable target. Experimental measurements show the ability of the monolithic silicon detector in reproducing microdosimetric spectra above 1.5 MeV, a maximization of alpha detection at the ending part of the SOBP and the presence of a important contribution of the neutron boron-10 reaction for alpha energies below 1.5 MeV. In conclusion, Monte Carlo simulations confirmed the very low yield of the proton boron-11 reaction evaluated with the analytical model and observed during the experimental campaigns.

Negli ultimi 50 anni la ricerca in ambito radioterapeutico si è sviluppata nell’ottica di ridurre il rischio di tossicità indotta ai tessuti sani e di esiti futuri. In particolare, la protonterapia ha acquisito un ruolo chiave dovuto alle capacità dei protoni di depositare la maggior parte della dose solo nel volume tumorale; tuttavia, gli effetti biologici dei protoni sono normalmente assunti comparabili a quelli dei fotoni. La combinazione della protonterapia con una reazione che genera particelle ad alto LET direttamente nel volume tumorale potrebbe costituire una soluzione al miglioramento dell’efficacia dei protoni. Questa tesi è sviluppata nel contesto del progetto NEPTUNE, che si propone di investigare la reazione p + 11B -> 3 a per migliorare gli effetti della protonterapia; l‘obiettivo di questa tesi consiste nello studio della reazione tra protoni e boro-11, sia dal punto di vista fisico che da quello microdosimetrico. Sulla base di alcuni recenti lavori, sono analizzati la cross section e la cinetica della reazione. Quindi, è stato sviluppato un modello analitico per studiare il setup sperimentale più adatto a massimizzare la produzione e la rivelazione delle particelle emesse da un target di boro naturale soggetto a un fascio protonico. Successivamente, quattro diversi target di boro naturale sono costruiti tramite un processo di deposizione di una soluzione di acido borico e di carburo di boro. I target sono quindi testati in una facility di irradiazione di neutroni termici sfruttando la reazione che ha luogo sul boro-10 (20% nel boro naturale). Il carburo di boro depositato dalla soluzione acquosa è risultato il target più idoneo per l’irraggiamento. Sono state condotte tre campagne sperimentali presso il laboratorio CATANA (INFN-LNS, Catania) in cui il target di boro ottenuto è stato irradiato con un fascio di protoni terapeutico; come rivelatore è stato utilizzato il telescopio al silicio. La prima campagna di misure ha mostrato come il telescopio sia in grado di riprodurre gli spettri microdosimetrici di una TEPC, al di sopra degli 8 keVμm−1; la seconda sessione di misura ha indicato una massimizzazione della produzione e della rivelazione delle particelle alfa nelle parte finale dello SOBP mentre l‘ultima campagna di misurazioni ha dimostrato la presenza di un contributo delle al di sotto di 1.5 MeV dovuta alla reazione dei neutroni termici sul boro-10. Infine, sono state sviluppate alcune simulazioni Monte Carlo scritte in codice Geant4, le quali hanno confermato il rendimento della reazione valutato con il modello analitico e osservato sperimentalmente.