Characterization of OSL dosimeters for radiation protection at ELI beamlines laser facility

ELI Beamlines' main goal is to exploit the cutting-edge laser technology for the realisation of compact laser-driven secondary sources, which will be able to accelerate particle beams of femtosecond duration up to tens of GeV. The new frontier of laser-driven particle production creates new challenges for radiation protection, due to the very short duration of the pulsed fields and the associated electromagnetic pulses. The need of detecting ultra-short radiation pulses requires an evaluation of the properties and responses of the available dosimetric systems. Such investigation is one of the missions of UHDpulse, an European multi-year project which aims at addressing the metrological challenges of dosimetry in particle beams with ultra-high dose per pulse. This thesis work aims at a preliminary characterisation of ELI-BL's OSL dosimeters first in a conventional accelerator and then in a laser-driven one, where the particle field is more complex. At the MT 25 microtron accelerator in Prague, two data-takings were done using the same beam parameters and experimental setup. Furthermore, Monte Carlo simulations with FLUKA code were performed to support the understanding of the OSL behaviour. For both the data-takings some discrepancies were observed between the experimental data and the FLUKA results and the origin of these discrepancies is investigated in this thesis work. It emerged that the OSL characterisation was hampered by several experimental uncertainties and unknowns. The same OSLs were irradiated in a proton beam inside TERESA experimental station at ELI-BL. Since the experimental limitations and the lack of information from other detectors did not allow to complete the analysis of the OSL data, only a preliminary study of the dosimetric data is herewith reported.

Obiettivo principale di ELI Beamlines (ELI-BL) è di sfruttare le tecnologie laser più all'avanguardia per lo sviluppo e la realizzazione dei nuovi acceleratori laser-plasma, che saranno in grado di produrre e accelerare fasci pulsati di particelle ultrabrevi (dell'ordine del femtosecondo) fino ad energie dell'ordine delle decine di GeV. Oltre alla complessità dell'implementazione tecnologica di tali acceleratori, è necessario considerare le nuove sfide in ambito radioprotezionistico, conseguenti alla produzione di radiazione ionizzante con impulsi ultrabrevi ed elevati campi elettromagnetici associati. La necessità di rivelare questi singolari campi pulsati richiede una valutazione delle proprietà e delle risposte dei sistemi dosimetrici attualmente disponibili. Tale indagine non si limita al solo contesto di ELI-BL, ma riscuote interesse anche nella comunità scientifica europea. Questa, infatti, è una delle missioni di UHDpulse, un progetto europeo pluriennale, volto ad affrontare le sfide metrologiche della dosimetria in fasci di particelle con dosi per impulso ultraelevate. Questa tesi sperimentale mira alla caratterizzazione dei dosimetri OSL di ELI-BL, prima in un acceleratore convenzionale e successivamente in un acceleratore laser-plasma, dove il campo di radiazione è più complesso. Al microtrone MT 25 di Praga sono state realizzate due campagne sperimentali, con gli stessi parametri del fascio elettronico e lo stesso setup sperimentale. Inoltre, sono state effettuate alcune simulazioni Monte Carlo col codice FLUKA per supportare lo studio della risposta sperimentale degli OSL. Per entrambi i data-taking, sono state riscontrate alcune discrepanze tra i risultati sperimentali e le simulazioni FLUKA e l'origine di tali discrepanze è indagata in questo studio sperimentale. Si è quindi osservato che la caratterizzazione degli OSL è stata resa più complessa da numerose incertezze e incognite sperimentali. Successivamente, gli stessi OSL sono stati irraggiati in un fascio di protoni prodotto nella stazione sperimentale TERESA a ELI-BL. Le limitazioni sperimentali e la mancanza di dati da altri sistemi di diagnostica non hanno permesso di completare l'analisi degli OSL. Pertanto, qui è riportato uno studio preliminare basato esclusivamente sui risultati dosimetrici.