Numerical modelling and experimental characterization of a wall-less TEPC for nanodosimetric measurements

The deep understanding of the interaction between ionizing radiation and soft tissue is of primary importance for radiation therapy and hadron therapy. These cancer treatments exploit beams of intense energy to cause severe damage in the DNA of malignant cells and inactivate them. The complexity of the damage caused by radiation and its biological effectiveness depend on the structure of particle’s track at the scale of subcellular targets, of the order of some nanometers. Microdosimetry and track-nanodosimetry provide the methodologies and tools to describe and comprehend this phenomenon and optimize the therapy. The aim of this thesis work is to study the performances of a novel wall-less avalanche-confinement tissue-equivalent proportional counter, called MiMi2, a particular microdosimeter designed and assembled to simulate nanometric sites of soft tissue from 500 nm to 25 nm. This range of operation offers the means to perform a direct comparison between microdosimetric spectra and track-nanodosimetric distributions, thus a better comprehension of radiation-matter interaction and its effects on living organisms. A study on experimental gains of the filling gas of the detector has been conducted aiming at verifying the agreement with theoretical gains evaluated through different models. Several Monte Carlo simulations have been performed, firstly to validate experimental measurements and secondly to analyse the behaviour of nanodosimetric distributions as certain parameters and conditions vary.

La conoscenza approfondita dell’interazione tra radiazione ionizzante e tessuto biologico è di primaria importanza per la radioterapia e l’adroterapia. Queste tecniche di trattamento utilizzano fasci di particelle ad alta energia per rompere la catena del DNA delle cellule tumorali e, in questo modo, inattivarle. La complessità del danno causato dalla radiazione e la sua efficacia biologica dipendono dalla struttura della traccia della particella nella scala dei bersagli subcellulari, le cui tipiche dimensioni sono dell’ordine di qualche nanometro. La microdosimetria e la nanodosimetria forniscono le metodologie e gli strumenti per descrivere e comprendere questo fenomeno e, quindi, ottimizzare la terapia. Lo scopo di questo lavoro di tesi è studiare il comportamento di un nuovo contatore proporzionale tessuto equivalente (TEPC) a confinamento di valanga senza pareti in grado di simulare siti nanometrici tessuto-equivalenti da 500 nm a 25 nm. Questo intervallo di dimensioni fornisce i mezzi per eseguire un confronto diretto tra spettri microdosimetrici e distribuzioni nanodosimetriche così da ottenere una migliore comprensione dell’interazione radiazione-materia e dei suoi effetti sugli organismi. È stato condotto uno studio sui guadagni sperimentali del gas di riempimento del rivelatore al fine di verificare l’accordo con i guadagni teorici valutati attraverso l’utilizzo di modelli. Sono state eseguite diverse simulazioni Monte Carlo, in primis per validare le misure sperimentali e, in secondo luogo, per analizzare il comportamento delle distribuzioni nanodosimetriche al variare di certi parametri e condizioni.