Tissue Equivalent Proportional Counters as connecting bridge from microdosimetry to nanodosimetry

In the last decades, radiation therapy with ion beams has been spreading worldwide for the treatment of cancer. With respect to conventional photon radiation therapy, better dose conformation to the target and increased sparing of the healthy tissue surrounding the tumor can be achieved with ion beams, due to the different physics of interaction of charged particles into matter. The biological effectiveness of this treatment is nowadays based on the absorbed dose, a macroscopic and averaged quantity, which is inadequate in describing the energy deposition at micrometric level, since it does not take into account neither the stochastic of particle interaction in the target volume, nor the track structure of ionizing charge carriers. Microdosimetry and track-nanodosimetry are two branches of radiation physics which develop theoretical and experimental methodologies for the description of the radiation interactions with cellular and sub-cellular biological structures. Microdosimetry provides a characterization of the statistical fluctuations of the energy locally imparted to a micrometric site, while track-nanodosimetry is focused on the description of the ionizing particle track structure. The Tissue Equivalent Proportional Counter (TEPC) is the most accurate device assessing the properties of a particle beam in its interactions at micrometric level. It is actually well known that the biological damage of the radiation starts with interactions at a lower level, the nanometric one, involving the chromatin fibres and the DNA segments. Therefore, the track structure of the ionizing particle becomes fundamental, and track-nanodosimetry is the only way to investigate it. Nanodosimetric quantities, that derive the single-event distribution of ionization cluster size, demonstrated to be strongly correlated to the biological damages at the DNA level. Present nanodosimeters show significant limitations, due to their complexity and dimensions. On the other hand, common TEPCs are able to provide microdosimetric spectra resulting from interactions in sites of dimensions down to 300 nm. With respect to nanodosimeters, TEPCs are transportable and easier to be used: they could be used for characterizing therapeutic hadron beams. This thesis aims at finding a connecting bridge between microdosimetry and track-nanodosimetry. This goal is pursued through a systematic characterization of two conceptually new Tissue Equivalent Proportional Counters (TEPCs). These novel devices are capable of measuring microdosimetric distributions from 500 nm down to 25 nm in simulated site size. The main feature of the nano-microdosimetric TEPCs is the presence of a third electrode, a helix, surrounding the anode wire. The first TEPC is called sealed and can be easily transported between different therapeutic and research irradiation facilities. The second TEPC, instead, is defined wall-less since it is installed inside the STARTRACK nanodosimetrer (INFN-LNL) gas chamber. The wall-less TEPC can allow the systematic comparison between microdosimetry and track-nanodosimetry. The sealed TEPC has been irradiated with several hadron beams. The behavior of the microdosimetric distribution against the simulated site size (in the range 500 - 25 nm) has been studied for neutron, proton, helium, carbon and oxygen beams. The obtained spectra show that the nanometric domain distributions are highly influenced by the features of the track-structure of the impinging ions. Moreover, the nano-microdosimetric characterization of the CATANA (protons) and CNAO (carbon ions) therapeutic beam lines was performed. The systematic study of nanometric scale distributions compared to biological data suggested that the proton RBE could be assessed just using experimental physical results coupled with a simple model. Several Monte Carlo simulations were carried out with the FLUKA code showing an overall good agreement with experimental data. The wall-less TEPC has been constructed and assembled in the STARTRACK gas chamber. A first phase was devoted to the characterization of the novel device. This procedure was carried out by employing two different gases (propane and DME) and by exploiting an isotopic alpha source. The gas gain was computed for different pressures and several track-structure simulations were carried out by exploiting an ad hoc code. The wall-less TEPC was irradiated at different impact parameters showing that, once calibrated, it is capable of assessing a nanodosimetric cluster size distribution for some tenths of nanometers in simulated size. This latter result is an indication that the gap between microdosimetry and track nanodosimetry can be partially filled with avalanche-confinement TEPCs. A Monte Carlo code was developed from scratch for studying the gas gain of the TEPC. The code considers different models for evaluating the electron cross sections from thermal energies up to some eVs. The complex TEPC electric field is also considered by exploiting the finite elements analysis application COMSOL. The code was compared to experimental results showing a remarkably good agreement in terms of both gas gain and shape of the working windows of the wall-less TEPC. Then, the code was adopted for studying the feasibility of further improving the gas performances of an avalanche-confinement TEPC. On the basis of the obtained results, a low-cost novel TEPC prototype was designed and built. This prototype is characterized with alpha and neutron sources showing a remarkably higher gas gain with respect to the former ones (sealed and wall-less) without a noticeable loss of resolution. The further improvement of the TEPC gas gain will be matter of future work.

Negli ultimi decenni, la radioterapia con adroni si è diffusa in tutto il mondo per il trattamento del cancro. L’adroterapia, rispetto alla radioterapia con fotoni, permette di ottenere una migliore conformazione della dose al bersaglio e una maggiore salvaguardia del tessuto sano che circonda il tumore. La dose assorbita, quantità utilizzata oggigiorno per stimare l’efficacia del trattamento, risulta inadeguata nel descrivere la deposizione di energia a livello micrometrico, poiché non tiene conto né della stocastica dell'interazione delle particelle, né della loro struttura di traccia. La microdosimetria e la nanodosimetria di traccia sono le due branche della fisica delle radiazioni che sviluppano metodologie teoriche e sperimentali per la descrizione delle interazioni delle radiazioni con le strutture biologiche cellulari e sub-cellulari. La microdosimetria studia le fluttuazioni dell'energia impartita localmente a un sito micrometrico, mentre la nanodosimetria si concentra sulla descrizione della struttura di traccia delle particelle cariche. Il contatore proporzionale tessuto equivalente (TEPC) è, ad oggi, il dispositivo di riferimento per la caratterizzazione microdosimetrica di un campo di radiazione. In realtà, è ben noto che il danno biologico è generato da interazioni su una scala minore, quella nanometrica, che coinvolge le fibre di cromatina e i segmenti di DNA. Pertanto, la struttura della traccia di una particella carica diventa fondamentale per lo studio del danno biologico. Infatti, le quantità nanodosimetriche hanno mostrato una forte correlazione rispetto ai danni biologici a livello del DNA. Tuttavia, i nanodosimetri esistenti mostrano limiti significativi, a causa della loro complessità e dimensioni. D'altra parte, i TEPC comunemente utilizzati non sono in grado di fornire spettri microdosimetrici simulando un sito inferiore ai 300 nm di tessuto. Nonostante questo, il TEPC è un rivelatore più semplice e potrebbe essere più largamente utilizzato per caratterizzare fasci terapeutici. Lo scopo di questa tesi è cercare una connessione e una correlazione tra microdosimetria e nanodosimetria. Questo obiettivo è perseguito attraverso una caratterizzazione sistematica di due TEPC concettualmente innovativi, uno sigillato e l’altro senza pareti. Questi nuovi dispositivi sono in grado di misurare distribuzioni microdosimetriche da 500 nm a 25 nm in sito simulato. Il TEPC sigillato è trasportabile ed è stato irraggiato con diversi fasci di adroni. Il comportamento della distribuzione microdosimetrica rispetto alla dimensione del sito simulato (nell'intervallo 500 - 25 nm) è stato studiato per fasci di neutroni, protoni, elio, carbonio e ossigeno. Gli spettri ottenuti mostrano che le distribuzioni sono fortemente influenzate dalle caratteristiche della struttura di traccia degli ioni. Inoltre, è stata eseguito anche uno studio nano-microdosimetrico delle linee di fascio terapeutiche di CATANA (protoni) e CNAO (ioni carbonio). Lo studio sistematico delle distribuzioni su scala nanometrica rispetto ai dati biologici suggerisce che l’RBE dei protoni può essere stimato con modelli più semplici rispetto a quelli convenzionalmente utilizzati. Sono state eseguite diverse simulazioni Monte Carlo con il codice FLUKA, le quali evidenziano un buon accordo generale con i dati sperimentali. Il TEPC senza pareti è stato assemblato nella camera del nanodosimetro STARTRACK (INFN-LNL) per effettuare un confronto diretto tra micro e nanodosimetria. La caratterizzazione del rivelatore è stata eseguita impiegando due diversi gas (propano e DME) e sfruttando una sorgente alfa. È stato calcolato il guadagno del rivelatore per diverse pressioni e, inoltre, la risposta in ottica nanodosimetrica è stata simulata con un codice Monte Carlo di struttura di traccia. Il TEPC senza pareti è stato irraggiato a diversi parametri di impatto, dimostrando che, una volta calibrato, è in grado di predire una distribuzione nanodosimetrica. Quest'ultimo risultato è una prima indicazione che il divario tra microdosimetria e nanodosimetria può essere parzialmente colmato con dei TEPC a confinamento di valanga come quelli studiati. Nell’ambito dello studio del guadagno del rivelatore, è stato sviluppato un codice Monte Carlo in grado di simulare la valanga elettronica delle TEPC. Il codice integra diversi modelli per valutare le sezioni d’urto degli elettroni dalle energie termiche fino ad alcuni eV. Il campo elettrico del TEPC è calcolato sfruttando un’analisi a elementi finiti (COMSOL). I calcoli eseguiti con il codice sono stati confrontati con i risultati sperimentali: l’accordo in termini sia di guadagno di gas sia di forma delle finestre di lavoro del TEPC senza pareti è molto buono. Per questo motivo, il codice è stato adottato per studiare la fattibilità di migliorare ulteriormente le prestazioni (guadagno) dei TEPC a confinamento di valanga. Sulla base dei risultati ottenuti, è stato progettato e realizzato un prototipo di un nuovo TEPC. I primi test hanno mostrato che il guadagno è notevolmente maggiore rispetto ai precedenti (sigillati e senza pareti) e non evidenziano alcuna perdita di risoluzione.