Enhancing personal neutron dosimetry using SSNTD : numerical and experimental LET estimation of the tracks, via the Politrack system

The aim of this thesis work is to investigate the feasibility of a spectroscopy technique using CR-39 solid state nuclear track detectors, in order to compensate the response in dose of the dosimeters which is dependent on the energy of the incident particle, in the context of personal neutron dosimetry. Neutrons hitting this plastic material, in fact, can produce recoil protons which release energy in the surrounding volume. After an etching process, these “activated” regions are corroded faster, thus producing tracks. Their morphology depends on the etching parameters and on the direction and energy of the recoil protons which in turn depend on the incident neutrons. The hypothesis is that a link can be found between the morphology of the tracks and the spectrum of the neutron radiation field. To investigate this supposition, two studies have been conducted in parallel and finally compared: one experimental and the other computational. In the experimental part, several irradiations were planned employing monoenergetic protons and neutrons which were eventually cancelled due to the SARS-CoV-2 outbreak. For this reason, data from past dosimeters (exposed to monoenergetic fields) were analysed using the PolitrackTM system, a device capable of producing an LET spectrum through the combination of an optical system and a calculation software. The goal was to find a trend useful for the identification of the different energies from the LET spectra, in the simple case of monoenergetic irradiations. As for as the computational part, a simulation environment has been built using the C++ language and the Geant4 toolkit. This software has been coded trying to reproduce the PolitrackTM analysis routine, by simulating for each neutron the eventual recoil proton produced and how the track morphology should evolve from it. The reasons behind the development of this simulation are two. One is to understand if, from a theoretical point of view, neutrons at different energies can produce different LET spectra. The other is to have a tool which can figure out in advance the LET spectra of more complex fields, by reproducing accurately the behaviour of the dosimetric system.

L’obbiettivo di questa tesi di laurea è di studiare le potenzialità di una tecnica spettroscopica mediante l’uso di rivelatori di tracce a stato solido in CR-39 nel contesto della dosimetria personale neutronica, con lo scopo finale di compensare la loro risposta in dose che dipende, la quale dipende dall’energia dei neutroni incidenti. I neutroni, quando colpiscono il CR-39, posso produrre protoni di rinculo che depositano energia nel volume circostante. Un attacco chimico successivamente corrode maggiormente queste zone e produce delle tracce la quale morfologia dipende dai parametri del processo e da energia e direzione della particella che produce il danno, e quindi indirettamente dalle caratteristiche del neutrone iniziale. L’idea alla base di questo lavoro è quindi che si può trovare un nesso tra la morfologia delle tracce e lo spettro del campo neutronico. Per studiare questa ipotesi, il lavoro è stato diviso in due parti, una sperimentale e una computazionale, i quali risultati sono stati alla fine confrontati. In quella sperimentale, dopo l’annullamento a causa della pandemia di SARS-CoV-2 di una campagna già pianificata di irraggiamenti, sono stati usati dati da dosimetri precedentemente esposti a campi monocromatici di protoni e neutroni ed esaminati usando il sistema PolitrackTM. Questo è uno strumento che produce spettri di LET sulla base dell’analisi visiva della morfologia delle tracce nel CR-39. Per la parte computazionale, è stato sviluppato un ambiente di simulazione usando il linguaggio C++ ed il toolkit Geant4 per riprodurre il metodo di analisi del PolitrackTM, simulando, per ogni neutrone, l’eventuale protone di rinculo e l’evoluzione della morfologia della traccia. Questo software è stato scritto per due motivi: uno è quello di per capire se, da un punto di vista teorico, i neutroni ad energie diverse possono produrre spettri di LET diversi; l’altro è per avere uno strumento in grado di anticipare gli spettri di campi di radiazioni più complessi di quelli monocromatici, riproducendo fedelmente un’analisi eseguita col PolitrackTM.