Assessment of silicon drift detector timing performance for proton therapy application

Proton beam therapy is an emerging modality for high precision radiation treatment of cancer. In comparison to conventional radiotherapy, proton beams feature major dosimetric advantages due to their intrinsic capability to deposit energy in highly localized regions of the tissues (Bragg peak). However, uncertainties in predicting the correct range of beam particles in tissue, to date, prevent full tapping of this potential in clinical practice. A promising option to get rid of these uncertainties is using the signature of prompt gamma rays (PG) emitted by target nuclei right after the interaction of protons with tissues for in-vivo beam range verification. An important step in this direction is the development of detector systems that are optimized for prompt gamma-ray detection. In this thesis, the Silicon Drift Detector (SDD) is proposed as a promising alternative to be used as scintillation photodetector in the field of high-energy gamma rays, thanks to its excellent energy resolution and very low electronic noise. However, the peculiar drift mechanism of the charge created inside the SDD volume is responsible for a rise time of the signal at the output of the device. In this work, the effect of the drift mechanism on the timing performances of SDDs are first theoretically evaluated in a device-level simulation in MATLAB environment. Next, experimental characterization of timing performances are performed by irradiating the detector directly with laser light and X-rays. In order to do so, a detection module, based on monolithic 16-channel SDD array, is designed, realized and tested. The obtained results show that, with small-area SDDs, interesting time resolutions can be achieved, that would fit the need for PG rays detection systems.

La terapia protonica è una modalità emergente per il trattamento ad alta precisione di tumori attraverso radiazioni. Rispetto alla radioterapia convenzionale, i fasci di protoni presentano importanti vantaggi dosimetrici grazie alla loro intrinseca capacità di depositare energia in regioni altamente localizzate dei tessuti (picco di Bragg). Tuttavia, le incertezze nel prevedere l’esatto range di penetrazione dei protoni nei tessuti, ad oggi, impediscono il pieno sfruttamento di questo potenziale nella pratica clinica. Un'opzione promettente per limitare queste incertezze è l'utilizzo dei raggi prompt-gamma emessi dai nuclei target immediatamente dopo l'interazione dei protoni con i tessuti per la verifica in-vivo del range del fascio protonico. Un passo importante in questa direzione è lo sviluppo di sistemi di rivelatori ottimizzati per il rilevamento dei raggi gamma. In questa tesi, il Silicon Drift Detector (SDD) viene proposto come una promettente alternativa da utilizzare come fotorivelatore a scintillazione nel campo dei raggi gamma ad alta energia, grazie alla sua eccellente risoluzione energetica e al bassissimo rumore elettronico. Tuttavia, il particolare meccanismo di deriva della carica generata all'interno del rivelatore è responsabile di un tempo di salita del segnale all'uscita del dispositivo. In questo lavoro di tesi, l'effetto del meccanismo di deriva sulle prestazioni temporali degli SDD viene in primo luogo valutato teoricamente in una simulazione sviluppata in ambiente MATLAB. Successivamente, la caratterizzazione sperimentale delle prestazioni temporali viene eseguita irradiando il rivelatore direttamente con luce laser e raggi X. A tal fine, viene progettato, realizzato e testato un modulo di rilevamento, basato su un array di SDD monolitico a 16 canali. I risultati ottenuti dimostrano che, con SDD di piccole dimensioni, è possibile ottenere interessanti valori di risoluzione temporale, che potrebbero soddisfare i requisiti necessari per i rivelatori di raggi prompt-gamma.