Study of the low-energy region of the proton boron fusion reaction with a silicon telescope

The possibility to exploit the p-11B->3alpha fusion reaction for the protontherapy enhancement is being investigated in the context of radiotherapy research. The most common description of the evolving process of this reaction is based on a two-step model. In the first step, the composited nucleus 12C is created. Then it decays into 8Be with the emission of a 4 MeV alpha particle. In the second step, the 8Be nucleus splits directly into two alpha particles. The energy possessed by these two particles is not known. This thesis work constists in the study of the p-11B->3alpha reaction at energies near the resonance one (675 keV). This has been achieved by designing, through Monte Carlo simulations, optimized Boron targets to be coupled to a solid state detector. Then, three targets have been developed with thickness equal to 0.5 um, 1 um and 5 um. A measurement campaign has been carried out at the Legnaro National Laboratories (LNL) of the Italian Institute of Nuclear Physics (INFN). A Monolithic Silicon Telescope has been used for the detection of the reaction products. Monte Carlo simulations with FLUKA code of the experimental set-up have been performed. The experimental results have been then compared with the simulated ones. The 5um target has been irradiated with nominal proton beam energy equal to 2 MeV and 2.5 MeV and the experimental spectra show a distribution similar to the simulated one for energies around 4 MeV. As regards the reaction yield, the ratio between the events detected as alpha particles and the events detected as protons is slightly higher than the simulated one. Therefore, the simulations with FLUKA code underestimate the yield of the reaction p-11B. Possible reasons of this underestimation can be the uncertainty related to the cross section implemented in the FLUKA code and the possible lacks in the kinematic FLUKA description of the reaction. Further studies should be carried out by irradiating also the thinner targets (0.5 um and 1 um).

La possibilità di utilizzare la reazione di fusione p-11B->3alfa per aumentare l’efficacia della protonterapia tramite la Proton Boron Capture Therapy è, negli ultimi anni, argomento di ricerca. La descrizione più comune del processo di evoluzione di questa reazione si basa su un modello a due step. Nel primo step, si crea un nucleo composto 12C che decade in 8Be con l’emissione di una particella alfa con energia pari circa a 4 MeV, mentre nel secondo si ha la divisione del nucleo 8Be in due particelle alfa. L’energia posseduta da queste ultime due particelle non è tuttavia ancora chiara. In questo lavoro di tesi si è studiata la reazione p-11B nella regione a bassa energia, dove è presente la risonanza di reazione (675 keV). Per questo scopo, sono stati progettati tramite simulazioni Monte Carlo, i target di boro naturale ottimali per la rivelazione dei prodotti di questa reazione con un detector allo stato solido. Sono quindi stati realizzati tre target di boro naturale di spessore pari a 0.5 um, 1 um e 5 um. È stata eseguita una campagna di misure ai Laboratori Nazionali di Legnaro (LNL), dove è stato utilizzato un Telescopio Monolitico al silicio insieme ai tre target sviluppati. Inoltre, sono state eseguite simulazioni Monte Carlo con codice FLUKA del set-up sperimentale definitivo e sono state confrontate con i risultati delle misure. Il target da 5 um è stato irraggiato con protoni con energia nominale pari a 2 MeV e 2.5 MeV e gli spettri delle alfa mostrano una distribuzione simile a quella simulata per energie intorno ai 4 MeV. Per quanto riguarda la resa di reazione, il rapporto tra gli eventi associabili alle particelle alfa e ai protoni risulta leggermente maggiore di quello simulato. Le simulazioni Monte Carlo eseguite con codice FLUKA sottostimano a resa della reazione p-11B. Possibili cause di questa sottostima possono essere l’incertezza della sezione d’urto implementata nel codice FLUKA e possibili differenze nella descrizione cinematica della reazione. Nel prossimo futuro, saranno condotte ulteriori misure irraggiando anche i target più sottili (0.5 um e 1 um).