The effect of a borated cathode on microdosimetric spectra from TEPCs : experimental and numerical characterization

Through the variety of techniques used nowadays to treat cancer, proton therapy has been growing rapidly during the last decades thanks to its dosimetric advantage over the conventional therapies that use photons; however, the inherent limitation of the biological effectiveness of protons represents a problem for further development. In order to overcome this issue, techniques that use radiosensitizing agents have been proposed in recent years to increase effectiveness of treatments; among these, the PBCT (Proton Boron Capture Therapy) was investigated by Cirrone et al., who reported the first promising results that led to the launch of the NEPTUNE (Nuclear process-driven Enhancement of Proton Therapy UNravEled) project. The work developed in this thesis enters in the framework of the micro dosimetric studies related to this project. Two avalanche-confinement TEPCs (Tissue Equivalent Proportional Counters) have been tested with both fast neutrons from an Am-Be source, and thermal neutrons from the same source after the passage through a moderating structure; seven different values of pressure of the filling gas of the TEPCs (i.e. size of the simulated sites) were investigated. The two detectors share a common design with just two significant differences: the diameter of the central anode and the presence of natural Boron inside the cathode of one of them. The effect of the variation of the dimensions of the anode were known from the studies by Cesari et al., whilst the outcomes of the borated cathode represented the core of the studies presented in this thesis. These have been evaluated through the comparison of spectra from the borated TEPC and the non-borated one, collected after irradiations with thermal neutrons (which are associate to a higher capture cross section on B-10) and calibration in lineal energy. Spectra obtained with fast neutrons served to the identification of marker points for the calibration and the subsequent derivation of calibration factors to be applied to the thermal spectra. Alongside the experimental activities, FLUKA simulations have been performed in order to cross-check results of the lineal energy calibration procedure and validate the explanation of certain phenomena. As a result of this stage, a set of numerical spectra corresponding to each set of measurements was produced.

Tra le molte tecniche oggi disponibili per il trattamento dei tumori, grazie al vantaggio dosimetrico che essa fornisce rispetto alle procedure convenzionali che prevedono l'utilizzo di fotoni, la protonterapia ha subito un'accelerazione notevole durante gli ultimi decenni; tuttavia la scarsa efficacia biologica dei protoni rappresenta una limitazione intrinseca che potrebbe rappresentare un freno per i futuri sviluppi. Per ovviare a questo problema, negli ultimi anni sono state proposte diverse procedure che prevedono l'utilizzo di agenti radiosensibilizzanti per aumentare l'efficacia dei trattamenti; tra di esse, la PBCT (Terapia con Cattura Protonica del Boro) è stata oggetto degli studi di Cirrone et al., i quali hanno riportato una serie di primi incoraggianti risultati, che hanno poi portato alla creazione del progetto NEPTUNE (Nuclear process-driven Enhancement of Proton Therapy UNravEled). Il lavoro sviluppato in questa tesi rientra nell'ambito degli studi di microdosimetria legati a questo progetto. Due TEPC (Contatori Proporzionali Tessuto Equivalenti) a confinamento di valanga sono stati irraggiati sia con neutroni veloci emessi da una sorgente di Am-Be, che con neutroni ottenuti dalla stessa sorgente e rivelati dopo il passaggio attraverso una struttura di materiale moderatore; le misure condotte sono relative a sette diversi valori di pressione (i.e. sette diverse dimensioni dei corrispondenti siti simulati) all'interno del rivelatore. I due rivelatori hanno un design comune, che differisce in due sole caratteristiche rilevanti: lo spessore dell'anodo centrale e la presenza di Boro naturale all'interno del catodo di uno dei due detector. L'effetto di una variazione delle dimensioni dell'anodo è stato studiato da Cesari et al., mentre la risposta di un catodo borato rappresenta il punto centrale di questo lavoro. Quest'ultima è stata valutata tramite il confronto degli spettri ottenuti tramite i TEPCs con e senza Boro, in seguito ad irraggiamenti con neutroni moderati (poiché la sezione d'urto di cattura neutronica del B-10 risulta maggiore in corrispondenza di energie più basse) e ad una procedura di calibrazione in energia lineare. Gli spettri relativi ai neutroni veloci sono stati utilizzati al fine di identificare i punti caratteristici degli spettri, così da poter calcolare i coefficienti di calibrazione da applicare agli spettri da neutroni moderati. Di pari passo alle attività sperimentali, sono state eseguite delle simulazioni in FLUKA, al fine di validare il risultato delle calibrazioni ed esplorare il verificarsi di taluni fenomeni. Alla fine di questa fase di simulazioni, è stata ottenuta una serie di spettri numerici per ciascuna serie di misure sperimentali.