Study of the response of active dosimeters for a BNCT radiation field

This thesis work is focused on the study of the response of neutron dosimeters for an a-BNCT facility. The issues related to the dosimetry for this kind of treatments are caused by the mixed neutron-photon spectrum and by the neutron energy range. For epithermal neutrons, predominant in the spectrum of interest, the dosimetry remains an unresolved challenge. The characterization of a suitable instrument for this purpose is extremely important for the future opening of BNCT facility at CNAO. This work, held at CNAO, evaluates the possibility to employ four active dosimeters in the radiation field of interest. They are two REM COUNTERS containing a diode and an 3-He counter, a LUPIN and an ionization chamber. The software used for the simulation is FLUKA. The aim of the simulations was to evaluate the detector responses to the neutron and photon components in a field like the one used for the BNCT. The simulations underline three main aspects that have to considered if these instruments are used in this kind of fields. First of all the calibration coefficient, which is generally evaluated in a fast field, has to be re-calculated. For an epithermal neutron spectrum, it was estimated that the value of the calibration coefficient of these instruments was roughly twice as the one reported in literature. Then, the intensity of the neutron field could cause saturation in the irradiated detectors. To conclude the photon contamination risk to affect the neutron-gamma discrimination. The only detector which satisfies all the requirements is the LUPIN used in streaming mode. The mixed nature of the analyzed radiation field might also compromise the readings of the ionization chamber and complicate gamma-environmental dosimetry. From its analysis, it was found that the sensitivity to neutrons is much lower than the one to photons, but it is not negligible in a mixed field with the same features of the BNCT one. The experimental part is focused on the evaluation of the saturation for the REM COUNTER with diode and the LUPIN. The detectors are irradiated in a neutron field generated by a beam of 226 MeV protons impinging on a lead target. Three diodes and the LUPIN were placed at different distances and angles from the target. The results show a linear behaviour for the REM COUNTER with diode at low intensities, but in high intensity fields the device is so subjected to dead time losses, to reach saturation and be unusable. Conversely, the LUPIN response show an excellent linearity. The employment of lower sensitivity detectors should reduce the saturation phenomenon. A possible option is using passive detectors, which show excellent performances in intense fields, but cannot provide real time information.

Questo lavoro di tesi è incentrato sullo studio della risposta di dosimetri neutronici, convenzionalmente utilizzati, per una facility di a-BNCT. Le complessità legate alla dosimetria per trattamenti di questo tipo sono causate dal tipo di spettro misto neutronico-fotonico e dal range energetico dei neutroni. Per i neutroni epitermici, predominanti nello spettro di interesse, la dosimetria resta una sfida ancora del tutto aperta. La caratterizzazione di uno strumento adatto a questo scopo è di grande interesse in vista della prossima apertura di una facility di BNCT al CNAO. In questo lavoro, svolto presso il CNAO, si è valutata la possibilità di impiegare quattro diversi tipi di dosimetri attivi nel campo di radiazione di interesse. Questi sono due REM COUNTERS contenenti rispettivamente un diodo e un rivelatore ad 3-He, un LUPIN e una camera a ionizzazione. Le simulazioni sono state effettuate con FLUKA. Lo scopo delle simulazioni era valutare le diverse risposte dei detector alle componenti neutroniche e fotoniche di un campo simile a quello della BNCT. Dalle simulazioni emergono tre aspetti principali che devono essere considerati per utilizzare questi detectors in un campo misto come quello della BNCT. Per prima cosa il coefficiente di taratura, che generalmente è valutato in un campo veloce, deve essere ricalcolato. Per uno spettro epitermico, è stato stimato un valore del coefficiente di taratura per gli strumenti analizzati circa doppio rispetto i valori riportati in letteratura. Inoltre, l'intensità del campo neutronico potrebbe causare la saturazione dei rivelatori irraggiati. Per finire la contaminazione fotonica rischia di compromettere la discriminazione n-gamma. L'unico detector che soddisfa tutti quanti questi requisiti è il LUPIN, utilizzato in modalità di integrazione di carica. La natura mista del campo di radiazione analizzato potrebbe influenzare anche la risposta della camera a ionizzazione e complicare la dosimetria ambientale per raggi gamma. Dall'analisi effettuata del rivelatore è emersa una sensitività ai neutroni molto inferiore rispetto ai fotoni, ma non trascurabile in un campo misto con le caratteristiche di quello della BNCT. par La parte sperimentale si concentra sulla valutazione della saturazione per il REM COUNTER con il diodo e il LUPIN. I dispositivi sono stati irraggiati in un campo neutronico generato da un fascio di protoni di 226 MeV che impattano su un target di piombo. Tre diodi ed il LUPIN sono stati posizionati a diverse distanze ed angoli dal target. I risultati dimostrano un comportamento lineare del REM COUNTER con diodo a basse intensità, ma in campi intensi lo strumento è soggetto a perdite di tempo morto tali da raggiungere la saturazione e non poter essere impiegato. Al contrario, la risposta del LUPIN mostra un'eccellente linearità. L'utilizzo di detector con minore sensitività dovrebbe limitare il fenomeno di saturazione. Una possibile alternativa è utilizzare detector passivi che mostrano ottime performance nei campi intensi, ma non forniscono informazioni in tempo reale.