Pulse shape discrimination with a CLYC crystal read out by SiPMs: a preliminary study towards neutron background reduction in prompt gamma range monitoring

Hadrontherapy is a growing technique that has been used to treat cancer patients around the world. Compared to conventional radiation sources (photons, electrons), proton and carbon ion beams feature major dosimetric advantages due to their localised dose de position maximum, the Bragg peak, which can be selectively adjusted in depth. This modality allows for highly specialised treatments in the tumor area and not in the sur rounding healthy tissues. However, this technique has a limit: it is highly sensitive to any source of deviation from the treatment plan or to uncertainties within the plan itself. The precise detection of the Bragg peak would therefore allow to deposit high doses of energy only in the tissues involved in the treatment with greater confidence. For this aim in recent years, several research groups have been investigating techniques to control the range of the hadron beam in real-time. Among these verification techniques, the prompt emission of high energy photons, or prompt gamma-rays (PG), is promising. Gammas are emitted from a target nucleus after an interaction between ion and tissue, thus they are well correlated with the penetration path of the ion in the tissue. Being able to accurately measure the spatial distribution, the energy and arrival time of the gamma prompt rays would allow to effectively retrieve the Bragg peak position. But, it is demonstrated that the PG measurements are strongly affected by the presence of a neutron background, which is uncorrelated with the Bragg peak and can limit the possibility to perform range monitoring, especially in the case of Carbon ion therapy. This work is a preliminary study on the implementation of the known technique of Pulse Shape Discrimination (PSD) with a CLYC scintillator for the purpose of excluding the neutron background in a PG measurement in hadrontherapy. PSD is a method that is used to discriminate different radiation sources based on the pulse shape they produce in the chosen detector. PSD has been implemented for neutron/gamma discrimination thanks to the use of CLYC crystals, which emit scintillation light with different time courses when hit by the different radiation types. This work has the purpose to investigate the possibility of performing PSD with the CLYC crystal read-out by a SiPM matrix coupled to an ASIC, namely GAMMA, which is already used in the laboratory to perform gamma spectrometry and imaging. This issue has been approached by means of a statistical analysis that includes the main sources of noise affecting the measurements; starting from that it was assessed if these noises impaired the possibility to perform PSD, and to which extent. On the other hand, a set-up that allows to emulate the sources of radiation is developed, that can be useful for performing experimental measures that can lead to a further validation of the solidity of this technique. The discussion is organized as follows: Chapter 1 deals with the background of the project, with an overview of the fundamental aspects of hadrontherapy physics. The state of the art of range monitoring methods based on prompt-gamma rays is analyzed, examining challenges and limitations. Finally, the Pulse Shape Discrimination method is introduced, together with the purpose of the project. In Chapter 2 some basics in the field of gamma ray detection are recalled, to then present a more detailed overview on the components that build the detection set-up, which are the CLYC crystal, the SiPM matrix, and the GAMMA ASIC. Chapter 3 illustrates the method implemented to simulate the measures with the complete set-up; the different versions are presented, that allowed to gradually refine the emulation capability of the set-up. Chapter 4 introduces the formulation of the statistical analysis, together with the noise contributions that are included. The analysis is developed in two versions, a rather idealized one and a more realistic one, to allow more insight into the contributions that really affect the final result. Moreover, a numerical approach is introduced in order to motivate some hypotheses with greater confidence. The sources of the data used in the analysis are also presented in detail, and the final results are discussed. Finally in Chapter 5 the conclusions of the work are drawn, some critical issues are highlighted and the possible future steps are presented.

L’adronterapia è una tecnica in sviluppo usata in tutto il mondo per il trattamento di pazienti affetti da tumori. Rispetto a sorgenti di radiazione più tradizionali (come fotoni ed elettroni) i fasci di protoni e ioni carboni presentano significativi vantaggi dosimetrici grazie al picco di deposizione della dose ben localizzato, il picco di Bragg, che può essere selettivamente regolato in termini di profondità. Questa modalità rende possibile agire dei trattamenti molto focalizzati nell’area del tumore e non nei tessuti sani circostanti. Questa tecnica ha però un limite, in quanto è altamente sensibile a ogni forma di devi azione dal piano di trattamento o alle incertezze insite nel piano in sè. La rilevazione precisa del picco di Bragg potrebbe quindi rendere possibile con maggiore certezza questi trattamenti con deposito di alte dosi di energia solo nelle aree selezionate. A questo scopo, recentemente, svariati gruppi di ricerca hanno investigato le possibili tecniche per il con trollo del range del fascio di ioni in tempo reale. Tra le tecniche di verifica proposte, la verifica basata sull’emissione di fotoni ad alta energia, chiamati Prompt Gamma (PG), si è dimostrata promettente. Questi fotoni vengono emessi dai nuclei target dopo l’interazione tra ioni e tessuti, e per questo sono ben correlati con il percorso del fascio di ioni nel tessuto. Riuscire a misurare con accuratezza la distribuzione spaziale, l’energia e l’istante di tempo di arrivo dei PG permetterebbe quindi la ricostruzione della posizione del picco di Bragg. È stato dimostrato però che le misure dei prompt gamma sono sensibilmente corrotte dalla presenza di un inevitabile fondo di neutroni non correlato con il picco di Bragg, che, specialmente nel caso della terapia con ioni carbonio, può limitare la fattibilità di effettuare il monitoraggio del range della dose. Questa tesi costituisce uno studio preliminare sull’implementazione di una tecnica già nota, la Pulse Shape Discrimination (PSD), grazie a un cristallo scintillatore CLYC, allo scopo di eliminare dalle misure il fondo neutronico. La PSD è un metodo usato per distinguere la sorgente di radiazione basato sulla forma del segnale che questa radiazione produce nel detector scelto. Questo metodo è stato implementato per la discriminazione tra neutroni e gamma grazie all’uso dello scintillatore CLYC, che emette fotoni visibili con degli andamenti temporali diversi quando viene colpito dai due diversi tipi di radiazione. Questa tesi ah lo scopo di investigare la possibilità di implementare la tecnica PSD con un cristallo CLYC letto da una matrice di SiPM collegato a un ASIC, chiamato GAMMA, che è stato precedentemente ideato e testato nel laboratorio per svolgere misure spettrometria e imaging sui raggi gamma. Questo fine è stato affrontato attraverso un’analisi statistica che includesse le principali sorgenti di rumore che interessano la misura; a partire da questa analisi si è cercato di definire se, e quanto, questi rumori intaccassero la possibilità di discriminare neutroni e gamma con la PSD. Inoltre, è stato messo a punto un set-up che permetta di emulare le sorgenti radioattive e il cristallo CLYC, allo scopo di svolgere delle misure sperimentali che portino verso una ulteriore verifica della solidità di questa tecnica. La trattazione è organizzata come segue: Il Capitolo 1 definisce il contesto del progetto, con un riepilogo del aspetti fondamentali della fisica dell’adronterapia. Viene analizzato lo stato dell’arte per i metodi di range monitoring basati sui prompt gamma, esaminando le sfide e limitazioni connesse. Infine, il metodo PSD viene introdotto, insieme allo scopo del progetto. Nel Capitolo 2 vengono ripassati i concetti base sulla detezione dei raggi gamma, per poi passare a una rassegna dei componenti che costituiscono il set-up scelto, ossia lo scintillatore CLYC, la matrice di SiPM e l’ASIC GAMMA. Il Capitolo 3 illustra il metodo implementato per simulare le misure con il set-up completo; vengono presentate le diverse versioni che gradualmente hanno permesso di rifinire la precisione del set-up nell’emulazione. Nel Capitolo 4 viene presentata la formulazione dell’analisi statistica, insieme alle sorgenti di rumore considerate. L’analisi viene sviluppata in due versioni, una piuttosto idealizzata e una seconda più realistica, in modo da permettere una maggiore chiarezza sui contributi che sono determinanti nell’ ottenere il risultato finale. Inoltre viene proposto anche un metodo numerico, che permette di adottare alcune delle ipotesi fatte nell’approccio analitico con maggiore certezza dal punto di vista teorico. Viene spiegata nel dettaglio l’origine dei dati usati nelle analisi, e infine i risultati ottenuti vengono discussi. Infine nel capitolo 5 si traggono le conclusioni, si evidenziano alcune criticità e si prefigurano i passi successivi nello sviluppo del progetto.