Caratterizzazione e ottimizzazione di SITH : un ASIC ad alto range dinamico per la lettura di SiPM

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 finite penetration range, with a localized dose deposition maximum, the Bragg peak, whose depth can be selectively adjusted. This modality allows highly focused treatments in the tumor area, possibly sparing surrounding healthy tissue. 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 allow to deposit high doses of energy with great effectiveness only in the tissues needing the treatment. In this regard, in the recent years, several research groups have been investigating techniques for controlling the range of the ion beam in real-time. Among these verification techniques, the detection of the prompt emission of high energy photons or prompt gamma-rays (PGs), constitutes a promising non-invasive and indirect monitoring strategy. PGs are emitted from the target nuclei after interactions between ions and tissue. Being able to accurately measure not only the spatial distribution, but also the energy and arrival time of the prompt gamma-rays would allow to discriminate the useful signal from the noisy background (mostly due to neutrons produced by the interactions between the beam and the patient) and effectively monitor the Bragg peak depth. Considering the specific features of the gamma rays to be detected, in particular a wide energy range (up to 8 MeV), the development of a new detection module for prompt gamma imaging was deemed necessary. This module is based on knife edge collimation and LYSO pixellated scintillator coupled (1:1) to silicon photomultipliers (SiPMs), whose signal is readout by a custom ASIC (named SITH), designed and submitted in a previous master thesis work. Starting from this version of the chip, each circuit block was analyzed in detail and experimentally characterized to highlight possible trade-offs and improvements. In particular, it was studied and optimized the filtering stage of the ASIC and it was developed the setup required to pulse, power and program the chip. Finally, it was performed the experimental characterization of: the functionality of the Adaptive Gain Control (AGC) and the performance of the timing measurement capability of the chip, in terms of time jitter.

L’adroterapia è una forma di radioterapia sempre più diffusa e utilizzata per il trattamento di pazienti oncologici. Rispetto alle sorgenti di radiazioni convenzionali (fotoni, elettroni), i fasci di protoni o di ioni carbonio presentano notevoli vantaggi dosimetrici grazie al loro range di penetrazione finito, con un massimo di deposizione della dose di radiazione localizzato, il picco di Bragg, la cui profondità può essere regolata in modo selettivo. Questa modalità consente trattamenti altamente focalizzati dell'area tumorale, permettendo così di risparmiare il tessuto sano circostante. Questa tecnica però presenta un limite: è altamente sensibile a qualsiasi fonte di deviazione dal piano di trattamento o alle incertezze relative al piano stesso. Un rilevamento preciso della posizione del picco di Bragg permetterebbe di depositare con grande efficacia elevate dosi di energia solo nei tessuti interessati al trattamento. A tal proposito, negli ultimi anni, diversi gruppi di ricerca hanno investigato tecniche per il monitoraggio in tempo reale del range del fascio di ioni. Tra queste tecniche di verifica, la rivelazione delle emissioni di fotoni prompt ad alta energia, chiamati prompt gamma (PG), costituisce una promettente strategia per un monitoraggio non invasivo e indiretto. I PG vengono emessi dai nuclei bersaglio a seguito di interazioni tra ioni e tessuto. La possibilità di misurare con precisione non solo la distribuzione spaziale, ma anche l'energia e il tempo di arrivo dei raggi gamma prompt consentirebbe di discriminare il segnale utile dal rumore (dovuto principalmente ai neutroni prodotti dalle interazioni tra il fascio e il paziente) e di monitorare efficacemente la profondità del picco di Bragg. Considerando le caratteristiche specifiche dei raggi gamma da rivelare, in particolare un ampio range di energia (fino a 8 MeV), si è ritenuto necessario lo sviluppo di un nuovo sistema per l'imaging dei prompt gamma. Questo modulo si basa su una collimazione a knife edge e su uno scintillatore LYSO pixellato accoppiato (1:1) a fotomoltiplicatori al silicio (SiPM), il cui segnale viene letto da un ASIC (chiamato SITH), disegnato in un precedente lavoro di tesi magistrale. Partendo da questa versione del chip, ogni blocco circuitale è stato analizzato in dettaglio e caratterizzato sperimentalmente per evidenziare possibili trade-off e miglioramenti. In particolare, è stato studiato e ottimizzato lo stadio di filtraggio dell'ASIC ed è stato realizzato il setup necessario per impulsare, alimentare e programmare il chip. Infine, è stata eseguita la caratterizzazione sperimentale della funzionalità di controllo adattivo del guadagno (AGC) e delle prestazioni del chip in termini di jitter temporale del segnale di timing.