Characterization of an avalanche-confinement TEPC for nanodosimetry with Li-7 ions

The objective of this thesis work is the comparison of two instruments in order to understand whether the two can be interchangeable for the measurement of variables that were shown to be of useful in radiotherapy. These two instruments are the avalanche-confinement Tissue Equivalent Proportional Counter (TEPC), a portable microdosimeter suited for the clinical environment and able to simulate volumes down to 25nm, and the STARTRACK nanodosimeter, a bulky instrument of which only three exist worldwide. One of the most important biological effects inflicted to cancerous cells by an ionizing radiation is cell inactivation, whose quantification is not a quick and simple process that can be applied during the treatment sessions. However, a relationship was found between cell inactivation and the clustering of single ionizations along the track traced by the ionizing particle and measured by the nanodosimeter. Because of this relationship, nanodosimetry can be seen as a valid substitute for the study of radiobiological effects in radiation therapy, which motivates the comparison between it and microdosimetry. Following the positive results previously obtained with alpha particles, this work examines the microdosimetric responses of the counter to a 26.7MeV Li-7 ion beam. These responses were validated through comparison with appropriately simulated track-nanodosimetric distributions, with the goal to see the same trend in both and a good overlap of the two spectra. Some further simulations were also employed for the study of the influence of the variables- different dimensions of the irradiated sample and distinct positions of the beam with respect to the target center- on the distribution curve and for the depiction of some particles that did not yet have experimental counterparts. The agreement between the two responses is shown to be good, also proving the negligible effects of the stochasticity introduced by the working principle of the TEPC on the overall distribution and confirming the feasibility of using the TEPC to describe the structure of the particle track.

L’obiettivo di questo lavoro di tesi è il confronto di due strumenti al fine di comprendere se questi siano intercambiabili per la misura di variabili che si sono dimostrate essere di uso pratico in radioterapia. Questi due strumenti sono la Tissue Equivalent Proportional Counter (TEPC) a confinamento di valanga, un microdosimetro portatile adatto all’ambiente clinico e capace di simulare volumi fino a 25nm, e il nanodosimetro STARTRACK, un ingombrante strumento di cui solo tre modelli esistono al mondo. Uno dei principali effetti biologici inflitti alle cellule cancerogene da una radiazione ionizzante è l’inattivazione cellulare, la cui quantificazione non è un processo rapido e semplice che può essere effettuato tra sessioni di trattamento. Tuttavia, esiste, una relazione tra l’inattivazione e i cluster di singole ionizzazioni lungo il tratto percorso dalla particella ionizzante e misurato dal nanodosimetro. In base a questa relazione, la nanodosimetria può esser vista come valido sostituto dello studio degli effetti radiobiologici in radioterapia, e ciò motiva il confronto tra essa e la microdosimetria. A seguito dei risultati positivi ottenuti in precedenza con particelle alfa maggiormente ionizzanti, questo lavoro indaga la risposta microdosimetrica del contatore proporzionale a un fascio di ioni di Li-7 a 26.7MeV. Queste risposte sono state validate tramite un confronto con distribuzioni nanodosimetriche della traiettoria adeguatamente simulate, con l’obiettivo di vedere lo stesso andamento in entrambe e una buona sovrapposizione dei due spettri. Altre simulazioni sono state impiegate per verificare l’influenza di variabili- le diverse dimensioni del campione irradiato e le diverse posizioni del fascio rispetto al centro del target- sulla curva della distribuzione e per rappresentare particelle ancora prive di controparti sperimentali. Le due risposte mostrano buon accordo, provando inoltre che gli effetti stocastici introdotti dal principio di funzionamento della TEPC risultano trascurabili quando confrontati con la distribuzione complessiva e confermando l’attuabilità dell’usare una TEPC per descrivere la struttura della traiettoria della particella.