Study of the neutron activation of a gamma ray detection module for BNCT dose monitoring

In the latter years, radiotherapy has developed to be one of the most used therapy techniques in treating cancer, alongside surgery and chemotherapy. In particular, research has focused on particle therapy, thanks to the advantages offered by charged particles in terms of localization of energy deposition and relative biological effectiveness (RBE) with respect to gamma rays. Boron Neutron Capture Therapy (BNCT) is a radiotherapy technique based on neutron capture, which makes it a selective treatment. Indeed, a boron-10 carrier can be delivered in the cancer cells and a low energy neutron beam exploits the 10B(n,α)7Li reaction, selectively killing the cells thanks to the high linear energy transfer (LET) features of the products of the reaction. A limitation of this technique is the lack of knowledge of the target distribution in the patient, which is critical in order to evaluate the efficacy of the treatment and in order to avoid damages to healthy tissue. A possible solution is a BNCT-SPECT system, which would be capable of detecting in real time the position in the patient from which the specific 478 keV gamma ray from boron neutron capture is produced, thus providing information about the dose delivered during the irradiation. In previous thesis works, the prototype detector module BeNEdiCTE was developed, which is based on a lanthanum bromide scintillator crystal coupled with a matrix of silicon photomultipliers (SiPM). The module is capable of detecting gamma rays at energies up to MeV and it offers ∼ 3% energy resolution at the gamma energies of interest. However, the goal of developing a detector ring capable of real-time image reconstruction of the irradiated region is complicated by the challenging irradiation environment. Indeed, the huge background due to both neutrons and gamma rays makes the signal coming from the borated target hard to distinguish from background contributions, mainly generated in the electronic boards and scintillator crystal. The main goal of this thesis work was to investigate the causes of background gamma rays and to design a possible solution which would improve the detection capabilities of the module. The thesis is organized as follows: • Chapter 1 gives an overview about particle therapy and describes more in depth BNCT. The physical principle and the radiobiology are covered. Moreover, the beam requirements for irradiation facilities and the neutron source technologies are described, distinguishing between reactor sources and accelerator sources. • Chapter 2 describes the BeNEdiCTE detector module, its components and the electronic readout. The first set of BNCT measurements is commented, focusing on the issue of the background gamma rays. • Chapter 3 describes in detail the possible nuclear reactions which might be contributing to the background counts. Firstly, the composition of the electronic boards is studied in order to isolate the possible causes of gamma emission. Then, the neutron activation of the scintillator is analyzed. Finally, a thorough study about possible neutron shielding materials is carried out, comparing their properties and finding the best fitting candidate. • Chapter 4 includes a series of Monte Carlo simulations whose goal is to quantitatively evaluate each one of the contributions previously identified. Then, further simulations are performed in order to achieve the best shielding configuration which helps reducing the background counts and at the same time to not degrade the signal from the target. • Chapter 5 reports the experimental measurements which confirm the origin of the background gamma rays and evaluate the effectiveness of the shielding and the linear response of the detector module. • Chapter 6, lastly, presents a summary of the work and introduces future developments and challenges for the topics treated in this thesis.

Negli ultimi anni, le tecniche di radioterapia sono state sviluppate sino a diventare tra le procedure più usate per curare il cancro, accanto alla chirurgia e alla chemioterapia. In particolare, la ricerca è avanzata nel campo della terapia particellare, grazie ai vantaggi offerti delle particelle cariche in termini di localizzazione dell'energia depositata ed efficacia biologica relativa (RBE) rispetto ai più tradizionali raggi gamma. Boron Neutron Capture Therapy (BNCT) è una radioterapia basata sulla cattura neutronica, che permette di renderla una tecnica terapeutica selettiva. Infatti, un radiofarmaco contenete l'isotopo 10B, dopo l'iniezione nel paziente, è in grado di distribuirsi selettivamente nelle cellule tumorali. Un fascio di neutroni a bassa energia sfrutta la reazione di cattura 10B(n,α)7Li, che deposita la dose terapeutica interamente a livello cellulare, grazie ai prodotti aventi un alto trasferimento lineare di energia (LET). Un limite di questa tecnica è la mancata conoscenza della distribuzione spaziale del boro nel paziente e della dose depositata, di fondamentale importanza per valutare l'efficacia del trattamento e per evitare eventuali danni al tessuto sano circostante. Una possibile soluzione è lo sviluppo di un sistema SPECT per BNCT, in grado di rivelare in tempo reale la posizione nel paziente da cui sono prodotti i raggi gamma a 478 keV, specifici della reazione di cattura neutronica del 10B. Questo darebbe informazioni sulla distribuzione della dose depositata durante il trattamento. In lavori di tesi precedenti, è stato realizzato il modulo BeNEdiCTE, basato su un cristallo scintillatore in bromuro di lantanio accoppiato ad una matrice di fotomoltiplicatori al silicio (SiPM). Il modulo è in grado di rivelare raggi gamma con energie fino a qualche MeV e offre una risoluzione energetica ∼ 3% alle energie di interesse. Tuttavia, lo sviluppo di un sistema ad anello composto da più moduli, in grado di ricostruire in tempo reale l'immagine della zona irradiata dal fascio, è complicato dalle radiazioni presenti. Infatti, i raggi gamma e i neutroni rendono il segnale che proviene dal bersaglio borato difficile da distinguere dai contributi di fondo, attribuibili principalmente alle schede elettroniche e al cristallo scintillatore. L'obiettivo principale di questa tesi è stato l'investigazione le possibili cause che contribuiscono al fondo di raggi gamma e successivamente di progettare una soluzione che potesse migliorare le capacità di rivelazione del modulo. La tesi è organizzata come segue: • Il Capitolo 1 offre una breve panoramica sulle terapie particellari e descrive più approfonditamente la tecnica BNCT. I principi fisici alla base e la radiobiologia sono presentati. Inoltre, i requisiti che il fascio neutronico deve rispettare negli impianti di irraggiamento e le principali tecnologie delle sorgenti di neutroni sono illustrate, distinguendo tra sorgenti basate su reattori nucleari e su acceleratori. • Il Capitolo 2 descrive il modulo BeNEdiCTE, le sue componenti e l’elettronica di lettura. La prima serie di misure legate alla BNCT è commentata, ponendo l’attenzione sul problema dei raggi gamma di fondo. • Il Capitolo 3 analizza nel dettaglio le reazioni nucleari che potrebbero contribuire al fondo di raggi gamma. In primo luogo, la composizione delle schede elettroniche è studiata, per identificare possibili sorgenti di emissione gamma. Successivamente, l’attivazione neutronica del cristallo scintillatore è studiata. Infine, è sviluppato uno studio approfondito sui possibili materiali adatti come schermatura neutronica, confrontando le loro proprietà e identificando il miglior candidato. • Il Capitolo 4 include una serie di simulazioni Monte Carlo il cui obiettivo è valutare quantitativamente ognuno dei contributi identificati nel capitolo precedente. Successivamente, altre simulazioni sono state eseguite per trovare la miglior configurazione dello schermo che aiuti a ridurre al minimo i conteggi di fondo senza degradare il segnale proveniente dal bersaglio borato. • Il Capitolo 5 riporta delle misure sperimentali che confermano l’origine dei raggi gamma di fondo e valutano l’efficacia dello schermo neutronico e la linearità della risposta del modulo. • Il Capitolo 6, infine, presenta un riassunto del lavoro e introduce le sfide e gli sviluppi futuri per gli argomenti trattati in questa tesi.