A novel dual-site microdosimeter for hadron therapy beams: design of the front-end electronics and study of the detector response for different neutron fields

The rise in cancer rates has heightened the need for new and improved radiotherapy treatments. Understanding the relationship between biological damage and the physical properties of ionizing radiation is crucial. The absorbed dose alone is insufficient to account for the varying biological effects of different types of radiation, which can be addressed by the relative biological effectiveness (RBE). Microdosimetry, particularly through Tissue Equivalent Proportional Counters (TEPC), plays a key role in assessing RBE by evaluating energy deposition in microdosimetric target volumes, such as cells. The MUSICA (Microdosimetro mUlti Sito Innovativo per la Caratterizzazione di fasci Adroterapici) project founded by the INFN (istituto Nazionale di Fisica Nucleare) introduces an innovative TEPC capable of simulating two different microdosimetric site dimensions without requiring constant gas flow or lengthy waiting times. This is achieved by adjusting the electrode voltage to modify the active volume while maintaining a constant gas pressure. This thesis focuses on developing a high-quality Printed Circuit Board (PCB) for the TEPC pre-amplification stage and on the experimental and Monte Carlo characterisation of the detector response against a fast neutron field. The PCB noise was characterised by evaluating the equivalent noise charge (ENC). To compare the new PCB with the former one, measurements using the same neutron field from an AmBe source were conducted in the nuclear measurement laboratory at Politecnico di Milano. The experimental campaign conducted at the national laboratories of Legnaro tested the new detector's response using the CN Van De Graaff accelerator with a neutron field generated from 5.5 MeV deuterons colliding on a 7LiF slab target. Comparative analysis of measurements from Legnaro with computational simulations using FLUKA showed good agreement, despite some discrepancies in neutron fluence simulation. The PCB met design standards being characterised by a substantially lower noise level and a wider dynamic range. The future applications of both the TEPC and the PCB include integration with trace detectors at TIFPA and bench-marking new radiobiological models. Further refinement of numerical simulations and detector behaviour analysis is recommended to address discrepancies.

L'aumento dell’incidenza dei casi di cancro ha aumentato la necessità di nuovi e migliorati trattamenti radioterapici. È cruciale comprendere la relazione tra danno biologico e proprietà fisiche delle radiazioni ionizzanti. La sola dose assorbita non è sufficiente per spiegare gli effetti biologici dei diversi tipi di radiazione,tale problematica può invece essere affrontata considerando l'efficacia biologica relativa (RBE). La microdosimetria, in particolare attraverso i Contatori Proporzionali Tessuto Equivalenti (TEPC), svolge un ruolo chiave nella valutazione dell'RBE, misurando la deposizione di energia nei volumi micrometrici bersaglio, come le cellule. Il progetto MUSICA (Microdosimetro mUlti Sito Innovativo per la Caratterizzazione di fasci Adroterapici) introduce una TEPC innovativa, capace di simulare due diverse dimensioni di siti microdosimetrici senza richiedere un flusso di gas costante o lunghi tempi di attesa tra le misure. Regolando la tensione degli elettrodi è possibile modificare il volume attivo mantenendo costante la pressione del gas. Questa tesi si inserisce al progetto di ricerca attraverso lo sviluppo dell'elettronica di front-end di alta qualità per la TEPC e caratterizzando la risposta del microdosimetro a un campo di neutroni veloci sia sperimentalmente sia attraverso simulazioni Monte Carlo. Il rumore della PCB è stato caratterizzato valutando la equivalent noise charge(ENC). Per confrontare la nuova PCB con design precedenti, sono state condotte nuove misure utilizzando un stesso campo di neutroni generato con una sorgente AmBe nel laboratorio di misure nucleari del Politecnico di Milano. La campagna sperimentale condotta presso i laboratori nazionali di Legnaro, utilizzando l'acceleratore CN Van De Graaff, ha testato la risposta del nuovo rivelatore con un campo di neutroni generato da deutoni da 5,5 MeV che impattano contro un bersaglio di 7LiF. Il confronto delle misure con le simulazioni ottenute con FLUKA ha mostrato un buon accordo, nonostante alcune discrepanze nella simulazione della fluenza neutronica. La PCB ha soddisfatto gli standard di progettazione essendo caratterizzata da un livello di rumore inferiore e un intervallo dinamico più ampio. Le future applicazioni della TEPC e della PCB includono la loro integrazione con i rivelatori di tracce di proprietà del TIFPA e il benchmarking di nuovi modelli radiobiologici. Sarebbe utile un ulteriore miglioramento delle simulazioni numeriche e dell'analisi del comportamento del rivelatore per affrontare le discrepanze evidenziate in questo lavoro.