A segmented TEPC for nanodosimetry: a numerical Monte Carlo study

The prediction of radiation-induced biological damage is a key factor in the definition of treatment plans for cancer therapy and in assessing potential side effects on healthy tissues. The evidence that the interactions underlying the cell’s inability to reproduce occur at the DNA level − a 2 nm diameter macromolecule present in the cell nucleus − made a deeper understanding of ionization phenomena at these dimensions fundamental for fully characterizing biological effects. Nanodosimetry is the branch of radiation physics that studies particle interaction sites at nanometric scale and provides the necessary quantities for their description. Currently, only three nanodosimeters worldwide have been developed to perform such measurements. However, due to their complexity and size, they are not suitable for clinical use. The aim of this thesis work is to study, through numerical Monte Carlo simulations, the feasibility of a portable and compact nanodosimeter, characterized by a segmented anode that allows the spatial discrimination of electron collection, starting from an existing model of TEPC employed in micro and nanodosimetric applications. This study is based on the development of a simulation model capable of reproducing the geometry and electric fields within the detector, as well as the electron multiplication process, known as electronic avalanche. After validation through comparison with experimental data available in literature, the model is used to assess the count of avalanches occurring in the multiplication region, in order to derive the number of primary ionization events that have taken place within the sensitive volume. This work has been carried out in the framework of NECTAR, a project funded by the FET-OPEN call (Grant agreement N° 964934).

La stima del danno biologico da parte delle radiazioni ionizzanti è un elemento chiave nella definizione dei piani di trattamento per la terapia dei tumori e per valutare eventuali effetti collaterali sui tessuti sani. L’evidenza che le interazioni alla base dell’incapacità riproduttiva della cellula avvengano a livello del DNA, una macromolecola presente nel nucleo cellulare con un diametro di circa 2 nm, ha reso fondamentale una più profonda comprensione dei fenomeni di ionizzazione a queste dimensioni per poter caratterizzare in modo completo gli effetti biologici indotti da radiazione. La nanodosimetria è la branca della fisica delle radiazioni che si occupa di studiare i luoghi di interazione delle particelle in siti nanometrici e che definisce le grandezze fisiche necessarie alla loro descrizione. Attualmente, a livello globale, solo tre nanodosimetri sono in grado di effettuare questo tipo di misure, ma, a causa della loro complessità e dimensione, non risulta possibile utilizzarli in ambito clinico. L’obiettivo di questa tesi è lo studio, tramite simulazioni numeriche con codici Monte Carlo, della fattibilità di un nanodosimetro portatile e compatto, caratterizzato da un anodo segmentato che permetta di distinguere le posizioni di assorbimento degli elettroni, a partire da un modello esistente di contatore proporzionale tessuto equivalente (TEPC) utilizzato in ambito micro e nanodosimetrico. Questo studio si basa sullo sviluppo di un modello di simulazione che sia in grado di riprodurre la geometria e i campi elettrici all’interno del rivelatore, nonché il processo di moltiplicazione degli elettroni, noto come valanga elettronica. Dopo la validazione tramite confronto con i dati sperimentali disponibili in letteratura, il modello viene utilizzato per stimare la quantità di valanghe verificatesi nella zona di moltiplicazione, al fine di ricavare il numero degli eventi di ionizzazione primaria avvenuti all’interno del volume sensibile. Questo lavoro di tesi è stato sviluppato all’interno di NECTAR, progetto europeo della call FET-OPEN (Grant Agreement N°964934).