An innovative multi-site tissue equivalent proportional counter for microdosimetry

Tissue-equivalent proportional counters (TEPCs) are widely used in microdosimetry to measure radiation interactions at the cellular level, simulating microscopic tissue volumes. This thesis focuses on the characterization of an innovative TEPC developed at Legnaro National Laboratories of the Italian National Institute for Nuclear Physics (INFN-LNL), that enables microdosimetric multi-site measurements to characterize the radiation quality of clinical beams. The design of this detector allows the selection of different charge collection volumes within the detector by modifying the applied electric field, simulating different site sizes within a single detector setup. This eliminates the need to alter the experimental setup (pressure changes inside the detector or use of multiple microdosimeters), making the process more efficient. Experimental characterizations were conducted at the CN Van de Graaff accelerator at INFN-LNL and at the Trento Proton Therapy Center, using different radiation fields, including neutrons, photons, and protons, to characterize the response of the detector and prove its stability under different operating conditions. Additionally, a comparison was made with another reference TEPC to assess the consistency and reliability of the results. The primary objective of this study is to validate the performance of the TEPC, ensuring the correct function of the multi-site technique. The results confirm that the detector operates as expected, with stable gain characteristics and a well-defined spectral response across different site configurations, providing an important step toward optimizing TEPCs for applications in radiation protection and hadron therapy. Moreover, the obtained results show good agreement with previous studies, as the microdosimetric spectra are consistent with those obtained at similar conditions, further supporting the validity of the multi-site technique.

I contatori proporzionali tessuto equivalenti (TEPC) sono ampiamente utilizzati in microdosimetria per misurare le interazioni delle radiazioni a livello cellulare, simulando volumi di tessuto microscopici. Questa tesi si concentra sulla caratterizzazione di un innovativo TEPC sviluppato presso i Laboratori Nazionali di Legnaro dell’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN-LNL), che permette misure microdosimetriche multi-sito per la caratterizzazione della qualità della radiazione dei fasci clinici. Il design di questo rivelatore consente di selezionare diversi volumi di raccolta della carica all'interno del rivelatore modificando il campo elettrico applicato, simulando così diverse dimensioni di sito all’interno di un unico setup sperimentale. Ciò elimina la necessità di modificare l’allestimento sperimentale (modifiche nella pressione del rivelatore o uso di rivelatori differenti), rendendo il processo più efficiente. Le caratterizzazioni sono state condotte presso l’acceleratore Van de Graaff CN di INFN-LNL e presso il Centro di Protonterapia di Trento, utilizzando diversi campi di radiazione, tra cui neutroni, fotoni e protoni, per caratterizzare la risposta del rivelatore e verificarne la stabilità in diverse condizioni operative. Inoltre, è stato effettuato un confronto con un altro TEPC di riferimento per valutare la coerenza e l’affidabilità dei risultati. L'obiettivo principale di questo studio è validare le prestazioni del TEPC, garantendo il corretto funzionamento della tecnica multi-sito. I risultati confermano l’ottimo funzionamento del rivelatore, con caratteristiche di guadagno stabili e una risposta spettrale ben definita in diverse configurazioni di sito, rappresentando un passo importante verso l'ottimizzazione dei TEPC per applicazioni nella radioprotezione e nella adroterapia. I risultati ottenuti mostrano, inoltre, un buon accordo con studi precedenti, poiché gli spettri microdosimetrici sono coerenti con quelli ottenuti in condizioni simili, confermando ulteriormente la validità della tecnica multi-sito.