Gamma-ray generation via bremsstrahlung from laser-plasma accelerated electrons for photonuclear reactions

The production of innovative radioisotopes is a key challenge for nuclear medicine, in particular for theranostic applications. Access to new radionuclides is nowadays limited, because patient treatment remains a priority for reactors and traditional accelerators. Laser-plasma accelerators (LPA) represent an emerging technology capable of generating high-energy electrons and γ radiation through Bremsstrahlung with compact setups, potentially deployable in hospitals. The present thesis studies the production of radioisotopes through photonuclear reactions induced by electrons accelerated with a LPA. The investigation is based on Monte Carlo simulations on the dedicated experimental apparatus, with applications to the cases of (_^47)Sc and (_^99)Mo. The main contribution consists in a systematic study of the influence of the electron source spectrum and the geometry of the system on photon and isotope production yield. Results show that the sole maximization of photon production does not guarantee the optimal isotope yield. The beam divergence and the geometry play a decisive role. The parameters that control the isotope production are identified, defining the optimal configurations for optimizing the global yield. This thesis work is just the initial stage of a broader collaborative effort that will experimentally investigate a similar production scheme.

La produzione di radioisotopi innovativi rappresenta una questione di fondamentale importanza per la medicina nucleare, in particolare per applicazioni teragnostiche. L’accesso a nuovi isotopi e’ tuttavia limitato al giorno d’oggi, in quanto i sistemi di produzione attuali, reattori nucleari e acceleratori convenzionali, sono interamente dedicati alla produzione di radioisotopi già consolidati nella pratica clinica. In questo contesto, gli acceleratori laser-plasma (LPA) rappresentano una tecnologia emergente, in grado di generare fasci elettronici ad alta energia e, mediante conversione Bremsstrahlung, radiazioni γ in configurazioni compatte, potenzialmente installibili in contesti ospedalieri. La presente tesi studia la produzione di radiositopi mediante reazioni fotonucleari indotte da elettroni accelerati mediante LPA. L’analisi viene condotta mediante simulazioni Monte Carlo sull’apparato sperimentale dedicato, focalizzandosi sul caso di generazione dei radiositopi (_^47)Sc e (_^99)Mo. Il maggiore contributo portato dal presente lavoro consiste nell’analisi dell’influenza della forma dello spettro elettronico e della geometria del sistema sulla produzione fotonica globale e sulla resa isotopica. I risultati mostrano che massimizzare la generazione fotonica non garantisce l’ottimizazione della resa isotopica. Al contrario, il ruolo determinante e’ giocato dalla divergenza fotonica e dalla relativa geometria del sistema. Sono quindi identificati i parametri che influiscono maggiormente sulla resa del sistema, definendo le configurazioni operative ottimali. Questo lavoro di tesi e’ solamente lo stadio iniziale di una collaborazione piu’ ampia finalizzata alla valutazione sperimentale della fattibilità del sistema proposto per la produzione di radioisotopi