Neutron dosimetry with Fluorescent Nuclear Track Detectors (FNTDs)

Secondary neutrons generated in ion-beam therapy contribute to the out-of-field radiation dose and remain challenging to characterize owing to their broad energy distribution and indirect interaction mechanisms. This thesis investigates fluorescent nuclear track detectors (FNTDs) based on Al2O3:C,Mg and LiF as passive detectors for neutron dosimetry, combining experimental characterization with Monte Carlo simulations and ion-transport calculations. Fluorescence-microscopy readout and image-analysis protocols were first developed and validated through controlled alpha-particle irradiations. The detectors were subsequently exposed to a ²⁴¹Am–Be ISO neutron field with a 1 mm HDPE converter placed in front of the dosimeters to generate recoil protons through neutron–hydrogen interactions. The irradiation was performed to a target ambient dose equivalent, H∗(10), of 10 mSv at the converter position. Al2O3:C,Mg FNTDs were analysed by confocal fluorescence microscopy, while LiF detectors were investigated by wide-field fluorescence microscopy. Results were interpreted using SRIM and Open-TOPAS simulations of neutron transport, secondary-particle production and absorbed dose. In Al2O3:C,Mg, 22 recoil-proton candidate tracks were identified, with a sensitivity of (2.80 ± 0.60) tracks mm⁻² mSv⁻¹. Depth-resolved analysis showed enhanced fluorescence toward the terminal portion of the reconstructed tracks, motivating a depth-restricted comparison with the simulated recoil-proton population. In LiF, 59 candidate track-like structures were identified, including 28 composite structures morphologically compatible with α/triton pairs from the ⁶Li(n, α)³H reaction, corresponding to a total track-like structure density of (1.45 ± 0.22) × 10⁴ tracks mm⁻³ and a candidate capture-event density of (6.87 ± 1.42) × 10³ events mm⁻³. Their measured ranges were consistent with SRIM predictions. The results establish methods for neutron-induced track characterization and highlight the complementary responses of Al2O3:C,Mg and LiF. These results support the potential of FNTDs for spatially resolved passive neutron dosimetry in mixed radiation fields relevant to particle therapy.

I neutroni secondari prodotti nella terapia con fasci ionici contribuiscono alla dose fuori campo e sono difficili da caratterizzare per l’ampio spettro energetico e i meccanismi indiretti di interazione. Questa tesi studia rivelatori fluorescenti di tracce nucleari (FNTD) in Al2O3:C,Mg e LiF per la dosimetria neutronica passiva, combinando caratterizzazione sperimentale, simulazioni Monte Carlo e calcoli di trasporto ionico. Protocolli di lettura in fluorescenza e analisi delle immagini sono stati sviluppati e validati con irraggiamenti alfa controllati. I rivelatori sono stati quindi esposti a un campo neutronico ISO da sorgente ²⁴¹Am–Be, con un convertitore in HDPE da 1 mm posto davanti ai dosimetri per generare protoni di rinculo da interazioni neutrone–idrogeno. L’irraggiamento è stato condotto fino a H∗(10) = 10 mSv alla posizione del convertitore. Gli FNTD in Al2O3:C,Mg sono stati analizzati mediante microscopia confocale e quelli in LiF mediante microscopia wide-field. I risultati sono stati interpretati mediante calcoli SRIM e simulazioni OpenTOPAS del trasporto neutronico, dei secondari e della dose assorbita. Negli FNTD in Al2O3:C,Mg sono state identificate 22 tracce candidate di protoni di rinculo, con sensibilità (2,80 ± 0,60) tracce mm⁻² mSv⁻¹. L’analisi risolta in profondità ha mostrato che la fluorescenza visibile era prevalentemente associata alla porzione terminale delle tracce, motivando il confronto con i protoni di rinculo simulati previsti arrestarsi entro la profondità investigata. Nei rivelatori in LiF sono state identificate 59 strutture candidate, di cui 28 morfologicamente compatibili con coppie α/tritone dalla reazione ⁶Li(n, α)³H, corrispondenti a una densità totale di (1,45 ± 0,22) × 10⁴ tracce mm⁻³ e a una densità di eventi di cattura candidati di (6,87 ± 1,42) × 10³ eventi mm⁻³. I risultati definiscono metodologie sperimentali e computazionali per caratterizzare le tracce indotte da neutroni negli FNTD, evidenziano la complementarità dei meccanismi di risposta di Al2O3:C,Mg e LiF e ne confermano il potenziale per la dosimetria neutronica passiva spazialmente risolta in campi misti rilevanti per la terapia con particelle.