Laue lenses to focus X- and gamma-ray beams for medical applications

Questa tesi è dedicata a descrivere studio e realizzazione di lenti di Laue da usare in applicazioni mediche. Le lenti di Laue sfruttano la diffrazione di Bragg di radiazione altamente energetica nei cristalli per focalizzare un fascio di fotoni in un piccolo spot focale. E’ stato dimostrato che questa caratteristica può essere sfruttata sia in medicina nucleare che in radioterapia. In particolare, è stata progettata una lente di Laue capace di fornire immagini funzionali con una risoluzione un ordine di grandezza migliore rispetto a quella ottenibile attraverso le tecniche convenzionali di medicina nucleare diagnostica (SPECT e PET). Inoltre, è stata proposta una lente di Laue per focalizzare a scopo radioterapeutico il fascio di raggi-X emesso da un tubo a raggi-X. La lente fornisce un fascio di fotoni quasi monocromatico capace di impartire una alta dose ad un target tumorale risparmiando i tessuti sani circostanti. Il progetto di entrambi le lenti è stato condotto usando due codici di simulazione Monte Carlo appositamente sviluppati. I codici considerano sorgenti con distribuzione spettrale e spaziale arbitraria, permetto l’uso di cristalli di vario tipo e gestiscono l’interazione fotone-cristallo tenendo in considerazione le non-idealità. Infine, calcolano lo spazio delle fasi del fascio diffratto e le figure di merito della lente. I cristalli con piani di diffrazione curvi sono emersi come i più efficaci elementi ottici per assemblare una lente di Laue. Alcune tecniche innovative per la curvatura dei cristalli, sviluppate nell’ambio del progetto INFN-LOGOS, sono presentate. Queste tecniche sono basate sulla deposizione di fibre di carbonio, sull’impiantazione ionica e sulla sabbiatura. Vari campioni cristallini sono stati prodotti con queste tecniche e testati tramite diffrazione di fasci di raggi X e gamma monocromatici e policromatici presso l’European Synchrotron Radiation Facility (ESRF) e l’Institut Laue-Langevin (ILL) di Grenoble. Inoltre, un semplice prototipo e’ stato assemblato e testato con successo dal Laboratorio di Sensori e Semiconduttori di Ferrara.