Studio e sviluppo di un nuovo sistema diagnostico basato sulla tecnologia SiC per la dosimetria relativa e la determinazione del range di protoni

The primary advantages of proton therapy over photon therapy are the superior ballistic capabilities and the finite beam range. However, in clinical practice, range assessment in tissue is fraught with uncertainty due to imaging, patient setup, beam delivery, and dose calculation procedures. Reducing these uncertainties would entail optimizing the methods and technologies employed, facilitating the reduction of the treatment volume. The latter is presently one of hadrontherapy's challenges. The effort to look for innovative methodologies capable of estimating the range of charged particle beams with great accuracy and precision at conventional (10^9 pps) and FLASH (10^12 pps) intensity has been intense in recent decades. In this context, due also to technical advances in semiconductor material manufacturing, the adoption of solid-state SiC-based devices for dosimetry is being addressed. The radiation hardness of Silicon Carbide (SiC) devices, the linearity of their response with energy, and the independence of the response from LET (Linear Energy Transfer) and dose rate make them good candidates for the purpose. The PRAGUE (Proton RAnGe measure Using silicon carbidE) project emerges from this research area. Its primary purpose is to develop, assemble, and test a real-time, multilayer SiC detector capable of reconstructing the Percentage Depth-Dose (PDD) distribution of a 30-150 MeV proton beam with conventional and FLASH intensity, as well as a very high longitudinal spatial resolution (approximately 30 μm of WET). This thesis work focused on the development and testing of a prototype version of the PRAGUE detector, as well as the potential of coating the SiC devices with resin. Additionally, it dealt with the characterization of the detectors that would comprise the final device, as well as the assessment and development of the system's electronic readout chain.

I principali vantaggi della terapia con protoni rispetto alla terapia con fotoni sono le capacità balistiche superiori e il range limitato del fascio. Tuttavia, nella pratica clinica, la valutazione del range nel tessuto è affetta da incertezze associate alle procedure di imaging, di posizionamento del paziente, di erogazione del fascio e di calcolo della dose. Ridurre queste incertezze comporterebbe l’ottimizzazione dei metodi e delle tecnologie impiegate, consentendo la riduzione del volume di trattamento. Quest'ultima è attualmente una delle sfide dell'adroterapia. Lo sforzo atto a cercare metodologie innovative, che siano in grado di stimare il range dei fasci di particelle cariche con grande accuratezza e precisione, a intensità sia convenzionale (10^9 pps) che FLASH (10^12 pps), è stato intenso negli ultimi decenni. In questo contesto, grazie anche ai progressi tecnici raggiunti nella produzione di materiali semiconduttori, si sta valutando l'adozione di dispositivi a stato solido basati sul Carburo di Silicio (SiC) per la dosimetria. La resistenza al danno da radiazione dei dispositivi SiC, la linearità della loro risposta con l'energia e l'indipendenza della risposta dal LET (Linear Energy Transfer) e dal rateo di dose li rendono buoni candidati per lo scopo. In questo ambito di ricerca si colloca il progetto PRAGUE (Proton RAnGe measure Using silicon carbidE). Il suo scopo principale è sviluppare, assemblare e testare un rivelatore SiC multistrato in grado di ricostruire in tempo reale la distribuzione PDD (Percentage Depth-Dose) di un fascio di protoni da 30-150 MeV con intensità sia convenzionale che FLASH, nonché una risoluzione spaziale longitudinale molto elevata (circa 30 μm di spessore equivalente di acqua). Questo lavoro di tesi ha riguardato lo sviluppo e la caratterizzazione di una versione prototipale del rilevatore PRAGUE, nonché la fattibilità di rivestire i dispositivi SiC con resina epossidica. Inoltre, esso ha compreso la caratterizzazione dei rilevatori che costituiranno il dispositivo finale, nonché la definizione e lo sviluppo della catena di lettura elettronica del sistema.