Nuovi sistemi diagnostici avanzati per fasci di particelle cariche guidati da laser: sviluppo e realizzazione

High-power laser technologies have emerged as compact, cost-effective alternatives to conventional particle accelerators, offering distinct advantages for a variety of applications such as hadrontherapy. However, their unique properties necessitate the development of specialized diagnostic and dosimetric tools to ensure precise and effective utilization. This thesis presents advancements in instrumentation for characterizing laser-accelerated proton beams and enhancing dosimetric systems for FLASH proton therapy. A custom-designed Thomson Parabola Spectrometer integrated with a particle transport code is presented for precise beam diagnostics. Complementing this, a novel dosimetric system based on a silicon carbide (SiC) detector array is introduced. The SiC detectors are optimized for reconstructing percentage depth dose distribution curves using a combination of Fermi-Eyges theory, Monte Carlo simulations, and validated with experimental measurements for both conventional and laser-driven proton beams. These advancements significantly improve the diagnostic and dosimetric capabilities of laser-accelerated proton beams, paving the way for their effective integration into clinical and research applications.

Le tecnologie laser ad alta potenza sono emerse come alternative compatte ed economiche agli acceleratori di particelle convenzionali, offrendo vantaggi distinti per una varietà di applicazioni come l'adroterapia. Tuttavia, le loro proprietà uniche richiedono lo sviluppo di strumenti diagnostici e dosimetrici specializzati per garantire un utilizzo preciso ed efficace. Questa tesi presenta i progressi nella strumentazione per caratterizzare fasci di protoni accelerati da laser e migliorare i sistemi dosimetrici per la terapia protonica FLASH. Viene presentato uno spettrometro Thomson Parabola progettato su misura integrato con un codice di trasporto di particelle per una diagnostica precisa del fascio. A complemento, viene introdotto un nuovo sistema dosimetrico basato su un array di rilevatori in carburo di silicio (SiC). I rilevatori SiC sono ottimizzati per ricostruire curve di distribuzione della dose di profondità percentuale utilizzando una combinazione di teoria di Fermi-Eyges, simulazioni Monte Carlo e convalidati con misurazioni sperimentali per fasci di protoni convenzionali e guidati da laser. Questi progressi migliorano significativamente le capacità diagnostiche e dosimetriche dei fasci di protoni accelerati da laser, aprendo la strada alla loro integrazione efficace in applicazioni cliniche e di ricerca.