Studio con simulazioni delle prestazioni di tomografie computerizzate con protoni basate su misure di tempi di transito.

Il lavoro di tesi è consistito nell’indagare la possibilità di eseguire radiografie e tomografie con protoni (pCT), utilizzando solo misure di tempi di volo dei protoni tra due strati di rivelatori in grado di fornire simultaneamente misure di posizione e di tempo di transito con alta precisione, come ad esempio rivelatori al silicio con guadagno interno (tecnologia LGAD). Questo permetterebbe di evitare l’uso di misuratori di energia o range residuo, comunemente utilizzati nei prototipi di sistemi pCT, che limitano le velocità di acquisizione. Lo studio è stato condotto con simulazione in Geant4 e l’uso di programmi sviluppati in ambiente ROOT per l’analisi dei dati forniti dalle simulazioni. Si è validato un procedimento di ricostruzione che permette, a partire da tabulazioni dei range e dei tempi necessari a protoni per fermarsi in un bersaglio d’acqua, di determinare con precisione la velocità finale e lo stopping power relativo (RSP) per bersagli di materiale omogeneo. La ricostruzione fornisce risultati accettabili anche nel caso di bersagli non omogenei, purché si medino le misure di protoni in direzioni opposte. Errori sistematici nella ricostruzione dovuti alla diffusione coulombiana multipla sono mitigati parametrizzando il percorso nel bersaglio con una spline cubica che interpola le posizioni e direzioni iniziali e finali dei protoni, misurati dai piani di rivelatori prima e dopo il bersaglio. La ricostruzione richiede la conoscenza dei punti di ingresso e uscita nel bersaglio che, sebbene non siano noti nel caso di una radiografia planare, possono essere ricavati in una tomografia considerando le traiettorie dei protoni con un tempo di volo compatibile con quello in aria, permettendo una ricostruzione preliminare del profilo del bersaglio. Una ricostruzione tomografica preliminare con algoritmo ART di un bersaglio cilindrico d’acqua fornisce una risoluzione in RSP inferiore all’1%, ad eccezione delle regioni di bordo. Si è quindi analizzato l’effetto della risoluzione temporale nella ricostruzione, giungendo alla conclusione che un sistema tomografico basato su tempi di volo tra due piani di rivelatori distanti 100 cm, richiede una risoluzione temporale nel tempo di volo di circa 15 ps per essere competitive con misure di energia residua con precisioni dell’ordine dell’1%.