Studio di sensori al silicio con guadagno per monitoraggio di fasci terapeutici in adroterapia

Questo lavoro di tesi verte sullo studio di sensori innovatici al silicio (Ultra Fast Silicon Detector o UFSD) caratterizzati da uno strato di guadagno interno in grado di generare segnali ampi in spessori sottili. Grazie al loro elevato rapporto segnale rumore, gli UFSD sono sensori in grado di fare misure ad alta precisione; in particolare sono ottimizzati per permettere di coniugare un'elevata risoluzione temporale (dell'ordine di poche decine di ps) con le risoluzioni spaziali tipiche di rivelatori al silicio segmentati. In questa tesi ne viene studiata l'applicazione come possibili contatori di particelle per il monitoraggio del fascio in adroterapia, un tipo di radioterapia in cui vengono impiegate particelle cariche pesanti, come ioni carbonio o protoni, per la distruzione di cellule tumorali. Rivelatori UFSD molto sottili permettono infatti di avere tempi di raccolta molto brevi e, se opportunamente suddivisi in pixel, di gestire conteggi di singole particelle anche ai flussi molto elevati utilizzati in terapia. Il lavoro svolto è suddiviso in tre parti: la prima parte consiste nella caratterizzazione di alcuni sensori in dotazione all'INFN di Torino e prodotti dal CNM di Barcellona. La caratterizzazione consta nell'effettuare studi sulle curve C-ΔV (per determinare la capacità del sensore completamente svuotato), 1/C2- ΔV (per determinare la tensione di svuotamento) e del profilo di drogaggio dei sensori. La seconda parte consiste nell'acquisizione dei segnali prodotti da impulsi laser che simulano il passaggio di una particella e visualizzati all'oscilloscopio, il quale è controllato da un software scritto in NI Labview. La terza parte consiste nell'elaborazione di un software in grado di disaccoppiare l'effetto di tutta la catena elettronica di amplificazione e lettura dal segnale misurato. L'elaborazione del software, scritto in C++ e che utilizza il framework ROOT, si avvale di una schematizzazione dell'elettronica di lettura in termini di una Funzione di Trasferimento estratta con un analisi di Fourier di un segnale di riferimento. La caratterizzazione dei sensori e la tecnica di estrapolazione della corrente generata dal sensore saranno, in futuro, elementi utili per lo studio del danneggiamento dei sensori in seguito a fluenze elevate di particelle cariche. La tesi è organizzata come segue: nel capitolo 1 vengono descritte le interazioni di differenti particelle con la materia e i vantaggi dell'adroterapia rispetto alla radioterapia convenzionale con fotoni, oltre a un breve cenno sul Centro Nazionale di Adroterapia Oncologica (CNAO) e ai metodi utilizzati per il controllo della distribuzione della dose. Nel capitolo 2 si descrivono le proprietà fisiche di semiconduttori al silicio e le modalità di funzionamento di rivelatori a stato solido. Nel capitolo 3 si descrivono i sensori UFSD, le loro proprietà e l'elettronica di acquisizione. Viene inoltre descritto il programma di simulazione dei sensori Weightfield 2. Il capitolo 4 riguarda la caratterizzazione in laboratorio di alcuni rivelatori UFSD e il confronto con le proprietà di rivelatori convenzionali senza guadagno. Nel capitolo 5 è riportata l'analisi dei dati raccolti all'oscilloscopio e l'applicazione dell'analisi di Furier per la deconvoluzione del segnale del sensore dall'effetto dell'elettronica. Nel capitolo 6 vengono analizzate le prospettive future.