Caratterizzazione di sensori innovativi al silicio per applicazioni in adroterapia

Questo lavoro di tesi riguarda lo studio degli Ultra Fast Silicon Detectors (UFSD), un nuovo tipo di rivelatore di particelle, caratterizzati da uno strato moltiplicativo interno di guadagno in grado di generare segnali ampi in spessori sottili. Grazie al loro elevato rapporto segnale/rumore, gli UFSD sono rivelatori in grado di effettuare misure di grande precisione sia della componente spaziale che di quella temporale del passaggio di una particella carica all'interno del loro volume sensibile. Le applicazioni di questi rivelatori innovativi sono moltissime, dagli esperimenti di fisica delle alte energie alla fisica medica; in particolare 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 e protoni. \indent Il lavoro svolto è stato suddiviso in tre parti: la prima è la caratterizzazione in laboratorio di un sensore con guadagno che consiste nell'analisi delle curve I-V e C-V con lo scopo di ricavare informazioni sulle condizioni di lavoro e sul profilo di drogaggio del dispositivo in esame. \indent La seconda è l'analisi dei dati raccolti in due test su fascio per studiare il comportamento degli UFSD con differenti tipi di amplificatori, stimarne le risoluzioni temporali e il comportamento del rumore del sistema. I risultati così ottenuti sono quindi utilizzati per validare una simulazione del segnale del sensore implementata in un programma chiamato Weightfield 2. In una terza parte della tesi il programma, così validato, viene utilizzato per stimare il segnale ottenibile con sensori molto sottili, quali quelli che si utilizzeranno come contatori di ioni di energie terapeutiche. \indent 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, l'elettronica di acquisizione e vengono discusse le dipendeze dal rumore elettronico del sistema. Viene inoltre descritto il programma di simulazione dei sensori Weightfield2. 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 durante due test su fascio eseguiti al CERN. Infine nel capitolo 6 vengono mostrati i risultati di una simulazione con Weightfield2 di sensori sottili e segmentati e vengono discusse le caratteristiche richieste a questi rivelatori per il loro uso come contatori di particelle in fasci terapeutici.