Sviluppo di uno spettrometro innovativo per il controllo dei fasci di neutroni nella Boron Neutron Capture Therapy ​

Boron Neutron Capture Therapy (BNCT) is an experimental form of radiotherapy where the malignant cells, previously marked with a borated drug, are killed when bombarded with a neutron field with suitable energy and angular distributions. A well-characterised neutron beam is crucial for successful BNCT treatment. In particular, experimental knowledge of the neutron fluence energy distribution, often known only by Monte Carlo simulation, is highly desirable. Single-moderator neutron spectrometers, conceived at INFN in the previous decade, have been used successfully in various fields, from cosmic rays to neutron beams for materials science. These devices condense the Bonner Spheres Spectrometer functionality into a single moderator, embedding a detector matrix. These detectors are simultaneously acquired, making real-time spectrometry possible on a wide energy range from thermal neutrons to GeV. A specific spectrometer, called NCT-WES (Neutron Capture Therapy Wide Energy Spectrometer), has been designed for neutron beam measurements in BNCT, where the neutron spectrum is mainly epithermal. The main NCT-WES advantages are the directional response, the optimised geometry to improve the resolving power in the epithermal range and the real-time operation. This work describes how the spectrometer was designed, manufactured and tested before its use in clinical applications. The thesis work was performed at the INFN Frascati National Laboratory (INFN-LNF).

La Boron Neutron Capture Therapy (BNCT) è una forma sperimentale di radioterapia in cui le cellule maligne, precedentemente marcate con un farmaco borato, vengono uccise quando colpite da un fascio di neutroni con energia e distribuzione angolare adeguate. Un fascio di neutroni ben caratterizzato è fondamentale affinché il trattamento BNCT abbia successo. In particolare è opportuno conoscere sperimentalmente la distribuzione in energia della fluenza dei neutroni, spesso conosciuta solo dalla simulazione Monte Carlo. Gli spettrometri per neutroni a singolo moderatore, introdotti all’INFN nell’ultimo decennio, sono stati utilizzati con successo in diversi campi, dai raggi cosmici ai fasci di neutroni per la scienza dei materiali. Questi dispositivi condensano la funzionalità di uno spettrometro a Sfere di Bonner in un unico moderatore, che incorpora una matrice di rivelatori di neutroni termici. Questi rivelatori vengono acquisiti simultaneamente, rendendo così possibile la spettrometria in tempo reale su un ampio intervallo di energia, dai neutroni termici al GeV. Uno spettrometro specifico, denominato NCT-WES (Neutron Capture Therapy Wide Energy Spectrometer), è stato concepito per misure di fascio neutronico nella BNCT dove lo spettro neutronico è principalmente epitermico. I principali vantaggi di questo spettrometro sono la risposta direzionale, la geometria ottimizzata per migliorare il potere risolutivo nel range epitermico e il funzionamento in tempo reale. Questo lavoro descrive come lo spettrometro è stato progettato, prodotto e testato prima del suo utilizzo in applicazioni cliniche. Il lavoro di tesi è stata realizzato ai Laboratori Nazionali INFN di Frascati (INFN-LNF). ​