Caratterizzazione di rivelatori a strip al silicio per discriminazione e conteggio di singole particelle in fasci terapeutici di protoni

A correct dose distribution in charged particle therapy relies on a precise and fast monitoring of the beam parameters, in particular the number of delivered protons, the beam position and transversal shape. Nowadays, these measurements are performed by large area planar gas ionization chambers (ICs) which are robust, cheap and easy to couple to a simple readout electronics. However, solid state detectors could overcome some limitations of ICs, as their slowness, limited time and space resolution and dependence of the measured number of protons on environmental parameters and beam energy. In particular, thin silicon detectors provide short signals (1.5 ns duration in 50 µm), allowing to discriminate individual protons and directly count their number up to relatively high beam fluxes, depending on the sensor segmentation. In addition, the Low Gain Avalanche Diode (LGAD) technology, with an internal amplification mechanism of the generated charge, can compensate the loss of signal in small thicknesses. Prototypes of dedicated LGAD sensors segmented in strips were designed and built within the INFN MOVE_IT project in collaboration with the FBK foundation (Trento, Italy) and optimized to measure proton fluxes up to 100 MHz/cm2. Within this work, the data collected during two beam tests at Centro di Protonterapia of Trento are analyzed to demonstrate the counting capability of the sensors. Dedicated programs in the ROOT environment were developed for these studies. A LGAD sensor was biased with a voltage providing a gain 10 of the internal charge, and two strips were readout using external broadband amplifiers and a high speed (5 Gs/s) digitizer. Data were collected at different beam energies and currents, and in parallel the charge collected in a small pin-hole ionization chamber positioned along the beam path just behind the two strips was measured to have an independent estimation of the beam fluence during each irradiation. In the analysis, an optimal threshold was set to detect individual proton hits with minimum noise and maximum efficiency and the number of proton hits was counted for each beam energy and current. The dependence of the measured proton frequency versus the charge rate provided by the pin-hole chamber for a fixed beam energy provides a conversion parameter used to estimate the number of protons hitting the strips from charge measurements. The proton rate measured with the strip sensors agrees with the beam rate estimated with the pin-hole chamber within 2 %, the tolerance required for these measurements in the clinical practice, up to 100 MHz/cm2. At higher fluxes, saturation effects are visible, due the pileup of two protons close in time in the same sensor channel. During this study, an algorithm based on the correlation of hits in two neighbouring strips was applied to mitigate saturation effects. With this correction, saturation effects on the measured proton rate are below 2 % up to 500 MHz/cm2. In the next future a prototype detector based on the same LGAD strip sensors used in this study will be built, with the readout based on a dedicated ASIC chip for the signal amplification and discrimination and an external FPGA for the particle counting and application of algorithms for mitigation of saturation effects. In the present study, the effect of the FPGA sampling rate was simulated to probe the counting capability of the final device. ​

Una corretta distribuzione della dose in adroterapia si basa su un preciso e veloce monitoraggio dei parametri del fascio, in particolare il numero di protoni irradiati, la posizione e la forma trasversale del fascio. Oggigiorno, queste misure sono generalmente eseguite utilizzando camere a ionizzazione (ICs), robuste, economiche e accoppiate con un'elettronica di lettura semplice. Tuttavia, rivelatori allo stato solido potrebbero superare alcuni limiti delle ICs, come un tempo di raccolta della carica lungo, una limitata risoluzione spazio-temporale e la dipendenza del numero di particelle misurato da parametri ambientali e dall'energia del fascio. In particolare, rivelatori al silicio sottili forniscono segnali brevi (1.5 ns in 50 µm), permettendo di discriminare singoli protoni e contarne direttamente il numero fino a flussi relativamente alti, dipendenti dalla segmentazione del sensore. La tecnologia dei Low Gain Avalanche Diode (LGAD), dotati di un meccanismo interno di amplificazione della carica, riesce inoltre a compensare la perdita di segnale in spessori sottili. Prototipi di sensori LGAD segmentati in strip sono stati sviluppati nell'ambito del progetto INFN MOVE_IT in collaborazione con la fondazione FBK (Trento, Italia) e ottimizzati per misure di flussi di protoni fino a 100 MHz/cm2. In questo lavoro, i dati raccolti durante due campagne di test eseguite presso il Centro di Protonterapia di Trento sono stati analizzati sviluppando programmi dedicati in ambiente ROOT per dimostrare la capacità di conteggio di questi sensori. Durante i test, un rivelatore LGAD è stato alimentato con una tensione di bias corrispondente a un fattore circa 10 di guadagno della carica interna, e due strip sono state lette usando amplificatori esterni a larga banda e un digitizer ad alta velocità (5 Gs/s). I dati sono stati acquisiti per diverse energie e correnti del fascio, ed in parallelo è stata misurata la carica raccolta in una piccola camera a ionizzazione posizionata lungo il percorso del fascio per avere una stima indipendente del flusso. Nel lavoro di analisi, il valore della soglia di discriminazione dei segnali di singoli protoni è stato impostato in modo da minimizzare l'effetto del rumore e massimizzare l'efficienza di rivelazione. La dipendenza della frequenza di conteggi dei protoni dalla carica raccolta nella camera a ionizzazione per una fissata energia fornisce un parametro di conversione usato per stimare il numero di protoni che colpiscono le strip a partire da misure di carica. Il flusso di protoni misurato con i sensori a strip è compatibile con la frequenza stimata dalla camera a ionizzazione entro il 2 %, la tolleranza richiesta per queste misure nella pratica clinica, fino a 100 MHz/cm2. A flussi maggiori, si manifestano effetti di saturazione dovuti alla sovrapposizione dei segnali di due protoni vicini nel tempo nello stesso canale del sensore. In questo studio, è stato applicato un algoritmo basato sulla correlazione degli impulsi in due strip vicine per mitigare gli effetti di saturazione. In seguito alle correzioni, questi effetti sul flusso risultano inferiori al 2 % fino a 500 MHz/cm2. Nel prossimo futuro sarà costruito un prototipo di rivelatore basato sugli stessi sensori LGAD usati in questo studio, con un'elettronica di acquisizione basata su un chip ASIC dedicato per l'amplificazione e la discriminazione del segnale e su un FPGA esterno per il conteggio del numero di impulsi e l'applicazione degli algoritmi di mitigazione degli effetti di saturazione. In questo studio, l'effetto del campionamento dell'FPGA è stato tenuto in conto per verificare le capacità di conteggio del dispositivo finale. ​