Electron dosimetry in irradiation processing with rad-hard diodes

Este trabalho teve como objetivo o desenvolvimento de sistemas dosimétricos baseados em diodos especiais de Si, resistentes a danos de radiação, para monitoração online de processos de irradiação com elétrons de 1,5 MeV de energia e para dosimetria relativa e escaneamento de feixe de elétrons clínicos dentro de uma faixa de energia de 6 a 21 MeV. Os diodos utilizados foram produzidos pelos métodos de fusão zonal padrão (FZ), Czochralski em presença de um campo magnético (MCz) e crescimento Epitaxial (EPI). Para utilizar os diodos como detectores, eles foram fixados em uma base de alumina permitindo a ligação dos eletrodos de polarização e de extração de sinais. Após a montagem na base, cada diodo foi fixado em uma sonda acrílica preta dotada de uma janela de Mylar® aluminizado e de conector do tipo LEMO®. Com os dispositivos operando em modo fotovoltaico, a integração dos sinais de corrente em função do tempo de irradiação permitiu obter a carga produzida no volume sensível de cada diodo irradiado. O acelerador de elétrons utilizado para as irradiações de doses altas foi o DC 1500/25/4 - JOB 188 de 1,5 MeV instalado no Centro de Tecnologia das Radiações do IPEN/CNEN-SP. Foram estudados o perfil da corrente em função do tempo de exposição, a repetibilidade de resposta, a sensibilidade em função da dose absorvida e a curva resposta de cada dispositivo. Foi observada uma queda na sensibilidade mais acentuada para o diodo MCz do que para o diodo FZ e uma boa repetibilidade nos dois casos. Ainda, o aumento da carga com a dose absorvida obedeceu a uma função polinomial de segunda ordem. Na caracterização do diodo EPI, ele exibiu melhor repetibilidade que a obtida por dosímetros CTA, rotineiramente aplicados em processamento por radiação. Os resultados acima descritos indicam a potencial utilização desses diodos de Si resistentes a danos de radiação em dosimetria online para aplicações envolvendo elevadas doses. Para as irradiações de doses baixas foram utilizados os Aceleradores Lineares KD2 e Primus, ambos fabricados pela Siemens e instalados no Hospital Sírio-Libanês. A resposta dos diodos foi avaliada para energias de 6 a 21 MeV. Foram estudados: a repetibilidade de resposta, a curva dose-resposta em função da dose absorvida, a sensibilidade em carga com a energia do feixe de elétrons, a porcentagem de dose profunda (PDP) e o perfil transversal de dose. Apesar da resposta dos diodos FZ, MCz e EPI serem levemente dependentes da energia do feixe de elétrons, a resposta dosimétrica, em todo o intervalo de energia de feixe estudado, mostrou-se linear. Ainda, em relação aos diodos epitaxiais, os dispositivos estudados mostraram excelente acordo com simulações de Monte Carlo e medições realizadas com MatriXX®, demonstrando que os dispositivos podem ser usados como dosímetros em elétrons radioterápicos para escaneamento de varredura de feixe, mapeamento de distribuições de dose de feixes, monitoramento rotineiro da constância do fator calibração e dosimetria relativa.This work had the aim of the development of dosimetric systems based on Si special diodes, resistant to radiation damage to online monitoring of irradiation processing using 1.5 MeV electrons energy and for relative dosimetry and clinical electron beam scanning within an energy range of 6 MeV up to 21 MeV. The diodes used were produced by Float Zone standard (FZ), Magnetic Czochralski (MCz) and epitaxy growth (EPI) methods. In order to use the diodes as detectors, they were fixed on alumina base to allow the connection of the polarization electrodes and the signals extraction. After the diode assembly on the base, each one was housed in a black acrylic probe with aluminized Mylar® window and LEMO® connector. With the devices operating in photovoltaic mode, the integration of the current signals as a function of irradiation time allowed obtain the charge produced in the sensitive volume of each diode irradiated. The electron accelerator used for high doses irradiation was the DC 1500/25/4 JOB 188 of the 1.5 MeV installed at the Radiation Technology Center of the IPEN/CNEN-SP. The current profile as function of exposure time, the response repeatability, the sensitivity as function of absorbed dose and the dose response curve were studied for each device. In comparison to FZ diode, we observed a greater decrease in the sensitivity for MCz diode, and good repeatability in both cases. Also, the increasing of the charge with the absorbed dose was well fitted by a second order polynomial function. In the EPI diode characterization, this one exhibited repeatability better than CTA dosimeters applied routinely in radiation processing. The above results indicate the potential use of these radiation hardness Si diodes in online dosimetry to high doses applications. For low doses irradiation were used the linear accelerators KD2 and Primus, both manufactured by Siemens and located at Sirio-Libanês Hospital. The diodes responses were evaluated for electron beams within the energy range of 6 MeV up to 21 MeV. The following studies were carried out: the short-term repeatability, the dose-response curve as a function of absorbed dose, the charge sensitivity as function of electron beam energy, the percentage depth dose (PPD) and the dose transversal profile. Despite the response of the diodes FZ, MCz and EPI be slightly dependent on the electron beam energy, the dosimetric response was linear in all electron beam energy range studied. In addition to this, the EPI devices showed excellent agreement with simulation performed with Monte Carlo code and the measurements performed with MatriXX®, confirming that the devices can be used as dosimeters in radiotherapy for scanning purposes, dose distribution mapping, constancy monitoring of calibration factor and relative dosimetry