Study of the response of plastic scintillators to low energy protons

Tese de mestrado integrado, Engenharia Biomédica e Biofísica (Engenharia Clínica e Instrumentação Médica) Universidade de Lisboa, Faculdade de Ciências, 2019There is real interest in installing in Portugal a proton therapy facility. Proton therapy has a the potential to spare healthy from unnecessary dose. This technology takes advantage of the existance of the Bragg Peak to be able to obtain a dose distribution closer to what is ideal. Nowadays, ionization chambers are considered the reference in dosimetry. Nevertheless, they offer a poor spatial resolution. Optical fibers, on the other hand, offer a good spatial resolution: with an optical fiber it is possible to achieve a spatial resolution of 2 mm, 1 mm, 0.5 mm or even 0.25 mm. When an optical fiber is irradiated with ionizing radiation it absorbs it and produces scintillation light that is then conducted inside the fiber to a photomultiplier that converts the light in an electrical current. This work’s objective was to develop an experimental setup to study how different optical fibers responds to proton beams, in particular to low energy proton beams. So, this work can be divided in four different stages: development of a software to simulate the interactions of a low energy proton beam with matter; the design and manufacture of a irradiation chamber to block the room light and to make sure that all th light that reachs the photomultiplier is scintillation light; rehabiliation of a X & XY positioning system to be able to place the optical fiber, and irradiation box, with precision; and finally to perform the measurements in the CTN’s Van de Graaff. During the measurements there was made a longitudinal measurement and also a lateral measurement of the beam’s profiles. The lateral measurements were performed to better understand the beam’s geometry and to obtain the points with a higher signal. The measurements of the longitudinal profile didn’t show the beam’s Bragg Peak. This happened for two reasons: first because the beam’s energy is too low and all of the proton’s energy is deposited in the optical fiber and second because the beam’s dispersion means that the number of protons that interact with the optical fiber takes a big fall when the distance is increased. The lateral measurements were able to confirm that the beam used had a gaussian geometry and enabled the calculation of the security distance from the opening of the irradiation box to the Van de Graff’s exit. Although this setup allowed for the measurements to be made. It still needs some improvements: the positioning system needs motors with a bigger torque and the irradiation box needs to be designed in a more user friendly way. The measurements should be done with a more stable proton accelerator.terapia com raios-X. Durante anos foi vista como aplicável apenas a casos de cancro na base do crânio, para tratamentos feitos em pediatria e para retinoblastomas. Hoje, sabe-se que esta tecnologia pode ser utilizada em todo o tipo de cancros em que a terapia com fotões é utilizada. Em Portugal existe um grande interesse em instalar uma infraestrutura que permita fazer terapia com protões para tratar pacientes oncológicos terapia com protões é uma tecnologia que aproveita a existência do pico de Bragg para poupar, até um certo ponto, os tecidos saudáveis a dose desnecessária. Para conseguir isto é necessário ser capaz de mapear com uma pequena resolução espacial o pico de Bragg para os feixes de protões utilizados. Enquanto que, hoje em dia, as câmaras de ionização são consideradas a referência em dosimetria, estas não oferecem uma pequena resolução espacial. As fibras ópticas, por outro lado, oferecem resoluções espaciais pequenas: 2 mm, 1 mm, 0,5 mm, 0,25 mm. Quando se utiliza uma fibra óptica cintilante para se medir o perfil de dose de um feixe, a fibra é irradiada produzindo luz de cintilação. A luz de cintilação é transmitida dentro da fibra óptica até um fotomultiplicador que converte a luz de cintilação numa corrente eléctrica. O fotomultiplicador é alimentado por uma fonte de alta tensão (o fotomultiplicador utilizado neste trabalho funciona entre os 600 V e os 800 V). A corrente gerada no fotomultiplicador é, finalmente, integrada num electrómetro. A intensidade da luz de cintilação é, em princípio, linear em relação à quantidade de dose absorvida pela fibra. Contudo, devido a fenómenos de quenching a linearidade é perdida quando a fibra interage com partículas com pouco energia, o que corresponde a um grande stopping power. Esta situação é de especial importância pois é na zona do pico de Bragg que os protões atingem os valores mais elevados de stopping power. O objectivo deste trabalho foi estudar as características de fibras ópticas cintilantes, em particular as suas respostas a feixes de protões de baixa energia. Para alcançar este objectivo o trabalho foi dividido em quatro partes distintas: desenvolvimento de um software de simulação da interacção de um feixe de protões com a matéria que permitisse a realização de simulações com energia de feixe até aos 15 MeV; uma vez que os protões utilizados têm pouca energia o que levou a que o ar fosse escolhido como fantoma, foi necessário o design e manufacturação de uma caixa de irradiação que permitisse a interacção do feixe de protões com a fibra óptica e que, ao mesmo tempo, impedisse que a luz ambiente interaja com a fibra óptica; montagem de uma mesa XY para conseguir uma colocação precisa da fibra óptica; realização das medições no acelerador de protões do Campus Tecnológico e Nuclear. Quando se pretende fazer leituras de dose com fibras ópticas não se pode permitir que a luz ambiente interaja com a fibra óptica pois isso altera os valores medidos pela electrónica. No caso das medições de dose com fotões é possível utilizar-se uma manga para impedir esta interacção. No caso de um feixe de protões tal não é possível pois isso altera a energia do feixe de protões antes de estes interagirem com a fibra óptica. A solução encontrada foi desenhar uma caixa de irradiação onde a fibra é introduzida durante as medições. Esta caixa de irradiação tem uma abertura por onde entra o feixe de protões, esta abertura é coberta com uma fina janela de prata ( a janela de prata utilizada nas medições tem 210 nm de espessura). A espessura das janelas de prata foi medida usando a perda de energia de partículas alfa no material da janela. A necessidade de ter uma colocação precisa da fibra óptica foi sentida deste o início, pois sem uma colocação precisa a boa resolução espacial oferecida pela fibra óptica seria inútil pois existiria uma grande incerteza no ponto do espaço em que a fibra é colocada. O sistema de posicionamente escolhido foi uma mesa XY. As simulações realizadas com o pMC foram feitas tendo em conta um volume de fibra semelhante não volume de fibra que é irradiado nas medições experimentais, uma janela de prata de espessura igual à espessura da janela utilizada nas medições experimentais e considerando que o fantoma é composto por ar. Este novo software foi comparado com o software de simulação FLUKA que também foi utilizado nas simulações utilizadas neste trabalho. Durante as medições foi feita uma medição do perfil longitudinal do feixe e foi também feita uma medição do perfil lateral do feixe. A leitura do perfil lateral do feixe foi feita para conseguir entender melhor a geometria do feixe e para conseguir obter os pontos com um maior sinal para se considerar esse ponto para o perfil longitudinal usando a leitura de sinal na fibra óptica colocada em várias posições. As simulações mostraram que existem algumas diferenças entre o pMC e o FLUKA. Estas diferenças podem ser explicadas com o facto de as bases de dados dos stopping power utilizadas no pMC e no FLUKA são diferentes e com o facto de o algoritmo de dispersão ter uma componente lateral menor no pMC. As medições laterais permitiram demonstrar que o feixe possui uma geometria gaussiana e permitiram calcular a distância de seguranc¸a (distância entre a caixa de irradiação e a saída do feixe, necessária para não perfurar a janela de prata) a que a caixa é colocada da saída do acelerador. As medições do perfil longitudinal do feixe não permitiram que o pico de Bragg do feixe fosse observado. Isto acontece por várias razões: primeiro porque a energia do feixe é pequena e dos protões não conseguem atravessar a fibra o que faz com que o que ´e lido seja a energia do protão em vez de a energia deixada pelo protão num determinado volume; segundo porque a dispersão do feixe faz com que o número de protões que interagem com a fibra óptica baixa com a distância e isso baixa bastante a quantidade de energia absorvida pela fibra óptica; a distância entre duas posições consecutivas da fibra é demasiado grande para se poder considerar que temos uma variação pequena de energia. As simulações em que uma geometria gaussiana e uma desalinhamento da fibra óptica em relação à saída do feixe é considerada são as que mais se aproximam das medições experimentais. Como conclusão podemos dizer que apesar de ter sido possível realizar uma série de medições com este dispositivo experimental ainda é necessário realizar alterações ao mesmo. A caixa de irradiação deve ser mais fácil de utilizar, principalmente no que toca à introdução das fibras. O sistema de posicionamento precisa de ser melhorado pois os motores não oferecem torque suficiente para fazer com que percorra toda a distância da calha. É necessário utilizar outro feixe de protões pois o Van de Graaff utilizado no CTN apresenta muitas oscilações na intensidade do feixe