Development of advanced silicon sensors for neutron detection and microdosimetry

Abstract

Aquesta tesi presenta el desenvolupament de sensors avançats de silici fabricats al IMB-CNM per aplicacions en detecció de neutrons i per mesures microdosimètriques en feixos de teràpia amb hadrons. La precisa detecció de neutrons es de gran interès en la comunitat mèdica, en seguretat nacional i en molts altres camps com la ciència de materials o l’exploració de l’espai. Donat el seu efecte biològic, la detecció de neutrons es essencial per controlar, per exemple, el flux de neutrons produïts durant els tractament de radioteràpia o hadronteràpia i minimitzar així el risc de contraure tumors secundaris induïts per la radiació. A més a més, per seguretat nacional, la detecció de neutrons es imprescindible per reduir amenaces radio-biològiques ja que, els materials que poden ser utilitzats per construir armes nuclears o bombes brutes, son fonts d’emissió de neutrons. Aquestes aplicacions es basen actualment en detectors gasosos d’heli-3 però, degut a la escassetat d’aquest gas, en un futur pròxim una tecnologia substitutòria per a la detecció de neutrons es necessària. Els sensors presentat en aquesta tesi per a la detecció de neutrons són: l’ultra prim 3D (U3DTHIN) i el micro-estructurat (MS), cobert i omplert respectivament amb un material convesor. Els sensors U3DTHIN són nomes de 10 or 20 µm de gruix, permetent un alt rebuig als rajos gamma, propietat necessària per discriminar la senyal deguda als neutrons en un medi mixt amb rajos gamma. Els sensors MS consisteixen en una formació de micro-canals gravats dins el silici i omplerts amb un material conversor. Aquests detectors proporcionen un augment en la eficiència de detecció degut a la major àrea de contacte entre el volum sensible de silici i el material convesor. La teràpia amb hadrons es un tipus en expansió de radiació externa per tractar el càncer utilitzant feixos protons o ions pesats. La posada en marxa d’aquests tipus de feixos, per obtenir un tractament més precís, requereix una caracterització completa de la qualitat de la radiació, és a dir, tipus de partícula i espectre d’energia, que resulta de mesures microdosimètriques. Per a la realització d’aquestes mesures, els sensors presentats en aquesta tesis són els U3DTHIN i els microdosimetres 3D cilíndrics. Els U3DTHIN, ja introduïts per a la detecció de neutrons també s’utilitzen per tals mesures a causa del seu petit gruix, mentre que els microdosimetres cilíndrics van ser específicament fabricats per mesures microdosimètriques. Aquesta nova generació de dispositius consisteix en una matriu de micro-sensors amb elèctrodes cilíndrics que permeten un ben definit volum micromètric sensible a la radiació. La investigació presentada en aquest treball inclou els processos de fabricació dels sensors, la seva caracterització elèctrica, les simulacions GEANT4 per optimitzar els dissenys i per validar resultats i els tests experimentals realitzats en diferents instal·lacions d’irradiació.

This thesis presents the development of advanced silicon sensors fabricated at IMB-CNM for neutron detection applications and for microdosimetry measurements of hadron therapy ion beams. The accurate detection of neutrons has great interest for the medical community, for homeland security and for many other different fields such as material science or space exploration. Given their biological effect, neutron detection is essential to control, for example, the neutron flux produced during a radiotherapy or hadrontherapy treatment to minimize the patient's risk of secondary radiation-induced tumours. Moreover, for national security purposes, neutron detection is crucial to elude radiological threats since the nuclear materials, that could be used to assemble nuclear weapons or dirty bombs, are a significant source of fission neutrons. These applications mostly rely on 3He gas proportional counters but due to the shortage of this gas, a replacement technology for neutron detection is required in the near future. The presented sensors in this thesis for neutron detection are the ultra-thin 3D (U3DTHIN) and the microstructured (MS) sensors, which are covered and filled respectively, with a thermal neutron converter material. The U3DTHIN sensors are only 10 or 20 µm thick, allowing for a high gamma rejection, which is necessary to discriminate the signal coming from the neutrons in a mixed neutron-gamma ray environment. The MS sensors consist of an array of microchannels etched inside the silicon bulk and filled with a converter material. They lead to an improvement of the neutron detection efficiency due to the increased contact area between the silicon sensitive volume and the converter material. Hadron therapy is an expanding branch of external radiation therapy for treating cancer using protons or heavy ion beams. The commissioning of such beams, to lead to a more accurate treatment plan, requires a complete characterization of the radiation quality (i.e. particle types and their energy spectra) that results from microdosimetric measurements. To perform these measurements, the presented sensors in this thesis are the U3DTHIN and the 3D cylindrical microdosimeter. The U3DTHIN, already introduced for neutron detection, is also used for such measurements due to its thin thickness, while the 3D cylindrical microdosimeter was manufactured specifically for microdosimetry measurements. This new generation device consists of an array of micro-sensors that have 3D-cylindrical electrodes resulting in a well-defined micrometric radiation sensitive volume. The research presented in this work includes the fabrication processes of the sensors, their electrical characterization, the GEANT4 simulations to optimize the designs and to validate the experimental results and the experimental tests performed at different irradiation facilities.