This thesis work involves the characterization of novel dosimeters based on synthetic single crystal diamond films, able to work without power supply, the use of which is proposed as detectors for medical applications in radiotherapy. The search for diamond film devices in this area is of particular interest to the advantages it offers in terms of material-tissue equivalence, radiation sensitivity and resistance, as demonstrated by the recent European project “MAESTRO” (Methods and Advanced Equipment for Simulation and Treatment in Radiation Oncology) which involved various research institutions such as the french Commissariat à l’Energie Atomique, the italian National Institute for Nuclear Physics and the Department of Clinical Physiopathology, University of Florence, engaged in the development of 1D systems using synthetic diamond produced by CVD technique (Chemical Vapor Deposition) as sensitive material. The experimental work is part of a collaboration between the research group in Microsystems Engineering, University of Tor Vergata and the Unit Operations of Physics Ospedale San Filippo Neri in Rome. The dissertation includes a first part devoted to the general description of modern techniques for construction of microdevices, particularly in the synthesis of synthetic diamond. In the second part in-depth concepts on topics of physics and radiation dosimetry are presented, followed by a general discussion on the photodetectors, with particular attention to those used in the field of radiotherapy. In the third part it is described the experimental work on synthetic diamond dosimeters; the various stages of implementation of the devices, the experimental measurements and the methodology used in achieving the aim to characterize and compare its performance with devices currently on the market made by PTW (Germany). The most relevant parameters revealing the dosimeters properties have been measured: linearity, dose-dependence and dose-rate quality, stability, sensitivity and speed of response. In light of the experimental work it is not worthing to note that the proposed prototypes have performance that meet the requirements in health and dosimetry comparable with the devices currently on the market, presenting, in some cases, advantages over them in terms of, for example, spatial resolution and sensitivity. Based on further optimizations during mass production which, for example, an improved degree of standardization, the prototypes can be considered the basis of a new series of excellent and competitive devices in the field of medical dosimetry.

Questo lavoro di tesi ha riguardato la caratterizzazione di innovativi dosimetri basati su film di diamante sintetico monocristallino, in grado di funzionare senza tensione di alimentazione, il cui utilizzo è proposto come rivelatori per applicazioni in radioterapia medica. La ricerca di dispositivi a film di diamante in questo campo è di particolare interesse per i vantaggi che questo materiale offre in termini di tessuto-equivalenza, sensibilità e resistenza alla radiazione, come testimoniato anche dal recente progetto europeo “Maestro” (Methods and Advanced Equipment for Simulation and Treatment in Radiation Oncology) che ha visto coinvolti vari Enti di ricerca quali il Commissariat à l'Énergie Atomique, l’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare e il Dipartimento di Fisiopatologia Clinica dell'Università di Firenze, impegnati nello sviluppo di sistemi 1D utilizzando come materiale sensibile proprio il diamante sintetico prodotto con tecnica CVD (Chemical Vapour Deposition). Il lavoro sperimentale svolto si inserisce nel quadro di una collaborazione tra il gruppo di ricerca in Ingegneria dei Microsistemi dell’Università di Tor Vergata e l’Unità Operativa di Fisica Sanitaria dell’Ospedale San Filippo Neri di Roma. La stesura della tesi prevede una prima parte dedicata alla descrizione generale delle moderne tecniche per la realizzazione di microdispositivi con particolare riferimento alla sintesi del diamante sintetico. Nella seconda parte sono approfonditi alcuni concetti su tematiche di fisica della radiazioni e dosimetria, a cui segue una trattazione generale sui fotorivelatori, con particolare attenzione a quelli utilizzati in campo radioterapico. Nella terza parte è descritto il lavoro sperimentale sui dosimetri a diamante sintetico; sono descritte le varie fasi del processo di realizzazione dei dispositivi, le misure sperimentali e la metodologia utilizzata nel conseguirle allo scopo di caratterizzarne e confrontarne le prestazioni con dispositivi attualmente in commercio realizzati dalla ditta PTW (Germania). E’ stato misurato il comportamento dei parametri determinanti per il funzionamento dei dosimetri: linearità, dipendenza dalla dose-quality e dal dose-rate, stabilità, sensibilità e velocità di risposta. Alla luce del lavoro svolto si deduce che i prototipi realizzati hanno delle prestazioni che rispondono ai requisiti richiesti in dosimetria sanitaria e sono confrontabili con i dispositivi attualmente in commercio, presentando, in taluni casi, dei vantaggi rispetto a questi ultimi in termini, ad esempio, di risoluzione spaziale e sensibilità. Sulla base di ulteriori ottimizzazioni raggiungibili in fase di produzione in serie quale, ad esempio, l’elevato grado di standardizzazione, i prototipi realizzati possono considerarsi la base di una nuova serie di ottimi e competitivi dispositivi nel campo della dosimetria medica.

Almaviva, S. (2010). Sviluppo e applicazione di microsensori di diamante CVD per misure radioterapiche.

Sviluppo e applicazione di microsensori di diamante CVD per misure radioterapiche

ALMAVIVA, SALVATORE
2010-07-15

Abstract

Questo lavoro di tesi ha riguardato la caratterizzazione di innovativi dosimetri basati su film di diamante sintetico monocristallino, in grado di funzionare senza tensione di alimentazione, il cui utilizzo è proposto come rivelatori per applicazioni in radioterapia medica. La ricerca di dispositivi a film di diamante in questo campo è di particolare interesse per i vantaggi che questo materiale offre in termini di tessuto-equivalenza, sensibilità e resistenza alla radiazione, come testimoniato anche dal recente progetto europeo “Maestro” (Methods and Advanced Equipment for Simulation and Treatment in Radiation Oncology) che ha visto coinvolti vari Enti di ricerca quali il Commissariat à l'Énergie Atomique, l’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare e il Dipartimento di Fisiopatologia Clinica dell'Università di Firenze, impegnati nello sviluppo di sistemi 1D utilizzando come materiale sensibile proprio il diamante sintetico prodotto con tecnica CVD (Chemical Vapour Deposition). Il lavoro sperimentale svolto si inserisce nel quadro di una collaborazione tra il gruppo di ricerca in Ingegneria dei Microsistemi dell’Università di Tor Vergata e l’Unità Operativa di Fisica Sanitaria dell’Ospedale San Filippo Neri di Roma. La stesura della tesi prevede una prima parte dedicata alla descrizione generale delle moderne tecniche per la realizzazione di microdispositivi con particolare riferimento alla sintesi del diamante sintetico. Nella seconda parte sono approfonditi alcuni concetti su tematiche di fisica della radiazioni e dosimetria, a cui segue una trattazione generale sui fotorivelatori, con particolare attenzione a quelli utilizzati in campo radioterapico. Nella terza parte è descritto il lavoro sperimentale sui dosimetri a diamante sintetico; sono descritte le varie fasi del processo di realizzazione dei dispositivi, le misure sperimentali e la metodologia utilizzata nel conseguirle allo scopo di caratterizzarne e confrontarne le prestazioni con dispositivi attualmente in commercio realizzati dalla ditta PTW (Germania). E’ stato misurato il comportamento dei parametri determinanti per il funzionamento dei dosimetri: linearità, dipendenza dalla dose-quality e dal dose-rate, stabilità, sensibilità e velocità di risposta. Alla luce del lavoro svolto si deduce che i prototipi realizzati hanno delle prestazioni che rispondono ai requisiti richiesti in dosimetria sanitaria e sono confrontabili con i dispositivi attualmente in commercio, presentando, in taluni casi, dei vantaggi rispetto a questi ultimi in termini, ad esempio, di risoluzione spaziale e sensibilità. Sulla base di ulteriori ottimizzazioni raggiungibili in fase di produzione in serie quale, ad esempio, l’elevato grado di standardizzazione, i prototipi realizzati possono considerarsi la base di una nuova serie di ottimi e competitivi dispositivi nel campo della dosimetria medica.
A.A. 2009/2010
Ingegneria dei microsistemi
22.
This thesis work involves the characterization of novel dosimeters based on synthetic single crystal diamond films, able to work without power supply, the use of which is proposed as detectors for medical applications in radiotherapy. The search for diamond film devices in this area is of particular interest to the advantages it offers in terms of material-tissue equivalence, radiation sensitivity and resistance, as demonstrated by the recent European project “MAESTRO” (Methods and Advanced Equipment for Simulation and Treatment in Radiation Oncology) which involved various research institutions such as the french Commissariat à l’Energie Atomique, the italian National Institute for Nuclear Physics and the Department of Clinical Physiopathology, University of Florence, engaged in the development of 1D systems using synthetic diamond produced by CVD technique (Chemical Vapor Deposition) as sensitive material. The experimental work is part of a collaboration between the research group in Microsystems Engineering, University of Tor Vergata and the Unit Operations of Physics Ospedale San Filippo Neri in Rome. The dissertation includes a first part devoted to the general description of modern techniques for construction of microdevices, particularly in the synthesis of synthetic diamond. In the second part in-depth concepts on topics of physics and radiation dosimetry are presented, followed by a general discussion on the photodetectors, with particular attention to those used in the field of radiotherapy. In the third part it is described the experimental work on synthetic diamond dosimeters; the various stages of implementation of the devices, the experimental measurements and the methodology used in achieving the aim to characterize and compare its performance with devices currently on the market made by PTW (Germany). The most relevant parameters revealing the dosimeters properties have been measured: linearity, dose-dependence and dose-rate quality, stability, sensitivity and speed of response. In light of the experimental work it is not worthing to note that the proposed prototypes have performance that meet the requirements in health and dosimetry comparable with the devices currently on the market, presenting, in some cases, advantages over them in terms of, for example, spatial resolution and sensitivity. Based on further optimizations during mass production which, for example, an improved degree of standardization, the prototypes can be considered the basis of a new series of excellent and competitive devices in the field of medical dosimetry.
single crystal diamond; syntethic diamond dosimeters; solid state dosimetry; radiotherapy; radiotherapy dosimetry; IMRT dosimetry
Settore ING-INF/01 - Elettronica
English
Tesi di dottorato
Almaviva, S. (2010). Sviluppo e applicazione di microsensori di diamante CVD per misure radioterapiche.
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