Novel silicon sensors for neutron detection

Abstract

La detección precisa y la dosimetría de neutrones en campos de radiación mixtos y pulsados es un tema instrumental demandado con gran interés por las comunidades médica e industrial. Estudios recientes de la contaminación de neutrones alrededor de los aceleradores lineales médicos han aumentado la preocupación sobre el riesgo de cáncer secundario en pacientes sometidos a tratamiento de radioterapia en las modalidades de fotones con energías superiores a 8 MeV. En respuesta a esa necesidad, en esta tesis se ha desarrollado una innovadora alternativa a los detectores estándares con un método activo para medir los neutrones alrededor de un acelerador lineal médico. Para tal fin, se han fabricado y optimizado nuevos detectores de silicio ultra delgados con electrodos 3D. El volumen activo de estos sensores tiene sólo 10 μm de espesor, lo que permite un alto rechazo a rayos gamma, lo cual es necesario para discriminar la señal de neutrones en el campo de la radiación periférica en radioterapia (con un alto fondo gamma). Estos detectores de neutrones son una solución prometedora para estimar el riesgo del paciente, puesto que pueden proporcionar al personal médico una respuesta rápida para una planificación óptima del tratamiento. También pueden ser utilizados en otras áreas con campos de radiación mixtos de neutrones/gamma tales como entornos nucleares y aeroespaciales, o microdosimetría. Además, las características intrínsecas de los dispositivos de silicio como robustez, pequeño tamaño, peso ligero y bajo consumo, los hacen ideales para ser empleados como sistemas de detección de neutrones portátiles. La investigación presentada en este trabajo describe las simulaciones Monte Carlo llevadas a cabo para optimizar el diseño de los prototipos, los procesos de fabricación de los detectores y su caracterización con fuentes radiactivas. Finalmente, se muestra el buen funcionamiento de estos nuevos detectores 3D ultra–delgados de silicio para la detección de neutrones en salas de radioterapia.

The accurate detection and dosimetry of neutrons in mixed and pulsed radiation fields is a demanding instrumental issue with great interest both for the industrial and medical communities. Recent studies of the neutron contamination around medical linear accelerators have increased the concern about the secondary cancer risk for radiotherapy patients undergoing treatment in photon modalities at energies greater than 8 MeV. In this thesis, an innovative alternative to standard detectors with an active method to measure neutrons around a medical linac has been developed in response to that need. Novel ultra–thin silicon detectors with 3D electrodes adapted for neutron detection have been fabricated and optimized for such purpose. The active volume of these sensors is only 10 μm thick, allowing a high gamma rejection, which is necessary to discriminate the neutron signal in the radiotherapy peripheral radiation field with a high gamma background. These neutron detectors are not only a promising solution to estimate patient risk since they may provide medical staff a fast feedback for optimal treatment planning, but expand the functional applications of current neutron detectors for other environments with mixed gamma–neutron radiation fields such as nuclear and aerospace environments or microdosimetry. Moreover, the intrinsic features of the silicon devices like robustness, small size, consumption and weight, make them ideal for portable systems. The research presented in this work describes first the Monte Carlo simulations to optimize the design of the prototypes, secondly the fabrication processes of the detectors, and third the electrical characterization and calibration with radioactive sources of these sensors. Finally, it is shown the good performance of the novel ultra–thin 3D silicon detectors for neutron detection inside a radiotherapy room.