IT202100019001A1 - Flash radiation therapy dosimeter - Google Patents

Description

?Dosimetro per radioterapia flash? ?Flash radiation therapy dosimeter?

Campo tecnico dell'invenzione Technical field of the invention

L?invenzione ricade nell'ambito della dosimetria delle particelle cariche e raggi gamma, in particolare la radioterapia a rateo ultra-elevato (flash-radiotherapy) ed i trattamenti di sterilizzazione industriale. Essa propone un dosimetro per particelle cariche e raggi gamma, adatto per fasci sia continui che pulsati, con risposta lineare fra 0.001 MGy/s a 10 MGy/s. The invention falls within the field of dosimetry of charged particles and gamma rays, in particular ultra-high rate radiotherapy (flash-radiotherapy) and industrial sterilization treatments. It proposes a dosimeter for charged particles and gamma rays, suitable for both continuous and pulsed beams, with a linear response between 0.001 MGy/s and 10 MGy/s.

Arte nota Known art

La radioterapia oncologica ha ormai raggiunto livelli di accuratezza elevatissimi per quanto riguarda la conformazione della distribuzione di dose alla forma della lesione, con lo scopo di risparmiare al massimo i tessuti sani. La comune radioterapia ospedaliera con elettroni e fotoni di alta energia (fino a circa 18 MeV) ha percorso grandi passi nelle ultime tre decadi, a partire dalla Radioterapia conformazionale tridimensionale (3-D-CRT) (anni '90), evoluta nella Radioterapia con modulazione di intensit? (IMRT) e nella Tomoterapia. Sono da menzionare le tecniche Image-Guided e Adaptive Radiotherapy, in cui il trattamento si adatta alle variazioni morfologiche (es. riduzione di peso del paziente o graduale riduzione del volume tumorale) e ai movimenti (esempio tipico ? il "Respiratory Gating"). Oncological radiotherapy has now reached very high levels of accuracy as regards the conformation of the dose distribution to the shape of the lesion, with the aim of sparing healthy tissues as much as possible. Common hospital radiotherapy with high-energy electrons and photons (up to about 18 MeV) has made great strides in the last three decades, starting with three-dimensional conformal radiotherapy (3-D-CRT) (1990s), evolved into radiotherapy with intensity modulation? (IMRT) and in Tomotherapy. The Image-Guided and Adaptive Radiotherapy techniques should be mentioned, in which the treatment adapts to morphological variations (e.g. reduction in patient weight or gradual reduction in tumor volume) and movements (typical example is "Respiratory Gating").

L'adroterapia con protoni e ioni carbonio, infine, comporta enormi vantaggi in termini di ricoprimento omogeneo del volume tumorale, con una capacit? di risparmiare i tessuti sani senza precedenti. Lastly, hadrontherapy with protons and carbon ions brings enormous advantages in terms of homogeneous coverage of the tumor volume, with a capacity to save unprecedented healthy tissue.

Ad oggi una frontiera poco esplorata ? quella del frazionamento temporale della dose: la radioterapia convenzionale con elettroni e fotoni, anche nelle moderne versioni ultraconformazionali, si basa sul paradigma del frazionamento della dose: si ritiene cio? che bassi ratei di dose (0.01-0.05 Gy/s) somministrati a 2-3 Gy/seduta per 10-30 sedute, permettono al tessuto sano un adeguato recupero. A little-explored frontier to date? that of the temporal fractionation of the dose: conventional radiotherapy with electrons and photons, even in the modern ultraconformal versions, is based on the paradigm of the fractionation of the dose: what is believed? that low dose rates (0.01-0.05 Gy/s) administered at 2-3 Gy/session for 10-30 sessions, allow the healthy tissue to recover adequately.

Contraddicendo radicalmente questo approccio, uno studio del 2014 (doi: 10.1126/scitranslmed.3008973) ha mostrato in vivo che ratei di dose estremi (> 40 Gy/s), applicati in un'unica seduta da frazioni di secondo, possono risparmiare enormemente i tessuti sani rispetto all'approccio frazionato standard. Altri studi (doi: 10.1016/j.clon.2019.04.001) hanno confermato queste ipotesi in vivo su animali. Radically contradicting this approach, a 2014 study (doi: 10.1126/scitranslmed.3008973) showed in vivo that extreme dose rates (> 40 Gy/s), applied in a single session from fractions of a second, can save enormously healthy tissue versus the standard fractional approach. Other studies (doi: 10.1016/j.clon.2019.04.001) have confirmed these hypotheses in vivo on animals.

La comunit? scientifica e le imprese del settore oncologico si sono subito impegnate nello sviluppo di questa nuova tecnica, chiamata "FLASH therapy". Fino ad ora tali sviluppi si sono concentrati in particolare sull'uso degli elettroni di energia inferiore ai 15 MeV. The community science and companies in the oncological sector immediately engaged in the development of this new technique, called "FLASH therapy". Up to now such developments have focused in particular on the use of electrons of energy below 15 MeV.

I fasci FLASH sono pulsati con impulsi di durata dei microsecondi, frequenze di ripetizione fino a decine di Hertz e dosi per impulso dal Gy alle decine di Gy. All'interno dell'impulso il rateo di dose istantaneo ha valori senza precedenti dell'ordine del MGy/s (Mega Gray per impulso). The FLASH beams are pulsed with pulses lasting microseconds, repetition frequencies up to tens of Hertz and doses per pulse from Gy to tens of Gy. Within the pulse, the instantaneous dose rate has unprecedented values of the order of MGy/s (Mega Gray per pulse).

Queste intensit? comportano enormi sfide per la radiobiologia ma anche per la dosimetria. These intensities? pose enormous challenges for radiobiology but also for dosimetry.

Le caratteristiche di un dosimetro per radioterapia sono: The characteristics of a radiotherapy dosimeter are:

1. essere "puntiforme", cio? avere le minori dimensioni possibile, affinch? la distribuzione energetica e direzionale del campo radiante nel mezzo sia lo stesso in presenza o in assenza di dosimetro. I dosimetri in uso hanno dimensioni tipiche di pochi millimetri; 1. be "punctiform", that is? have the smallest possible dimensions, so that? the energetic and directional distribution of the radiant field in the medium is the same in the presence or absence of a dosimeter. The dosimeters in use have typical dimensions of a few millimetres;

2. risposta indipendente dal rateo di dose (linearit?); 2. response independent of dose rate (linearity);

3. risposta indipendente dalla distribuzione direzionale del fascio (isotropia); 3. response independent of the directional distribution of the beam (isotropy);

4. risposta indipendente dall'energia del fascio (dipendenza energetica). 4. energy-independent response of the beam (energy dependence).

Per la radioterapia convenzionale esistono molteplici modelli commerciali di dosimetri, basati sulle tre tecniche classiche di rivelazione delle radiazioni ionizzanti: camere a ionizzazione (esempio: https://www.sunnuclear.com/products), scintillatori e semiconduttori (esempi https://www.standardimaging.com/products/exradin), tutti disponibili in dimensioni inferiori al centimetro (punto 1). For conventional radiotherapy there are multiple commercial models of dosimeters, based on the three classic techniques for detecting ionizing radiation: ionization chambers (example: https://www.sunnuclear.com/products), scintillators and semiconductors (examples https:// www.standardimaging.com/products/exradin), all available in sub-centimeter sizes (point 1).

Tali sistemi operano linearmente (punto 2.) ai ratei richiesti dalla radioterapia convenzionale (frazioni di Gy/s) ed hanno generalmente risposta isotropica (punto 3.). La risposta energetica (punto 4.) ? normalmente il punto pi? cruciale, in quanto i materiali dosimetrici non sono "equivalenti al tessuto". Gli scintillatori plastici sono i migliori sotto questo punto di vista. These systems operate linearly (point 2.) at the rates required by conventional radiotherapy (fractions of Gy/s) and generally have an isotropic response (point 3.). The energetic response (point 4.) ? normally the point pi? crucial, as dosimetric materials are not "equivalent to tissue". Plastic scintillators are the best in this respect.

Quando il rateo di dose passa dalle frazioni di Gy/s (terapie convenzionali) al MGy/s (radioterapia flash), le tecniche dosimetriche tradizionali falliscono nel pi? basilare ed importante dei requisiti, la linearit?. Infatti, gli enormi ratei modificano pesantemente sia i meccanismi che producono il segnale, sia la struttura interna del rivelatore. In molti casi queste modifiche strutturali e cristalline sono di natura permanente e portano ad un degrado irreversibile del dosimetro. I sistemi tradizionali di dosimetria per elettroni come camere a ionizzazione Markus, diodi, diamanti e scintillatori / fibre scintillanti cessano di essere lineari a dosi per impulso inferiori a 1 Gy/pulse (doi: 10.3389/fphy.2020.570697). When the dose rate passes from fractions of Gy/s (conventional therapies) to MGy/s (flash radiotherapy), traditional dosimetric techniques fail in the shortest possible time. basic and important of the requirements, the linearity?. In fact, the enormous rates heavily modify both the mechanisms that produce the signal and the internal structure of the detector. In many cases these structural and crystalline changes are of a permanent nature and lead to irreversible degradation of the dosimeter. Traditional electron dosimetry systems such as Markus ion chambers, diodes, diamonds and scintillators / scintillating fibers cease to be linear at per-pulse doses below 1 Gy/pulse (doi: 10.3389/fphy.2020.570697).

La presente invenzione offre un dosimetro che consente misure di dose con prestazioni lineari a valori di dose per impulso da frazioni di Gy/pulse fino ad almeno 30 Gy/pulse mantenendo una semplicit? di realizzazione che non necessit? di processi costosi. The present invention offers a dosimeter which allows dose measurements with linear performance at dose values per pulse from fractions of a Gy/pulse up to at least 30 Gy/pulse while maintaining simplicity. of realization that does not need? of expensive processes.

Sommario dell'invenzione Summary of the Invention

L?invenzione consiste in un dosimetro per per particelle cariche e raggi gamma, in grado di operare linearmente quando esposto a fasci sia continui che pulsati, ad intensit? di dose instantanea da 0.001 MGy/s a 10 MGy/s. Il dosimetro trova applicazione nell'ambito della dosimetria delle particelle cariche e raggi gamma, in particolare la radioterapia a rateo ultra-elevato (flashradiotherapy) ed i trattamenti di sterilizzazione industriale. L?invenzione consiste inoltre in un metodo di utilizzo di detto dosimetro. The invention consists of a dosimeter for charged particles and gamma rays, capable of operating linearly when exposed to both continuous and pulsed beams, at intensity? instantaneous dose from 0.001 MGy/s to 10 MGy/s. The dosimeter finds application in the field of dosimetry of charged particles and gamma rays, in particular ultra-high rate radiotherapy (flashradiotherapy) and industrial sterilization treatments. The invention also consists in a method of using said dosimeter.

Breve descrizione delle Figure Brief description of the Figures

La Figura 1 ? una rappresentazione schematica del dosimetro dell?invenzione nella sua forma di realizzazione cilindrica. Figure 1 ? a schematic representation of the dosimeter of the invention in its cylindrical embodiment.

La Figura 2 ? una rappresentazione schematica del dosimetro dell?invenzione nella sua forma di realizzazione sferica. Figure 2 ? a schematic representation of the dosimeter of the invention in its spherical embodiment.

La Figura 3 ? un grafico che mostra la linearit? della risposta del dosimetro, in termini di dose per impulso, durante il suo funzionamento, quando esposto ad un fascio pulsato di elettroni da 9 MeV (unit?: Gy/impulso sia in asse X che in asse Y). Figure 3 ? a graph that shows the linearity? of the response of the dosimeter, in terms of dose per pulse, during its operation, when exposed to a pulsed beam of 9 MeV electrons (unit?: Gy/pulse both in X and Y axis).

Descrizione dettagliata dell?invenzione Detailed description of the invention

Ai fini della presente invenzione valgono le seguenti definizioni: For the purposes of the present invention, the following definitions apply:

Per "dosimetro" si intende un trasduttore in grado di fornire, quando esposto ad un fascio di radiazioni ionizzanti, un segnale elettrico proporzionale alla dose assorbita in un determinato mezzo di interesse, come ad esempio l'acqua. La definizione di dose assorbita ? data nella pubblicazione ICRU Report 85a (2011). By "dosimeter" we mean a transducer capable of supplying, when exposed to a beam of ionizing radiation, an electrical signal proportional to the dose absorbed in a given medium of interest, such as water for example. The definition of absorbed dose? given in ICRU Report 85a (2011).

Per "radioterapia flash" si intende la radioterapia in cui i fasci di radiazioni ionizzanti raggiungono il paziente con ratei di dose superiori a 40 Gy/s. "Flash radiotherapy" refers to radiotherapy in which ionizing radiation beams reach the patient with dose rates greater than 40 Gy/s.

Per "particelle cariche secondare" si intendono particelle cariche diffuse dall?interazione del fascio di radiazione primaria con i materiali componenti il dosimetro. Dette particelle cariche secondarie hanno in generale distribuzione direzionale diversa ed energia inferiore dal fascio di radiazione primaria. In particolare, quando il fascio primario ? composto da elettroni, le particelle cariche secondarie sono prevalentemente elettroni. By "secondary charged particles" we mean charged particles scattered by the interaction of the primary radiation beam with the materials making up the dosimeter. Said secondary charged particles generally have a different directional distribution and lower energy than the primary radiation beam. In particular, when the primary beam ? composed of electrons, secondary charged particles are predominantly electrons.

Per "spessore massico (misurato in g?cm<-2>)" di uno strato di materiale si intende il prodotto dello spessore (in cm) e della densit? (in g?cm<-3>). For "mass thickness (measured in g?cm<-2>)" of a layer of material is meant the product of the thickness (in cm) and the density? (in g?cm<-3>).

Per "range" delle particelle cariche ionizzanti (come gli elettroni, i protoni o gli ioni carbonio) si intende la distanza che dette particelle cariche possono attraversare in un certo materiale prima di venire assorbite dal materiale stesso. By "range" of ionizing charged particles (such as electrons, protons or carbon ions) we mean the distance that these charged particles can cross in a certain material before being absorbed by the material itself.

Per "corrente di buio" di un dosimetro si intende la corrente da esso prodotta quando non esposto a radiazioni. The "dark current" of a dosimeter is the current it produces when not exposed to radiation.

"MeV" o Megaelectronvolt ? usato in questo testo per quantificare l'energia cinetica delle particelle elementari. "MeV" or Megaelectronvolt? used in this text to quantify the kinetic energy of elementary particles.

"MeV/u" o Megaelectronvolt per unit? di massa atomica ? usato in questo testo per quantificare l'energia cinetica delle particelle elementari divisa per la loro massa misurata in unit? di massa atomiche. "MeV/u" or Megaelectronvolt per unit? of atomic mass? used in this text to quantify the kinetic energy of elementary particles divided by their mass measured in units? of atomic mass.

Il dosimetro secondo la presente invenzione comprende un sensore ed un sistema di lettura. Il sistema di lettura pu? essere un comune nano-amperometro eventualmente accoppiato ad un digitalizzatore. The dosimeter according to the present invention comprises a sensor and a reading system. The reading system can be a common nano-ammeter possibly coupled to a digitizer.

Il sensore assume la forma tipica di Figura 1 o Figura 2. The sensor takes the typical form of Figure 1 or Figure 2.

Per una migliore comprensione del funzionamento, si pensi che il dosimetro ? formato da un anodo ed un catodo metalllici separati da un sottile strato di materiale isolante e resistente alle radiazioni, detto strato isolante essendo di spessore inferiore al range delle particelle cariche secondarie, ma sufficientemente spesso da garantire isolamento elettrico e da limitare la corrente di buio a valori trascurabili rispetto ai valori attesi in presenza del campo radiante. For a better understanding of how it works, consider that the dosimeter ? formed by a metal anode and a cathode separated by a thin layer of insulating and radiation-resistant material, said insulating layer having a thickness lower than the range of secondary charged particles, but sufficiently thick to ensure electrical insulation and to limit the dark current to negligible values compared to the expected values in the presence of the radiant field.

L?anodo 1 ? un corpo metallico avente massa molto superiore a quella del catodo 3 e preferibilmente numero atomico superiore a quello del catodo 3. Il catodo 3 ? tipicamente un sottilissimo rivestimento metallico posto esternamente allo strato di materiale isolante 2 con l'unico scopo di raccogliere la carica proveniente dall'anodo. The anode 1 ? a metallic body having a mass much greater than that of the cathode 3 and preferably an atomic number greater than that of the cathode 3. The cathode 3 ? typically a very thin metallic coating placed externally to the layer of insulating material 2 with the sole purpose of collecting the charge coming from the anode.

Si immagini un irraggiamento radioterapico con fasci di elettroni fra 6 e 15 MeV: interagendo con il materiale del dosimetro, il fascio di elettroni verr? diffuso, cio? perturbato nella distribuzione energetica e nella direzione di propagazione. Sia l'anodo che il catodo agiranno come centri di diffusione per gli elettroni. Imagine a radiation therapy with electron beams between 6 and 15 MeV: interacting with the material of the dosimeter, the electron beam will be? widespread, that is? perturbed in the energy distribution and in the direction of propagation. Both the anode and the cathode will act as scattering centers for the electrons.

Vi saranno in media, ogni secondo, un certo numero di elettroni diffusi dall'anodo 1 che attraversano il materiale isolante 2 dall?interno verso l?esterno e raggiungono il catodo 3, ed un certo numero di elettroni diffusi dal catodo 3 che attraversano l'isolante 2 e raggiungono l'anodo 1. La differenza fra i due flussi di elettroni secondari equivale alla corrente prodotta dal rivelatore (segnale utile) ed ? registrata dal nano-amperometro. Se i due flussi fossero identici il segnale elettrico sarebbe nullo. Ma nel caso del dosimetro dell?invenzione, l'anodo 1 ha massa molto superiore a quella del catodo 3 e numero atomico superiore a quello del catodo 3. Quindi, quando esposto ad un campo di elettroni di energia tale che gli elettroni secondari possano attraversare lo spessore dell'isolante 2, lo sbilanciamento di carica produce un segnale elettrico. Tale segnale, raccolto con un cavo coassiale 5 come in Fig.1, ? di polarit? positiva. There will be on average, every second, a certain number of electrons scattered by the anode 1 which cross the insulating material 2 from the inside outwards and reach the cathode 3, and a certain number of electrons scattered by the cathode 3 which cross the 'insulator 2 and reach the anode 1. The difference between the two flows of secondary electrons is equivalent to the current produced by the detector (useful signal) and ? recorded by the nano-ammeter. If the two flows were identical, the electrical signal would be zero. But in the case of the dosimeter of the invention, the anode 1 has a mass much higher than that of the cathode 3 and an atomic number higher than that of the cathode 3. Therefore, when exposed to an electron field of such energy that the secondary electrons can cross the thickness of the insulator 2, the charge imbalance produces an electrical signal. This signal, collected with a coaxial cable 5 as in Fig.1, is of polarity? positive.

L'anodo 1 pu? essere realizzato in un qualsiasi metallo, preferibilmente ad elevato numero atomico, in modo da massimizzare il numero di particelle cariche secondarie da esso prodotte durante il funzionamento. A tale scopo sono adatti tungsteno, renio, rodio, molibdeno, piombo, bismuto ed Oro, The anode 1 pu? be made of any metal, preferably with a high atomic number, so as to maximize the number of secondary charged particles produced by it during operation. For this purpose tungsten, rhenium, rhodium, molybdenum, lead, bismuth and gold are suitable,

In una realizzazione preferita, il catodo 3 ? costituito da un sottilissimo rivestimento in un metallo conduttivo a basso numero atomico, come l'alluminio, per minimizzare il numero di particelle cariche secondarie da esso prodotte durante il funzionamento. In a preferred embodiment, the cathode 3 ? consists of a very thin coating in a conductive metal with a low atomic number, such as aluminum, to minimize the number of secondary charged particles it produces during operation.

Mentre l'anodo 1 assume preferibilmente la forma di un solido compatto, il catodo 3 assume preferibilmente la forma di un rivestimento sottile che sia distribuito in modo spazialmente uniforme attorno all'anodo 1, ed abbia massa molto inferiore a quella dell'anodo 1. While the anode 1 preferably takes the form of a compact solid, the cathode 3 preferably takes the form of a thin coating which is spatially uniformly distributed around the anode 1, and has a much lower mass than that of the anode 1.

La combinazione delle caratteristiche sopra descritte relativamente al catodo 3 e all?anodo 1 consente di ottenere un dosimetro per radioterapia flash che superi i problemi riscontrati con i dispositivi dello stato dell?arte.In una realizzazione preferita dell?invenzione, l?anodo 3 ha una forma sostanzialmente sferica per offire risposta isotropica, come richiesto nelle citate "caratteristiche di un dosimetro per radioterapia" (caratteristica numero 3). The combination of the characteristics described above in relation to the cathode 3 and the anode 1 allows to obtain a dosimeter for flash radiotherapy which overcomes the problems encountered with devices of the state of the art. In a preferred embodiment of the invention, the anode 3 has a substantially spherical shape to offer an isotropic response, as required in the aforementioned "characteristics of a radiotherapy dosimeter" (characteristic number 3).

Il diametro varia da 1 mm ad 1 cm, per essere dimensionalmente compatibile con le citate "caratteristiche di un dosimetro per radioterapia" (caratteristica numero 1). The diameter varies from 1 mm to 1 cm, to be dimensionally compatible with the aforementioned "characteristics of a radiotherapy dosimeter" (characteristic number 1).

In una variante, la forma dell?anodo 3 ? cilindrica di diametro e lunghezza comprese fra 1 mm e 1 cm, per essere dimensionalmente compatibile con le citate "caratteristiche di un dosimetro per radioterapia" (caratteristica numero 1). In a variant, the shape of the anode 3 ? cylindrical with a diameter and length between 1 mm and 1 cm, to be dimensionally compatible with the aforementioned "characteristics of a radiotherapy dosimeter" (characteristic number 1).

La versione sferica offre il notevole vantaggio di fornire una risposta isotropica, cio? indipendente dalla direzione di incidenza della radiazione primaria. The spherical version offers the notable advantage of providing an isotropic response, ie? independent of the direction of incidence of the primary radiation.

E' inoltre fondamentale che l'ingombro del dosimetro sia inferiore al centimetro, per essere dimensionalmente compatibile con le citate "caratteristiche di un dosimetro per radioterapia" (caratteristica numero 1). It is also essential that the size of the dosimeter is less than one centimetre, in order to be dimensionally compatible with the aforementioned "characteristics of a radiotherapy dosimeter" (characteristic number 1).

Un dosimetro con ingombro significativamente superiore, come ad esempio un cilindro di diametro 5 mm e lunghezza 30 mm, non sarebbe idoneo ad operare come dosimetro in radioterapia, in quanto perturberebbe troppo il campo radiante. A dosimeter with significantly larger dimensions, such as for example a cylinder with a diameter of 5 mm and a length of 30 mm, would not be suitable for operating as a dosimeter in radiotherapy, as it would disturb the radiant field too much.

L'isolante 2 deve avere le seguenti caratteristiche: Insulator 2 must have the following characteristics:

- spessore calcolato in base allo spettro degli elettroni secondari: per elettroni da 7-9 MeV sono adeguati spessori massici da 0.001 a 0.5 g cm<-2>- thickness calculated on the basis of the secondary electron spectrum: for 7-9 MeV electrons, mass thicknesses from 0.001 to 0.5 g cm<-2> are adequate

- resistente all'irraggiamento fino a diverse centinaia di kGy, come, a titolo di esempio, i vetri resistenti alle radiazioni (www.schott.com), le ceramiche in carburo di silicio o le plastiche resistenti alla rediazioni come il polietere etere chetone (PEEK) o la poliimmide. - resistant to radiation up to several hundred kGy, such as, for example, radiation-resistant glasses (www.schott.com), silicon carbide ceramics or redaction-resistant plastics such as polyether ether ketone ( PEEK) or polyimide.

La dosimetria in radioterapia ? necessaria nelle seguenti fasi: Dosimetry in radiotherapy? needed in the following steps:

- misura delle distribuzioni di dose in fantocci ad acqua, in sede di installazione dei macchinari e prove di accettazione - measurement of dose distributions in water phantoms, during the installation of machinery and acceptance tests

- misura routinarie per determinare le dosi di riferimento, verificare la ripetibilit? del fascio e la correttezza dei TPS (treatment planning systems) - routine measurement to determine the reference doses, verify the repeatability? of the beam and the correctness of the TPS (treatment planning systems)

- verifiche "in vivo", ove il dosimetro viene esposto sul paziente per verificare le dosi di "ingresso" e "uscita" e compararle con quelle simulate dal TPS. - "in vivo" checks, where the dosimeter is displayed on the patient to check the "entrance" and "exit" doses and compare them with those simulated by the TPS.

Il dosimetro della presente invenzione comprende quindi: The dosimeter of the present invention therefore comprises:

- Un anodo 1 costituito da un corpo metallico attorno al quale ? posto uno strato di materiale isolante 2, detto isolante 2 atto ad isolare elettricamente pur consentendo il passaggio delle particelle cariche secondarie generate nell'anodo 1 al passaggio della radiazione incidente; - Un catodo 3 in forma di rivestimento metallico di detto strato di materiale isolante 2, detto catodo 3 avente massa molto inferiore a quella dell'anodo 1; - An anode 1 made up of a metal body around which ? a layer of insulating material 2 has been placed, said insulator 2 able to insulate electrically while allowing the passage of the secondary charged particles generated in the anode 1 as the incident radiation passes; - A cathode 3 in the form of a metallic coating of said layer of insulating material 2, said cathode 3 having a much lower mass than that of the anode 1;

- Un cavo coassiale 5 comprendente un elemento conduttore centrale interno collegato all'anodo 1 e un elemento conduttore esterno collegato con il catodo 3, detto cavo coassiale essendo atto a trasportare la corrente prodotta dal dosimetro fino ad un sistema di lettura. - A coaxial cable 5 comprising an internal central conducting element connected to the anode 1 and an external conducting element connected to the cathode 3, said coaxial cable being capable of carrying the current produced by the dosimeter up to a reading system.

In una variante l?invenzione comprende inoltre un secondo strato di materiale isolante 4 posto esternamente al catodo 3. La funzione di detto secondo strato 4 ? quella di garantire la maneggevolezza del dosimetro stesso e di non contaminare o rovinare il catodo 3. In a variant, the invention also comprises a second layer of insulating material 4 placed externally to the cathode 3. The function of said second layer 4 is? that of guaranteeing the manageability of the dosimeter itself and not to contaminate or damage the cathode 3.

Come sopra accennato, l?anodo 1 ? costituito da un corpo metallico la cui forma pu? essere qualsiasi, preferibilmente sferica o cilindrica. Nel caso della geometria sferica il diametro dell'anodo pu? variare da 1 a 10 mm. Nel caso della geometria cilindrica il diametro e la lunghezza possono variare fra 1 e 10 mm. As mentioned above, the?anode 1 ? consists of a metal body whose shape can? be any, preferably spherical or cylindrical. In the case of the spherical geometry, the diameter of the anode pu? vary from 1 to 10 mm. In the case of cylindrical geometry the diameter and length can vary between 1 and 10 mm.

Generalmente, l?anodo 1 ? costituito da un corpo solido pieno in quanto garantisce una prestazione pi? efficiente rispetto ad un corpo cavo che per? potrebbe comunque soddisfare i requisiti di funzionamento prefissati. Generally, the? anode 1 ? consists of a full solid body as it guarantees a more? efficient compared to a hollow body that for? could still meet the pre-set operating requirements.

Lo strato di materiale isolante 2 ? sufficientemente spesso da garantire l'isolamento di natura elettrica e limitare la corrente di buio, ma allo stesso tempo sufficientemente sottile da permettere l?attraversamento dello strato stesso da parte delle particelle cariche secondarie. Se si considerano ad esempio elettroni da 7 MeV, il range di tali elettroni in vetro ? circa 4 g cm<-2>. Pertanto, lo strato di materiale isolante 2 potrebbe variare fra 0.001 g cm<-2 >e 0.5 g cm<-2>. Spessori inferiori a 0.001 g cm<-2 >non garantirebbero un buon isolamento elettrico ed aumenterebbero troppo la corrente di buio. Spessori superiori a 0.5 g cm<-2 >degraderebbero troppo il campo di elettroni secondari rendendo troppo piccola, quindi non misurabile, la corrente del dosimetro. The layer of insulating material 2 ? thick enough to ensure electrical insulation and limit the dark current, but at the same time thin enough to allow secondary charged particles to pass through the layer itself. For example, if we consider 7 MeV electrons, the range of these electrons in glass ? about 4 gcm<-2>. Therefore, the layer of insulating material 2 could vary between 0.001 g cm<-2> and 0.5 g cm<-2>. Thicknesses lower than 0.001 g cm<-2 >would not guarantee good electrical insulation and would increase the dark current too much. Thicknesses greater than 0.5 g cm<-2 > would degrade the secondary electron field too much, making the dosimeter current too small, therefore unmeasurable.

Il catodo 3 ? costituito da uno strato metallico posto esteriormente all?isolante 2. In una realizzazione dell?invenzione, il catodo 3 ? realizzato mediante una deposizione micrometrica di oro, argento, uno spray conduttivo al rame o un film micrometrico di alluminio, risultando quindi in un rivestimento metallico di spessore compreso tra 0.01 e 50 micrometri. In altre parole, il catodo 3 consiste in un rivestimento metallico di spessore compreso tra 0.01 e 50 micrometri. The cathode 3 ? constituted by a metal layer placed externally to the insulator 2. In an embodiment of the invention, the cathode 3 is made by a micrometric deposition of gold, silver, a conductive copper spray or a micrometric film of aluminum, thus resulting in a metallic coating between 0.01 and 50 micrometers thick. In other words, the cathode 3 consists of a metallic coating with a thickness of between 0.01 and 50 micrometres.

Non ? necessario che anodo 1 e catodo 3 siano realizzati con lo stesso materiale metallico. E' per? raccomandabile che l'anodo 1 abbia massa molto superiore al catodo 3 e sia realizzato in un materiale con numero atomico superiore a quello del catodo 3, per enfatizzare la differenza fra i rispettivi flussi di particelle cariche secondarie. Un esempio pratico ? un anodo in tungsteno ed un catodo in alluminio, con l'anodo avente massa molto superiore a quella del catodo. Not ? anode 1 and cathode 3 must be made of the same metallic material. And for? it is recommended that the anode 1 have a much higher mass than the cathode 3 and be made of a material with an atomic number higher than that of the cathode 3, to emphasize the difference between the respective fluxes of secondary charged particles. A practical example? a tungsten anode and an aluminum cathode, with the anode having a much higher mass than the cathode.

Sia in presenza di un secondo strato di materiale isolante 4 che in sua assenza, l?invenzione prevede un cavo coassiale 5 il cui conduttore centrale interno sia collegato all'anodo 1 e il cui conduttore esterno sia collegato con il catodo 3, detto cavo coassiale ? atto a trasportare la corrente prodotta dal dosimetro fino al sistema di lettura del segnale 6 in cui detta corrente viene misurata. Both in the presence of a second layer of insulating material 4 and in its absence, the invention provides a coaxial cable 5 whose internal central conductor is connected to the anode 1 and whose external conductor is connected to the cathode 3, called coaxial cable ? adapted to transport the current produced by the dosimeter up to the signal reading system 6 in which said current is measured.

Il sistema di lettura 6 pu? essere realizzato mediante sistemi commerciali come, ad esempio, un nano-amperometro 7 eventualmente accoppiato ad un digitalizzatore 8. The reading system 6 pu? be realized using commercial systems such as, for example, a nano-ammeter 7 possibly coupled to a digitizer 8.

Il dosimetro pu? essere fornito separatamente dal sistema di lettura, come sensore a s? stante, o combinato con il sistema di lettura a formare un prodotto pronto all?uso. The dosimeter can be supplied separately from the reading system, as a sensor to s? standalone, or combined with the reading system to form a ready-to-use product.

Ad ogni modo, per poter essere utilizzato, il complesso formato dal dosimetro e dal sistema di lettura deve essere tarato presso un idoneo centro di taratura, cio? esposto a fasci di particelle cariche o raggi gamma che siano molto ben conosciuti a priori in termini di energia, struttura temporale, dose e rateo di dose, e la lettura del dosimetro deve essere messa in relazione alla dose fornita durante questo processo. Il risultato della taratura ? un coefficiente di taratura che fornisce il valore di dose per unit? di lettura del dosimetro, al variare dell'energia del fascio particelle cariche o raggi gamma (curva di taratura). In any case, in order to be used, the complex formed by the dosimeter and the reading system must be calibrated at a suitable calibration centre, ie? exposed to charged particle beams or gamma rays which are very well known a priori in terms of energy, time frame, dose and dose rate, and the dosimeter reading must be related to the dose delivered during this process. The result of the calibration? a calibration coefficient that provides the dose value per unit? reading of the dosimeter, as the energy of the charged particle or gamma ray beam varies (calibration curve).

Tipicamente, il metodo di utilizzo del dosimetro secondo la presente invenzione comprende le seguenti fasi principali: Typically, the method of using the dosimeter according to the present invention comprises the following main steps:

a. Disporre del dosimetro secondo la presente invenzione e connettere il cavo coassiale 5 con un sistema di lettura del segnale generato; to. Arranging the dosimeter according to the present invention and connecting the coaxial cable 5 with a reading system for the generated signal;

b. Sottoporre il dosimetro ad irraggiamento di taratura con una pluralit? di fasci di particelle cariche o raggi gamma di cui sono noti a priori energia, distribuzione angolare, struttura temporale, dose e rateo di dose; b. Subject the dosimeter to calibration radiation with a plurality? of beams of charged particles or gamma rays whose energy, angular distribution, temporal structure, dose and dose rate are known a priori;

c. Ottenere curve di taratura proprie del dosimetro in uso sulla base di informazioni e dati raccolti al passaggio b, dette curve includendo la dipendenza del coefficiente di taratura dall'energia, dall'angolo di incidenza delle particelle cariche o raggi gamma, e dal rateo di dose; c. Obtain calibration curves specific to the dosimeter in use on the basis of information and data collected in step b, said curves including the dependence of the calibration coefficient on energy, on the angle of incidence of charged particles or gamma rays, and on the dose rate ;

d. Sottoporre il dosimetro ad irraggiamento con fascio di particelle cariche o raggi gamma, con una determinata energia e registrare, mediante il sistema di lettura 6, il segnale generato dal dosimetro in un certo intervallo di tempo; d. Subjecting the dosimeter to irradiation with a beam of charged particles or gamma rays, with a determined energy and recording, by means of the reading system 6, the signal generated by the dosimeter in a certain time interval;

e. Ottenere il valore di dose misurata nell?intervallo di tempo di cui al passaggio precedente facendo uso delle curve di taratura ottenute al passaggio c. And. Obtain the dose value measured in the time interval referred to in the previous step using the calibration curves obtained in step c.

Il funzionamento del dosimetro secondo la presente invenzione consente di effettuare misure di dose durante irraggiamenti con particelle cariche o radiazione gamma. The operation of the dosimeter according to the present invention allows to carry out dose measurements during irradiations with charged particles or gamma radiation.

Nello specifico, ? possibile utilizzare elettroni nell?intervallo di energia da 0.5 MeV a 50 MeV; raggi gamma nell?intervallo di energia da 0.5 MeV a 50 MeV; ioni carbonio nell?intervallo di energia da 10 a 500 MeV/u ; protoni nell?intervallo di energia da 10 MeV a 250 MeV. In particular, ? it is possible to use electrons in the energy range from 0.5 MeV to 50 MeV; gamma rays in the energy range from 0.5 MeV to 50 MeV; carbon ions in the energy range from 10 to 500 MeV/u ; protons in the energy range from 10 MeV to 250 MeV.

Esempi Examples

Il funzionamento del dosimetro ? dimostrato dal grafico di linearit? di Figura 3, ottenuto irraggiando un dosimetro secondo la presente invenzione con un fascio di elettroni da 9 MeV e impulsi di durata pari a 4 microsecondi ciascuno. In ordinata ? mostrata la dose misurata per impulso espressa in Gy/impulso (anche nota come UCD measured dose per pulse); mentre in ascisse ? mostrata la dose per impulso somministrata, sempre espressa in Gy/impulso) Il sistema di lettura impiegato si compone di un nano-amperometro campionato con un digitalizzatore commerciale da 2 MSamples/s. How does the dosimeter work? demonstrated by the graph of linearity? of Figure 3, obtained by irradiating a dosimeter according to the present invention with a beam of 9 MeV electrons and pulses of duration equal to 4 microseconds each. In order? measured dose per pulse shown in Gy/pulse (also known as UCD measured dose per pulse); while in abscissa ? the dose per pulse administered is shown, always expressed in Gy/pulse) The reading system used consists of a nano-ammeter sampled with a commercial digitizer of 2 MSamples/s.

Le misure riportate in Figura 3 sono state eseguite nell?intervallo 0.8-30 Gy/pulse e mostrano una linearit? perfetta, nettamente superiore ai sistemi citati come facenti parte dello stato dell?arte. The measurements shown in Figure 3 were performed in the range of 0.8-30 Gy/pulse and show linearity? perfect, clearly superior to the systems cited as being part of the state of the art.

Claims (10)

RIVENDICAZIONI 1. Dosimetro per particelle cariche e raggi gamma comprendente:1. Charged particle and gamma ray dosimeter including: - Un anodo (1) costituito da un corpo metallico attorno al quale ? posto uno strato di materiale isolante (2), detto isolante (2) atto ad isolare elettricamente e limitare la corrente di buio, pur consentendo il passaggio delle particelle cariche secondarie generate nell'anodo (1) al passaggio della radiazione incidente;- An anode (1) made up of a metal body around which ? a layer of insulating material (2) has been placed, said insulator (2) suitable for electrically insulating and limiting the dark current, while allowing the passage of the secondary charged particles generated in the anode (1) as the incident radiation passes; - Un catodo (3) in forma di rivestimento metallico di detto strato di materiale isolante (2), detto catodo (3) avente massa molto inferiore a quella dell'anodo (1);- A cathode (3) in the form of a metallic coating of said layer of insulating material (2), said cathode (3) having a much lower mass than that of the anode (1); - Un cavo coassiale (5) comprendente un elemento conduttore centrale interno collegato all'anodo (1) e un elemento conduttore esterno collegato con il catodo (3), detto cavo coassiale essendo atto a trasportare la corrente prodotta dal dosimetro fino ad un sistema di lettura.- A coaxial cable (5) comprising an internal central conducting element connected to the anode (1) and an external conducting element connected to the cathode (3), said coaxial cable being capable of carrying the current produced by the dosimeter up to a system of reading. 2. Dosimetro secondo la rivendicazione precedente, ulteriormente comprendente un secondo strato di materiale isolante (4) posto esternamente al catodo (3).2. Dosimeter according to the preceding claim, further comprising a second layer of insulating material (4) placed externally to the cathode (3). 3. Dosimetro secondo una delle rivendicazioni precedenti, in cui l?anodo (1) ? costituito da un corpo metallico di forma cilindrica.3. Dosimeter according to one of the preceding claims, wherein the anode (1) is? consisting of a cylindrical metal body. 4. Dosimetro secondo una delle rivendicazioni 1 o 2, in cui l?anodo (1) ? costituito da un corpo metallico di forma sferica.4. Dosimeter according to one of claims 1 or 2, wherein the anode (1) is? consisting of a spherical metal body. 5. Dosimetro secondo una delle rivendicazioni precedenti, in cui l?anodo (1) ? costituito da un corpo solido pieno.5. Dosimeter according to one of the preceding claims, wherein the anode (1) is? consisting of a full solid body. 6. Dosimetro secondo una delle rivendicazioni precedenti, in cui l?anodo (1) ? caratterizzato da dimensioni principali comprese tra 1 mm e 10 mm.6. Dosimeter according to one of the preceding claims, wherein the anode (1) is? characterized by principal dimensions ranging from 1 mm to 10 mm. 7. Dosimetro secondo una delle rivendicazioni precedenti, in cui lo spessore massico dello strato isolante (2) ? compreso tra 0.001 g cm<-2 >e 0.5 g cm<-2>.7. Dosimeter according to one of the preceding claims, wherein the mass thickness of the insulating layer (2) is? between 0.001 g cm<-2 > and 0.5 g cm<-2>. 8. Dosimetro secondo una delle rivendicazioni precedenti, in cui il catodo (3) ? costituito da uno strato metallico posto esteriormente all?isolante (2).8. Dosimeter according to one of the preceding claims, wherein the cathode (3) is? consisting of a metal layer placed on the outside of the insulation (2). 9. Dosimetro secondo la rivendicazione precedente, in cui il catodo (3) ? un rivestimento metallico di spessore compreso tra 0.01 e 50 micrometri.9. Dosimeter according to the preceding claim, wherein the cathode (3) is a metallic coating between 0.01 and 50 micrometers thick. 10. Metodo di utilizzo del dosimetro secondo la presente invenzione comprendente le seguenti fasi principali:10. Method of using the dosimeter according to the present invention comprising the following main steps: a. Disporre del dosimetro secondo la presente invenzione e connettere il cavo coassiale 5 con un sistema di lettura del segnale generato;to. Arranging the dosimeter according to the present invention and connecting the coaxial cable 5 with a reading system for the generated signal; b. Sottoporre il dosimetro ad irraggiamento di taratura con una pluralit? di fasci di particelle cariche o raggi gamma di cui sono noti a priori energia, distribuzione angolare, struttura temporale, dose e rateo di dose;b. Subject the dosimeter to calibration radiation with a plurality? of beams of charged particles or gamma rays whose energy, angular distribution, temporal structure, dose and dose rate are known a priori; c. Ottenere curve di taratura proprie del dosimetro in uso sulla base di informazioni e dati raccolti al passaggio b, dette curve includendo la dipendenza del coefficiente di taratura dall'energia, dall'angolo di incidenza e dal rateo di dose;c. Obtain calibration curves specific to the dosimeter in use on the basis of information and data collected in step b, said curves including the dependence of the calibration coefficient on energy, angle of incidence and dose rate; d. Sottoporre il dosimetro ad irraggiamento con fascio di particelle cariche o raggi gamma con una determinata energia e registrare, mediante il sistema di lettura 6, il segnale generato dal dosimetro in un certo intervallo di tempo;d. Subjecting the dosimeter to irradiation with a beam of charged particles or gamma rays with a determined energy and recording, by means of the reading system 6, the signal generated by the dosimeter in a certain time interval; e. Ottenere il valore di dose misurata nell?intervallo di tempo di cui al passaggio precedente facendo uso delle curve di taratura ottenute al passaggio c. And. Obtain the dose value measured in the time interval referred to in the previous step using the calibration curves obtained in step c.