Estudos para o sistema de rastreamento da experiência NEXT e desenvolvimento de dispositivos médicos usando SiPMs

Doutoramento em FísicaOs recentes desenvolvimentos na área dos fotodetectores de estado sólido, nomeadamente os fotomulplicadores de silício (SiPM), permitiram a proliferação desta tecnologia num vasto número de aplicações em áreas distintas. Estes fotosensores robustos, versáteis e com um preço competitivo, tornaram-se uma das mais promissoras alternativas aos tubos fotomultiplicadores para deteção de baixo nível de luz, especialmente para aplicações onde é necessário um grande número de fotodetectores. Estes fotosensores multi-pixel, são capazes de deteção de fotão único, permitindo obter ao mesmo tempo informação sobre fotão de interação e energia. Os estudos realizados no âmbito deste programa doutoral e reportados neste documento dividem-se em três aplicações principais: colaboração no desenvolvimento do sistema de rastreamento (tracking system) da experiência NEXT na área da física de neutrinos e Neutrinoless Double Beta Decay (0⌫""), que comporta ⇠7.000 SIPMs para identificação da assinatura 0⌫"", um dosímetro para braquiterapia de próstata e um sistema PET didático - easyPET. Foram realizados vários estudos para caracterização da nova geração de SiPMS. Como verificado, estes dispositivos apresentam características melhoradas tais como uma maior eficiência quântica e menor crosstalk, afterpulsing e sensibilidade térmica. Esta nova geração de SiPMs adequa-se aos requisitos para aplicação no tracking system no NEXT. No entanto, uma maior eficiência quântica no ultravioleta de vazio (VUV) é desejável. Foi avaliada a aplicação de SiPMs em sensores de radiação para dosimetria médica. Foi desenvolvido um dosímetro com base em fibra ótica cintilante. O dispositivo foi caracterizado numa larga gama de energia e em regimes de baixa e de alta taxa de dose. O dosímetro foi avaliado em ambiente clínico recriando as condições de braquiterapia HDR, tratamento aplicado no tratamento de cancros da próstata e mama. Conforme verificado, os SiPM apresentam elevada dependência com a temperatura sendo portanto necessárias técnicas de compensação ou de estabilização. O protótipo do easyPET foi implementado com sucesso. A tecnologia foi licenciada e é esperada a sua comercialização até ao fim do ano de 2016. Dos estudos realizados nas várias aplicações, conclui-se que os SiPMs são fotodetectores muito versáteis devido à sua alta sensibilidade, elevado ganho, insensibilidade a campos magnéticos, de rápida resposta e de pequenas dimensões, abrindo a possibilidade de aplicação desta tecnologia em múltiplos campos permitindo uma infinidade de novos conceitos de detectores, tais como na física de alta energia e aplicações de imagiologia biomédica.The recent developments of solid-state photodetectors, namely Silicon Photomultipliers (SiPMs), allowed a proliferation of this technology through numerous applications. These robust and versatile photosensors with an attractive price have become one of most promising alternatives for low light level detection, especially for applications where a large number of devices is required. These multi-pixel photosensors, capable of single photon detection, allow to obtain at the same time information on photon-interaction and energy. The Ph.D studies reported in this document cover three main applications: the NEXT experiment, a Neutrinoless Double Beta Decay (0⌫"" ) experiment using ⇠7000 SiPMs in the tracking system for topological signature identification, a dosimeter for prostate brachytherapy and a simple PET system for education purposes - the easyPET. Several studies were conducted envisaging the characterization of a new generation of SiPMs. As verified, these devices present improved features such as higher quantum

Desenvolvimento de um dosímetro gama para braquiterapia

Mestrado em Materiais e Dispositivos BiomédicosA braquiterapia é um método radioterapêutico minimamente invasivo, onde são implantadas pequenas "sementes radioactivas" (com o tamanho de um grão de arroz) junto ao tumor ou no seu interior, minimizando assim a interação com os tecidos saudáveis adjacentes. Este tipo de intervenção permite reduzir o desconforto e os efeitos colaterais associados a outras técnicas. Usualmente, a dose absorvida é determinada por um dosímetro. Um dosímetro é um dispositivo capaz de fornecer uma leitura correspondente à dose depositada num volume sensível pela radiação ionizante. Os dosímetros mais básicos são detectores a 1D (1 dimensão) frequentemente baseados em propriedades radioluminescentes (RL), luminescência estimulada opticamente (OSL) e termoluminescentes (TLD). Os dosímetros disponíveis comercialmente são geralmente demasiado volumosos e têm propriedades radiológicas distintas dos tecidos biológicos, implicando o recurso a factores de correcção para correspondência da dose na água/tecido. Os trabalhos desenvolvidos visam avaliar a viabilidade das fibras ópticas cintilantes na medição da dose absorvida, em especial em registos de baixa taxa de dose, como é o caso de algumas modalidades em braquiterapia. Para isso, numa situação de baixo nível de luz é necessário um fotodetector de elevado ganho e capacidade de detecção de fotão único. Nesse sentido, pretende-se avaliar os recentes fotomultiplicadores de estado sólido (SiPM), sendo os MPPCs (Multi-Pixel Photon Counter) um destes fotodíodos de avalanche operando em modo Geiger. Foi desenvolvido um protótipo inicial de um dosímetro com características interessantes. São apresentados os resultados preliminares.Brachytherapy is a minimally invasive method for radiation therapy, by which small radioactive "seeds" (by the size of a grain of rice) are deployed near the tumor, minimizing the interaction with surrounding healthy tissues and reducing the intervention discomfort and side effects. Dosimeters are usually used for local absorbed dose determination. Some of the most common dosimeters, such as ionization chambers, silicon diodes, LiF (Thermo Luminiscent Dosimeters), film or diamond dosimeters, are usually bulky and have radiological properties distinct from biological tissues, implying correction factors for measured dose correspondence in water/tissue. Usually, the absorbed dose is determined with an dosimeter, which is a device capable of providing a reading corresponding to the dose deposited in the sensitive volume by ionizing radiation. The dosimeters commercially available are generally too bulky and have different radiological properties of biological tissues, implying the use of correction factors to match the dose in water/ tissue. Current work aimed to evaluate the feasibility of scintillating optical fibers in the measurement of absorbed dose, especially in low dose rates, as is the case in some brachytherapy procedures. To quantify the low light level is required a photodetector with high gain single photon detection capability. Accordingly, were evaluated the latest solid-state photomultiplier (SiPM), as the MPPCs (Multi-Pixel Photon Counter) which are avalanche photodiodes operating in Geiger mode. An initial prototype of a dosimeter was developed showing some interesting features. Preliminary results are presented