IT202100019211A1 - Elettrodo sensore per rivelatori a ionizzazione e rivelatore a ionizzazione che lo incorpora - Google Patents

Description

Elettrodo sensore per rivelatori a ionizzazione e rivelatore a ionizzazione che lo incorpora

Descrizione

La presente invenzione ha come oggetto un elettrodo sensore, del tipo impiegabile in un rivelatore di ionizzazione, in particolare per la misura di fasci di adroni impiegati in adroterapia. L?invenzione si riferisce altres? a un rivelatore di ionizzazione che incorpora tale elettrodo sensore.

L?adroterapia o terapia adronica ? una forma di radioterapia a fasci esterni che utilizza fasci di protoni, neutroni o ioni positivi per il trattamento di tumori. La terapia pi? comune ? quella che utilizza protoni energetici, detta quindi proton-terapia.

La terapia adronica funziona quindi indirizzando, in un sito operatorio che contiene una neoplasia tumorale, particelle ionizzanti che danneggiano il DNA delle cellule dei tessuti, provocando la loro morte. A causa della loro ridotta capacit? di riparare il DNA danneggiato le cellule cancerose sono particolarmente vulnerabili a questi attacchi.

I fasci di elettroni, raggi X a energia differente e adroni, come i protoni, penetrano nel tessuto umano in modo differente. Il percorso compiuto dagli elettroni ? molto breve, e quindi essi sono utili solo in zone prossime alla pelle, mentre i raggi X penetrano pi? profondamente, ma la dose assorbita dal tessuto ha un decadimento esponenziale tipico con spessore crescente.

Per gli adroni, ovvero i protoni e gli ioni pi? pesanti, invece, la dose aumenta con l'aumentare dello spessore fino al cosiddetto picco di Bragg, che avviene poco prima del termine del tragitto. Superato tale picco la dose scende a zero (nel caso dei protoni) o quasi a zero (nel caso degli ioni pesanti, soggetti a frammentazione), con il vantaggio di un minor deposito di energia nel tessuto sano circostante a quello bersagliato, risparmiandolo da inutili danni.

In adroterapia vengono utilizzati protoni e ioni leggeri (tipicamente Carbonio ma anche Elio, Carbonio, Ossigeno, Neon). L?utilizzo di ioni carichi accelerati consente un trattamento pi? conforme al bersaglio tumorale che si vuole raggiungere, risparmiando cos? i tessuti sani meglio di quanto non sia possibile ottenere con le radiazioni convenzionali attualmente usate in radioterapia.

In particolare, protoni e ioni carbonio sono indicati per i tumori che siano vicini ad organi critici che devono essere preservati dalle radiazioni.

Protoni e ioni, essendo particelle pesanti ed elettricamente cariche, penetrano nella materia rallentando, ma non deviando significativamente dalla direzione iniziale, e presentano un picco di dose stretto e alto (picco di Bragg) alla fine del loro percorso che si pu? conoscere a priori e che dipende dall?energia associata alle particelle, e ci? rende estremamente importante conoscere questa informazione sia in una fase di taratura dello strumento terapico, sia nella fase terapeutica vera e propria.

In generale, un rivelatore a ionizzazione ? un dispositivo che misura la carica elettrica prodotta in un gas da un fascio di radiazioni elettromagnetiche e/o particelle in un contenitore, o camera, riempita da un gas che viene ionizzato dal fascio e che produce un numero di coppie di ioni. Il rilascio di energia della particella carica alle molecole di gas ? dovuto principalmente a due tipi di reazione: eccitazione e ionizzazione diretta.

Il contenitore comprende due elettrodi, di cui uno potrebbe essere il contenitore stesso secondo la geometria prescelta, e una tensione viene applicata tra essi, determinando cos? un campo elettrico.

Il funzionamento dei rivelatori a ionizzazione ? quindi basato sulla raccolta diretta degli ioni generati. Quando una particella carica attraversa un mezzo gassoso, interagisce con le molecole di gas causando ionizzazione primaria ed eccitazione delle molecole che si trovano lungo la traccia della particella. Se l?energia rilasciata dalla particella ? maggiore del potenziale di ionizzazione del gas attraversato, si forma una coppia di cariche che iniziano a muoversi in direzione opposta per effetto del campo elettrico presente nel rivelatore. Ci? che viene prodotto dal dispositivo ? un segnale elettrico che pu? essere letto da un?apposita elettronica di acquisizione (front-end), bench? esso sia solitamente di intensit? molto ridotta. Si intende che il campo elettrico deve essere sufficientemente intenso da consentire al dispositivo di funzionare continuamente assorbendo tutte le coppie ioniche, ovvero impedendo la ricombinazione delle coppie ioniche che diminuirebbe la corrente ionica.

Poich? il numero di coppie di ioni prodotte ? proporzionale all'energia della radiazione incidente, questa corrente misurata in modo continuo ? proporzionale all?energia depositata per unit? di tempo nella camera di ionizzazione, ed ? indicativa dell?intensit? del fascio.

In adroterapia, l?evoluzione clinica si sta focalizzando verso cicli terapeutici caratterizzati da trattamenti in poche sedute e di breve durata, erogando al sito tumorale una dose maggiore nell?unit? di tempo. Questa evoluzione prevede l?impiego di fasci impulsati ad alta intensit? erogati per mezzo di acceleratori lineari o sincrotroni compatti basati su tecnologia a superconduttore. Allo stesso tempo i rivelatori di particelle devono essere modificati per fare fronte a questa evoluzione della tecnica: in particolare ? essenziale, soprattutto nel caso di fasci molto intensi e/o molto impulsati, la capacit? del rivelatore di intercettare in tempo reale e/o con elevata risoluzione spaziale qualsiasi scostamento inatteso delle caratteristiche del fascio terapeutico.

In conclusione, sia per attivit? di controllo di qualit?, sia per monitorare il fascio durante la sua applicazione terapeutica, ? necessario impiegare un rivelatore di particelle per adroterapia, con risoluzione spaziale tipicamente pari a 1 mm nelle coordinate X e Y, discriminando dal rumore elettronico segnali, possibilmente su un range dinamico dell?ordine di 10<4>.

Il rivelatore ? del tipo comprendente una camera a ionizzazione a gas, con una geometria a facce piane e parallele, essendo questo il gold standard per il controllo di qualit? del fascio di particelle.

Tuttavia, utilizzando rivelatori commerciali allo stato dell?arte, il range dinamico dei segnali previsti nelle nuove frontiere dell?adroterapia determina la saturazione dell?elettronica di acquisizione, perdendo cos? la proporzionalit? nella digitalizzazione dell?informazione.

Il problema tecnico che ? alla base della presente invenzione ? di fornire un elettrodo sensore, impiegabile in un rivelatore con una camera di ionizzazione a gas, che consenta di ovviare all?inconveniente menzionato con riferimento alla tecnica nota.

Tale problema viene risolto da un elettrodo sensore come sopra specificato, come ulteriormente definito nell?annessa rivendicazione 1.

In particolare, l?elettrodo sensore secondo la presente invenzione prevede una segmentazione dell?elettrodo di raccolta con una struttura ripetuta, basata su due strisce, dette convenzionalmente strip, le cui dimensioni geometriche hanno un rapporto di area predeterminato, in particolare 1:10, e per queste due geometrie ? previsto l?impiego di una rispettiva elettronica di lettura dedicata, con risoluzioni in carica diverse tra le due geometrie.

Inoltre, viene impiegato un capacitore, montato sulla strip a superficie minore, tra il punto di prelievo del segnale e il guard ring al potenziale di riferimento per l?elettronica di lettura.

Infine, il rivelatore comprende un ponte resistivo in modalit? partitore di corrente su due canali di lettura connessi allo stesso segmento di sensore, detto strip.

Il principale vantaggio dell?elettrodo sensore secondo la presente invenzione e del rivelatore che se ne serve risiede nell?impedire, per elevati range dinamici dei segnali previsti, la saturazione dell?elettronica di acquisizione.

La presente invenzione verr? qui di seguito descritta secondo un suo esempio di realizzazione preferita, fornito a scopo esemplificativo e non limitativo con riferimento ai disegni annessi in cui:

? la figura 1 mostra uno schema che rappresenta un apparato emettitore di un fascio di adroni e un rivelatore che misura l?intensit? del fascio;

? la figura 2 mostra una vista schematica di un elemento base di un elettrodo sensore secondo l?invenzione, impiegabile nel rivelatore di figura 1; e

? la figura 3 mostra una vista schematica di elettrodo sensore secondo l?invenzione, impiegabile nel rivelatore di figura 1.

Con riferimento alle figure, viene illustrato un sistema composto da un apparato di emissione di un fascio di adroni, in articolare protoni, destinato a un impiego terapeutico, indicato nel suo complesso con 1.

Esso comprende una testa di emissione 2 che indirizza un fascio 3, rappresentato schematicamente, verso un sito operatorio.

L?apparato di accelerazione ed emissione degli ioni pu? essere costituito, in generale, da un ciclotrone o da un sincrotrone, a geometria circolare, o da un LINAC, a geometria lineare.

Sul percorso del fascio 3 viene disposto un rivelatore a ionizzazione 4, che viene attraversato dal fascio 3 in corrispondenza di una sua camera di ionizzazione 5, ovvero un contenitore comprendente un gas scelto opportunamente, in cui le particelle del fascio 3 cedono energia alle molecole del gas generando fenomeni di ionizzazione.

Il rivelatore a ionizzazione ? il tipo di rivelatore a gas pi? semplice e diffuso, soprattutto come strumento di monitoraggio del fascio durante i trattamenti di radioterapia. Il suo funzionamento si basa sulla raccolta delle cariche generate per ionizzazione diretta all?interno del gas, dovuta all?applicazione di un campo elettrico esterno. Nel presente esempio, la geometria della camera a ionizzazione 5 ? di tipo planare perch? gli elettrodi, ovvero l?anodo 6 e il catodo 7 presentano una struttura planare in cui la differenza di potenziale fra il piano-catodo e il piano-anodo ? V.

Gli elettrodi 6, 7 hanno una forma di piastre parallele (camere di ionizzazione a facce parallele: PPIC). La tensione V ? costante ed ? fornita da una sorgente di tensione 8, connessa agli elettrodi 6, 7.

Infine, sul circuito elettrico ? presente un dispositivo di misura 9 dei segnali di corrente, che ? collegato a un?unit? di processo 10, indicata schematicamente.

La geometria dell?elettrodo impiegabile nel rivelatore 4 verr? di seguito descritta con riferimento alle figure 2 e 3, in cui un elettrodo sensore ? indicato genericamente con 11, ed ? composto da una pluralit? di segmenti 12 affiancati a formare un piano.

Questa geometria viene realizzata mediante tecniche di deposizione su un supporto piano 13, impiegando un opportuno materiale conduttore.

L?elettrodo sensore 11 (figura 3) comprende una pluralit? di segmenti 12 affiancati tra loro longitudinalmente, in modo da realizzare una superficie di sensore complessiva segmentata come descritto in seguito.

La deposizione definisce una prima superficie di elettrodo 14 che occupa gran parte della superficie del segmento 12, e una seconda superficie di elettrodo 15, che invece occupa una ridotta sezione centrale del segmento 12, in modo tale che la prima superficie 14 circondi su tre lati la seconda superficie 15, con eccezione di un lato di detto di uscita 16 in cui sono disposti i collegamenti per il prelievo del segnale analogico.

L?elettrodo sensore 11 presenta detti lati di uscita 16 disposti consecutivamente affiancati, in modo da realizzare un unico lato di uscita con tutti i canali di lettura schierati uno accanto all?altro.

Tra la prima e la seconda superficie di elettrodo 14, 15 ? presente una terza superficie conduttrice 17 che le separa, e che forma un cosiddetto anello di guardia, ovvero una barriera conduttrice che viene utilizzata per proteggere i nodi ad alta impedenza in un circuito dalle correnti di dispersione superficiale come quello costituito dalla prima e dalla seconda superficie di elettrodo 14, 15. L'anello di guardia ? anch?esso realizzato in un materiale conduttore, per esempio rame. Esso ? guidato da una sorgente a bassa impedenza alla stessa tensione V del nodo ad alta impedenza in corrispondenza di un pin di ingresso su cui ? disposto un amplificatore operazionale 18.

L'amplificatore operazionale 18 ? preferibilmente del tipo a transconduttanza (operational transconductance amplifier, OTA) che consiste sostanzialmente in un circuito elettronico analogico implementato come circuito integrato sul supporto 13, per esempio con l'utilizzo di una tecnologia CMOS che richiede, nel caso pi? semplice, l'impiego di cinque transistor MOSFET, che devono essere sempre in saturazione, ed ? particolarmente adatto come stadio di ingresso per circuiti di amplificazione pi? complessi.

Il circuito dell?amplificatore 18 pu? essere alimentato da una tensione di riferimento costante che genera una la tensione di uscita che consiste in un segnale variabile centrato su detta tensione costante.

Il segmento 12 comprende un capacitore 19 montato su un circuito che comprende il pin di uscita della seconda superficie di elettrodo 15, che costituisce il relativo punto di prelievo del segnale da essa generato, e che ? collegato all?anello di guardia realizzato dalla terza superficie conduttiva 17, cos? da fornire all?amplificatore operazionale 18 la relativa tensione di riferimento.

le superfici conduttrici 14, 15, 17 sono isolate tra loro da una prima striscia isolante 20, tra la prima superficie di elettrodo 14 e l?anello di guardia, e da una seconda striscia isolante 21, tra l?anello di guardia e la seconda superficie di elettrodo.

Sull?elettrodo sensore 11, i singoli segmenti 12 sono separati tra loro da un?ulteriore striscia isolante 22 (figura 3).

Tutte le strisce isolanti 20, 21, 22 possono essere ottenute mediante una fase di etching sul supporto 13, una volta effettuata una deposizione di uno strato in materiale conduttivo, per esempio rame, sull?intera superficie del supporto 13.

L?utilizzo di un?unica deposizione conduttiva per l?intero elettrodo sensore 11 minimizza lo spessore di materiale attraversato dal fascio di particelle, che ? un requisito tipicamente stringente nell?applicazione di riferimento, per disturbare il meno possibile il fascio di particelle 3.

Le aree della prima e della seconda superficie di elettrodo 14, 15 sono una molto maggiore dell?altra; esse differiscono tra loro di circa un ordine di grandezza.

Nel presente esempio, la larghezza della prima superficie di elettrodo 14 in un segmento ? di 1 mm, mentre la larghezza della seconda superficie di elettrodo 15 ? di 100 ?m, mentre l?altezza complessiva di ciascun segmento dipende dall?area sensibile del rivelatore (tipicamente tra 50 e 300 mm).

Preferibilmente, il rapporto tra la seconda e la prima superficie di elettrodo ? di almeno 1:8 o maggiore, per esempio 1:10.

La prima superficie di elettrodo 14 e la seconda superficie di elettrodo 15 sono connesse rispettivamente a un primo canale di lettura 23 e un secondo canale di lettura 24.

I canali di lettura 23, 24 di ciascun segmento 12 sono entrambi connessi a un ponte resistivo in modalit? partitore di corrente.

Le impedenze dei ponti resistivi di ciascun canale di lettura 23, 24 sono inversamente proporzionali al rapporto tra le aree delle rispettive superfici di elettrodo 14, 15.

Per effetto della geometria sopra descritta, il segnale in corrente raccolto da ciascun segmento 12 viene diviso su due canali appartenenti alla stessa catena di acquisizione, o a due catene di acquisizione differenti, quest?ultima essendo una modalit? che permette una calibrazione apposita dei due strumenti cos? da estendere maggiormente il range dinamico delle intensit? rivelate). Il segnale viene ripartito in maniera proporzionale rispetto al rapporto dei resistori nel partitore di corrente, in modo tale che, per alte intensit? un canale satura, e l'altro no. ? cos? possibile risalire all'intensit? totale lavorando in modalit? relativa, previa calibrazione del partitore a basse intensit? di segnale. Con questa specifica modalit?, l'elettrodo sensore 11 (figura 3) pu? essere segmentato in modalit? classica, con tutti i segmenti 12 che lo compongono identici tra loro.

Con una sezione trasversa del fascio di particelle 3 che investe la parte attiva del rivelatore 4, macroscopicamente, rispetto alla larghezza dei segmenti 12, ? possibile assumere che entrambe le superfici di elettrodo 14, 15 a diversa geometria vengano interessate contemporaneamente dal fascio di particelle.

In questo modo, la lettura del segnale pu? essere effettuata scegliendo il punto di prelievo del segnale dall?elettrodo a superficie maggiore o minore a seconda che il flusso (numero di particelle per cm<2 >al secondo) del fascio sia pi? o meno intenso. Per flussi molto bassi ? possibile combinare i segnali provenienti da entrambe le superfici di elettrodo.

Prendendo come limite fisso la frequenza di digitalizzazione del segnale, ? possibile variare il valore del quanto di carica corrispondente alla singola unit? di discriminazione digitale. Considerando la struttura a due geometrie di ciascun segmento ? possibile impostare una risoluzione maggiore per la superficie di elettrodo con area pi? estesa, cio? la prima, dedicata a segnali di intensit? minore, e una risoluzione minore per la superficie di elettrodo con area ridotta, dedicata quindi a segnali a intensit? maggiore.

Considerata l?elettronica di front-end che tipicamente viene accoppiata dagli inventori nel contesto dello sviluppo di rivelatori per applicazioni adroterapiche, la risoluzione in carica pu? essere variata da 50 fC a 660 fC, con un valore nominale di 200 fC.

L?applicazione di interesse per l?invenzione prevede fasci impulsati con una durata dell?ordine del ?s, e con una frequenza dell?ordine del ms. Se il segnale raccolto dal segmento viene integrato da una capacit?, la dilatazione temporale dell?impulso di corrente pu? essere sfruttata per evitare la saturazione dell?elettronica di front-end.

La geometria sopra descritta pu? essere collegata a un?elettronica di lettura che permette, a titolo di esempio 50 conteggi al ?s come limite massimo in frequenza nella conversione carica-conteggi (50MHz).

Pertanto, un?applicazione con fasci impulsati che prevede 10<4 >conteggi al ?s, con digitalizzazione a risoluzione nominale, con il rapporto delle superfici di elettrodo sopra specificato, con circa 10<3 >conteggi al ?s e l?impiego dei capacitori per deformare nel tempo l?impulso in corrente, ? possibile ottenere all?incirca 1 conteggio al ?s.

Al sopra descritto elettrodo sensore un tecnico del ramo, allo scopo di soddisfare ulteriori e contingenti esigenze, potr? apportare numerose ulteriori modifiche e varianti, tutte peraltro comprese nell'ambito di protezione della presente invenzione, quale definito dalle rivendicazioni allegate.

Claims (10)

RIVENDICAZIONI

1. Elettrodo sensore (11) per rivelatori a ionizzazione, comprendente una pluralit? di segmenti (12) uguali tra loro e disposti affiancati, in cui ciascun segmento comprende una prima superficie conduttiva di elettrodo (14) e una seconda superficie di elettrodo (15) le cui rispettive aree differiscono tra loro in modo che una sia maggiore dell?altra, ciascuna di esse presentando un rispettivo canale di lettura (23, 24) connessi a una rispettiva elettronica di frontend, attraverso partitore di corrente con un rispettivo un ponte resistivo, le impedenze dei ponti resistivi di ciascun canale di lettura (23, 24) essendo inversamente proporzionale al rapporto tra le aree delle rispettive superfici di elettrodo (14, 15), in modo tale che il segnale venga ripartito in maniera proporzionale nei partitori di corrente, cosicch? se un canale di lettura ? saturo, l?altro non lo ?.

2. Elettrodo sensore (11) secondo la rivendicazione 1, in cui la prima superficie di elettrodo (14) circonda su tre lati detta seconda superficie di elettrodo (15), che invece occupa una ridotta sezione centrale del segmento (12), lasciando libero un lato di uscita (16) comprendente detti canali di lettura (23, 24).

3. Elettrodo sensore (11) secondo la rivendicazione 1 o 2, in cui, tra dette prima e la seconda superficie di elettrodo (14, 15) ? presente un?ulteriore superficie conduttrice (17) che le separa, formando un anello di guardia, in un materiale conduttore, che comprende un pin di ingresso.

4. Elettrodo sensore (11) secondo la rivendicazione 3, in cui detto pin di ingresso ? connesso a un amplificatore operazionale (18) del tipo a transconduttanza (OTA).

5. Elettrodo sensore (11) secondo la rivendicazione 4, in cui ciascun segmento (12) comprende un capacitore (19) montato su un circuito che comprende il canale di lettura (24) della seconda superficie di elettrodo (15) con area minore, che costituisce il relativo punto di prelievo del segnale da essa generato, e che ? collegato a detto anello di guardia, cos? da fornire all?amplificatore operazionale (18) una relativa tensione di riferimento.

6. Elettrodo sensore (11) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui dette superfici conduttrici (14, 15, 17) dei segmenti (12) affiancati sono formate da un?unica deposizione di materiale conduttivo su un supporto (13), le superfici conduttrici (14, 15, 17) essendo isolate tra loro da strisce isolanti (20, 21) ottenute mediante un processo di etching.

7. Elettrodo sensore (11) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui le aree della prima e della seconda superficie di elettrodo (14, 15) differiscono tra loro di circa un ordine di grandezza.

8. Elettrodo sensore (11) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui le aree della prima e della seconda superficie di elettrodo (14, 15) presentano un rapporto di almeno 1:8, preferibilmente maggiore a 1:10.

9. Rivelatore a ionizzazione (4) che comprende almeno un elettrodo sensore (11) di una delle rivendicazioni precedenti, in una rispettiva camera di ionizzazione (5).

10. Rivelatore a ionizzazione (4) secondo la rivendicazione 9, in cui la camera di ionizzazione (5) presenta una geometria di tipo planare con un anodo (6) e un catodo (7) che presentano una rispettiva struttura planare in cui la differenza di potenziale fra il piano-catodo e il piano-anodo ? V, e anodo (6) e catodo (7) hanno una forma di piastre parallele.