BANDO PRIN 2022D. D. N. 104 DEL 2 FEBBRAIO 2022
TITOLO DEL PROGETTO: A pioneering Compton Camera for hadrontherapy with a 3D silicon Pixel Chamber
CODICE CUP D53D23002810006
Budget: € 86,500
P.I. o Responsabile U.R. prof. Giuseppe Eugenio Bruno
Altre Unità di Ricerca Università di Cagliari, INFN
Breve descrizione del progetto
Il progetto ha proposto lo sviluppo di una nuova generazione di Compton Camera ad alte prestazioni, basata sull'impiego innovativo di una Pixel Chamber in silicio come rivelatore di scattering. L'obiettivo è superare i limiti delle Compton Camera tradizionali, che richiedono un grande numero di fotoni per ricostruire la direzione della sorgente gamma, impedendo un utilizzo realmente online in applicazioni critiche come l'adroterapia.
La Pixel Chamber è stata concepita come un rivelatore a tracciamento continuo tridimensionale, ottenuto mediante la sovrapposizione di numerosi sensori monolitici ultra‑sottili ad altissima granularità. Questa configurazione permette di ricostruire con precisione micrometrica la traiettoria dell'elettrone di rinculo prodotto nell'interazione Compton. L'informazione sul tracciamento dell’elettrone Compton consente di restringere significativamente il volume di incertezza sulla direzione del fotone incidente, riducendo la ricostruzione da un'intera superficie conica a un piccolo segmento di cono, con un potenziale aumento dell'efficienza di imaging di ordini di grandezza.
Finalità
Il progetto ha dimostrato la possibilità di assemblare ed operare l’A9, l’unità di base della pixel Chamber costituito da uno stack di 9 chip ALTAI o ALPIDE al silicio ultrasottili, come concepito nella proposta originale. Gli studi per l’integrazione meccanica ed elettrica di diverse celle di A9 per ottenere volumi utili al raggiungimento di alti valori di efficienza per l’interazione Compton nello scatterer della Pixel Chamber hanno mostrato criticità realizzative, quando si utilizzano chip di dimensioni dell’ordine di ~ 1 cm2 (le tipiche dimensioni del “field of view” delle tecniche litografiche utilizzate dalle fonderie che producono i chip monolitici, quali l’ALPIDE o l’ALTAI). La possibilità, grazie alla nuova tecnica dello “stitching”, di realizzare chip di dimensioni molto maggiori, sino ai limiti imposti dalla dimensione stessa del wafer di silicio (es. col diametro di 300mm nella tecnologia TPSCo CMOS da 68nm, si possono ottenere agevolmente chips di dimensioni di 10x10 cm^2
ed anche sino a 15x15 cm^2), con tutte le interconnessioni elettriche per la lettura e l’alimentazione alla periferia del chip stesso, risolverebbe le criticità realizzative. Con l’adozione di tale soluzione, l’unico aspetto critico rimane la dissipazione termica del calore prodotto: risulta pertanto molto importante poter ridurre il consumo di potenza per unità di superficie, soprattutto quando si vuole realizzare uno stack di una decina di chip di grandi dimensioni. Pertanto, la campagna di caratterizzazione dei chip, oltre a concentrarsi sui chip ALTAI, si è estesa allo sviluppo e caratterizzazione delle nuove strutture di test ed ai primi prototipi per chips di grandi dimensioni in tecnologia CMOS da 68nm. I risultati ottenuti hanno dimostrato la possibilità di ridurre il consumo di potenza a 35 mW / cm.
Risultati attesi
Un'analisi termica approfondita è stata condotta sullo scatterer, costituito da una matrice 4x3 di Pixel Chamber dotata di radiatori interdigitati, mediante simulazioni in COMSOL. Lo studio ha mostrato che è sufficiente una ventilazione forzata ad aria e che l'aggiunta di radiatori esterni contribuisce a migliorare ulteriormente la dissipazione, soprattutto per velocità di ventilazione ≥ 2 m/s, consentendo di mantenere lo scatterer nel range operativo di 40-45 °C.
Risultati raggiunti
Nell'ambito del progetto è stata implementata una simulazione completa della Pixel Chamber in GEANT4, comprensiva della geometria dettagliata degli stack di sensori con i relativi allineamenti e gap inter-chip. La simulazione ha impiegato una sorgente di fotoni da 1 MeV, energia rappresentativa del range di interesse per le applicazioni in adroterapia. Gli eventi utili alla ricostruzione sono stati selezionati richiedendo un'unica interazione Compton all'interno del volume attivo e almeno 10 punti di traccia dell'elettrone di rinculo rilevati. La direzione dell'elettrone è stata ricostruita tramite fit lineare sul punto di interazione Compton e sui primi 3 hit successivi della traccia, scelta motivata dalla necessità di limitare l'impatto del multiple scattering, più pronunciato nelle regioni distali. I risultati ottenuti mostrano un valore medio della
deviazione angolare di 15.7° e un RMS di 14.1°, con una distribuzione compatibile con una buona componente di eventi ben ricostruiti a basso angolo. I principali fattori limitanti identificati sono il multiple Coulomb scattering dell'elettrone di rinculo, la granularità dei pixel e la limitata lunghezza della traccia disponibile per il fit. Questi risultati costituiscono un primo benchmark quantitativo della geometria proposta e forniscono indicazioni concrete per l'ottimizzazione del design della Pixel Chamber in vista di futuri sviluppi.