Vedere l’invisibile: rivelatori al silicio per i neutroni e scintillatori stampati in 3D

Ogni volta che una radiazione attraversa la materia lascia una “firma” che si può imparare a leggere. I rivelatori di radiazioni sono gli strumenti che permettono di farlo, e sono alla base di moltissimi ambiti: dagli esperimenti di fisica delle alte energie, che studiano i costituenti fondamentali della materia, all’imaging medico, fino alla dosimetria clinica.

In questo contesto si inserisce un’attività di ricerca sviluppata nell’ambito di una tesi di dottorato presso il Dipartimento di Ingegneria Industriale (DII), sotto la supervisione dei professori Gian-Franco Dalla Betta e Alberto Quaranta. Il lavoro esplora due approcci complementari allo sviluppo di rivelatori innovativi, entrambi basati sull’impiego di nuovi materiali e architetture: sensori al silicio per la rivelazione di neutroni e scintillatori realizzati mediante stampa 3D.

La prima linea di ricerca, condotta nell’ambito del progetto HYDE2, frutto di una collaborazione tra l’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN), la Fondazione Bruno Kessler (FBK) e l’Università di Trento (UNITN), riguarda lo sviluppo di un dispositivo per la rivelazione e l’imaging di neutroni termici, ovvero neutroni caratterizzati da una bassa energia.

La tecnica del neutron imaging fornisce informazioni complementari a quelle dei raggi X, come illustrato in Figura 1: i raggi X attraversano facilmente i materiali leggeri e si fermano su quelli densi, mentre i neutroni si comportano in modo diverso e sono particolarmente sensibili, per esempio, all’idrogeno. Per questo il neutron imaging è molto utile per le analisi non distruttive, dallo studio dei beni culturali al controllo delle batterie, fino alle ispezioni industriali. Essendo privi di carica elettrica, i neutroni non possono essere rivelati direttamente: devono prima essere convertiti in particelle cariche, che a loro volta producono un segnale misurabile. L’idea alla base del dispositivo è l’impiego di sensori al silicio con tecnologia 3D, dotati di una geometria microstrutturata con cavità profonde riempite di materiale convertitore di neutroni. Questa struttura aumenta la probabilità di cattura del neutrone, mantenendo al tempo stesso la compatibilità con l’elettronica di lettura a pixel, che consente di ottenere vere e proprie immagini.

L’individuazione della geometria ottimale delle cavità rappresenta una delle principali sfide progettuali. Il funzionamento del dispositivo dipende infatti da diversi fenomeni fisici concatenati: dalla cattura del neutrone alla generazione delle cariche elettriche nel silicio, fino al loro trasporto e alla successiva raccolta da parte degli elettrodi. 

Per questo è stato sviluppato un framework di simulazione che combina tre strumenti: GEANT4, per modellare le interazioni delle particelle con la materia; TCAD Sentaurus, per simulare il comportamento dei semiconduttori; e Allpix², per riprodurre la risposta del sensore. Questo approccio integrato consente di esplorare in modo efficiente molte configurazioni geometriche e di stimare con accuratezza le prestazioni del rivelatore, fornendo indicazioni concrete per ottimizzare l’efficienza di rivelazione dei neutroni. I primi dispositivi HYDE sono già in fase di test in laboratorio (Figura 2).

La seconda linea di ricerca è invece dedicata agli scintillatori, materiali in grado di emettere luce quando vengono attraversati da radiazioni. Si tratta di un fenomeno affine alla fluorescenza, osservabile anche in contesti quotidiani: un esempio noto è il chinino contenuto nell’acqua tonica, che, se illuminato con luce ultravioletta, emette una caratteristica luminescenza azzurra (Figura 3). Lo studio di questi rivelatori innovativi rientra nel progetto INFN SHINE, che mira a sviluppare rivelatori stampabili in 3D da impiegare in ambito di adroterapia (la cura dei tumori con fasci di protoni o ioni).

Nell’ambito del progetto è stato caratterizzato un nuovo nanocomposito scintillante, costituito da una matrice a base di polisilossani in cui sono disperse nanoparticelle di perovskite, un materiale che in letteratura sta mostrando grandi potenzialità come scintillatore. Il vantaggio principale è la possibilità di fabbricare il materiale tramite stereolitografia, una tecnica di stampa 3D, che apre la strada a rivelatori con geometrie complesse e persino personalizzate sul singolo paziente, un aspetto molto interessante per la dosimetria clinica. Nella Figura 4 si vede un campione di scintillatore SHINE stampato in 3D mentre emette luce sotto un fascio di protoni. Questi rivelatori permettono infatti di studiare la deposizione di energia su geometrie complesse, in modo da ottimizzare il trattamento prima di passare alla caratterizzazione direttamente sui pazienti.

La caratterizzazione ha riguardato innanzitutto le proprietà ottiche, tramite analisi spettrofluorimetriche e misure di trasmittanza UV-visibile, per verificare che la luce emessa sia compatibile con i sensori di lettura e che il materiale sia sufficientemente trasparente. È stata poi studiata la radioluminescenza, cioè l’emissione di luce indotta dalla radiazione, sia con particelle alfa sia con fasci di protoni a diverse energie. Alcune misure sono state condotte con fasci di protoni terapeutici in ambiente clinico. Il confronto con uno scintillatore plastico commerciale ha mostrato prestazioni promettenti.

Sebbene affrontino applicazioni differenti, le due attività di ricerca condividono un obiettivo comune: sviluppare rivelatori sempre più efficienti, versatili e adattabili alle esigenze della ricerca scientifica e delle applicazioni cliniche. Da un lato, l’integrazione tra simulazioni avanzate e tecnologie microstrutturate al silicio permette di progettare sensori innovativi per la rivelazione e l’imaging dei neutroni. Dall’altro, l’impiego di materiali scintillanti stampabili in 3D apre nuove prospettive per la realizzazione di dispositivi con geometrie personalizzate, particolarmente interessanti per la dosimetria in adroterapia.

Due approcci diversi, ma accomunati dall’integrazione tra ingegneria dei materiali, progettazione dei dispositivi e tecnologie di rivelazione, che contribuiscono a estendere le possibilità di osservazione e misura delle radiazioni.

Figure 1: Radiografia di una macchina fotografica analogica mediante neutroni (in alto) e raggi X (in basso): i raggi X evidenziano i componenti metallici, mentre i neutroni rivelano i dettagli delle parti in plastica.

Figure 2: Dispositivi HYDE2 sotto test

Figure 3: Fluorescenza dell’acqua tonica sotto luce ultravioletta (UV).

Figure 4: Campione stampato in 3D sotto fascio di protoni