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This dissertation is focused on single photon devices that have triggered a real revolution in the world of imaging, the Single Photon Avalanche Diodes (SPADs). These devices acquired immediately a great interest in the field of single photon imaging, since they showed great performances in several fields, such as quantum mechanics, optical fibres, fluorescent decays and luminescence in physics, chemistry, biology, medical imaging, etc. These applications require single photon detectors able to assure high performances in photon counting, such as high photon detection efficiency, high speed and extremely low noise detection. The interest on SPAD became wider as they have been implemented in Complementary Metal-Oxide Semiconductor (CMOS) technology, reaching the integration of quenching and post-processing circuits on the pixel itself. The high timing and spatial resolution, the low power performance, the easy integration of circuits made CMOS SPADs the best choice in the field of single photon detectors. The ability to detect individual photons with very high timing resolution, at the order of few tens of picoseconds, and with an internal gain of 106 allowed to reduce the complexity in amplification circuit. However, SPAD performance is also influenced by Dark Count Rate (DCR), i.e. no-photon induced count rate, and by Random Telegraph Signal (RTS) occurrence, i.e. DCR discrete fluctuations. DCRs are mainly due to defects introduced in the semiconductor lattice and in the oxide during the fabrication process. In addition, radiation environment can induce new defects in the silicon structure, knows as radiation-induced defects. These defects or cluster of defects create new energy levels in the bandgap and cause the generation of carriers in depletion regions through thermal processes (Shockley Read-Hall, SRH, processes) and tunneling processes. This results in the increase of the mean dark current and in RTS. An increased occurrence of RTS effects degrades the performances of the devices, since the randomisation of this signal makes impossible to calibrate correctly the device. Therefore, it is important to investigate RTS behaviour and recognize the defects involved in this mechanism. The identification of defects responsible for RTS and the understanding of its evolution could be very useful to limit the effects on the devices operating in radiation environment. The thesis is structured in four chapters. The first chapter introduces the semiconductor-based photodetectors, the evolution of these devices until to CMOS Single-Photon Counting Detectors (SPADs). SPADs are described in detail, by explaining the working principle and the associated electronic circuits. SPAD performances are also discussed, taking into consideration the crosstalk and afterpulse. The second chapter explains the mechanisms responsible for DCR increase and RTS occurrence, focusing on generated electron-hole pairs due to thermal trap-assisted transition or to trap-assisted tunnelling (TAT) and band-to-band tunnelling (BTBT) at high electric field. RTS phenomenon is described and several theoretical models to explain its origin are presented in this chapter. The third chapter describes SPADs device investigated in the experimental analysis, focusing on two different layouts implemented in the test-chip: P+/Nwell and Pwell/Niso layout. The experimental setup and SPAD characterization before irradiation is reported. The fourth chapter describes the proton irradiation test and presents the experimental RTS data and the evolution in frequency and time domain. The chapter reports also the experimental results obtained by RTS investigation on two different SPAD layouts. The results allowed to hypothesize an explanation involved in RTS phenomenon. Ph.D. Course Science and Engineering of the Environment, the Structures and the Energy. Ciclo XXI Università della Calabria

Il percorso dottorale ha avuto fin dal suo inizio il chiaro obbiettivo di formare una figura altamente specializzata nell’ambito della ricerca industriale. Tema centrale del percorso di dottorato è stato quello del test con neutroni di dispositivi elettronici di potenza. Tali dispositivi, oggi largamente impiegati nei sistemi per la generazione, trasporto e trasformazione dell’energia (PV Plants, Wind Farms, Power Systems), rappresentano il fulcro dei moderni sistemi di elettronica di potenza e ne caratterizzano drasticamente l’affidabilità. I dispositivi elettronici di potenza, oltre ad essere soggetti alle normali sollecitazioni operative, sono sottoposti agli stress derivanti dall’ambiente in cui operano. Negli ultimi decenni è divenuto sempre più rilevante l’effetto che i neutroni atmosferici hanno su tali dispositivi (Single Event Effects, SEEs) e quanto tale effetto possa compromettere irrimediabilmente il funzionamento dei dispositivi stessi e l’affidabilità dei sistemi in cui vengono impiegati. Nell’ottica più ampia dettata dalla stipula del Protocollo di Kyoto (1997), che pone in primo piano la tematica dell’efficienza energetica nei settori più rilevanti nelle economie nazionali, il tema dell’affidabilità dei sistemi di generazione, trasformazione e trasporto dell’energia ricopre un ruolo fondamentale, e ha sostenuto e motivato il lavoro di studio e ricerca portato avanti nel percorso dottorale. Il triennio ha dunque visto l’avvicendarsi di periodi di studio e approfondimento personale riguardo le tematiche trattate, la partecipazione a corsi, seminari e convegni inerenti il tema dell’attività di ricerca, periodi di attività di progettazione e di sperimentazione, nonché l’attività di promozione dei risultati ottenuti. Il percorso dottorale può essere sostanzialmente suddiviso in due rami: Tecniche di test con neutroni di dispositivi elettronici di potenza, Progettazione e caratterizzazione di facility di test con neutroni. Per quanto concerne le tecniche di test con neutroni, il percorso di studio intrapreso ha consentito l’ampliamento della conoscenza sui modelli di interazione dei neutroni con i dispositivi elettronici di potenza, con particolare attenzione ai dispositivi Power MOSFET, e l’approfondimento delle competenze relative agli standard internazionali per il test con neutroni. Lo studio dei modelli ha garantito una migliore consapevolezza su parametri e fattori che influenzano la risposta dei dispositivi all’irraggiamento neutronico. Lo studio degli standard e la comprensione delle finalità con cui questi vengono concepiti ha invece consentito di fissare gli obbiettivi ultimi delle attività sperimentali e dei test sui dispositivi. Le competenze acquisite hanno dunque portato ad una progettazione più cosciente delle attività sperimentali, garantendo l’ottenimento di risultati utili all’avanzamento della ricerca. Sono state dunque predisposte delle sperimentazioni preliminari su dispositivi Power MOSFET destinati all’impiego in sistemi inverter per la produzione di energia da fonti rinnovabili. Le sperimentazioni sono state svolte presso l’Irradiatore Neutronico a sorgenti 241Am-Be del Dipartimento DEIM dell’Università di Palermo. Dai risultati ottenuti è stato possibile evidenziare alcune caratteristiche salienti del comportamento dei dispositivi sotto irraggiamento neutronico, come, per esempio, l’evidente comportamento a soglia del fenomeno, rispetto alla tensione di alimentazione dei dispositivi. Tale dato è stato alla base della progettazione delle sperimentazioni svolte successivamente. Si è infatti ritenuto opportuno effettuare i test su di un campione statisticamente rilevante di dispositivi elettronici, ed inoltre di effettuare la sperimentazione su dispositivi con caratteristiche diverse al fine di studiare come gli effetti dei neutroni potessero essere correlati ad esse. Sono stati dunque individuati i target dell’attività sperimentale, che sono risultati essere lo studio delle soglie di tensione di alimentazione oltre le quali si verificano i SEEs e lo studio dell’andamento dei tassi di fallimento dei dispositivi per diversi valori della tensione di alimentazione. Fissati gli obbiettivi della sperimentazione è stata individuata la facility più idonea allo svolgimento della campagna sperimentale. Nello specifico la struttura più Per quanto concerne le tecniche di test con neutroni, il percorso di studio intrapreso ha consentito l’ampliamento della conoscenza sui modelli di interazione dei neutroni con i dispositivi elettronici di potenza, con particolare attenzione ai dispositivi Power MOSFET, e l’approfondimento delle competenze relative agli standard internazionali per il test con neutroni. Lo studio dei modelli ha garantito una migliore consapevolezza su parametri e fattori che influenzano la risposta dei dispositivi all’irraggiamento neutronico. Lo studio degli standard e la comprensione delle finalità con cui questi vengono concepiti ha invece consentito di fissare gli obbiettivi ultimi delle attività sperimentali e dei test sui dispositivi. Le competenze acquisite hanno dunque portato ad una progettazione più cosciente delle attività sperimentali, garantendo l’ottenimento di risultati utili all’avanzamento della ricerca. Sono state dunque predisposte delle sperimentazioni preliminari su dispositivi Power MOSFET destinati all’impiego in sistemi inverter per la produzione di energia da fonti rinnovabili. Le sperimentazioni sono state svolte presso l’Irradiatore Neutronico a sorgenti 241Am-Be del Dipartimento DEIM dell’Università di Palermo. Dai risultati ottenuti è stato possibile evidenziare alcune caratteristiche salienti del comportamento dei dispositivi sotto irraggiamento neutronico, come, per esempio, l’evidente comportamento a soglia del fenomeno, rispetto alla tensione di alimentazione dei dispositivi. Tale dato è stato alla base della progettazione delle sperimentazioni svolte successivamente. Si è infatti ritenuto opportuno effettuare i test su di un campione statisticamente rilevante di dispositivi elettronici, ed inoltre di effettuare la sperimentazione su dispositivi con caratteristiche diverse al fine di studiare come gli effetti dei neutroni potessero essere correlati ad esse. Sono stati dunque individuati i target dell’attività sperimentale, che sono risultati essere lo studio delle soglie di tensione di alimentazione oltre le quali si verificano i SEEs e lo studio dell’andamento dei tassi di fallimento dei dispositivi per diversi valori della tensione di alimentazione. Fissati gli obbiettivi della sperimentazione è stata individuata la facility più idonea allo svolgimento della campagna sperimentale. Nello specifico la struttura più Per quanto concerne le tecniche di test con neutroni, il percorso di studio intrapreso ha consentito l’ampliamento della conoscenza sui modelli di interazione dei neutroni con i dispositivi elettronici di potenza, con particolare attenzione ai dispositivi Power MOSFET, e l’approfondimento delle competenze relative agli standard internazionali per il test con neutroni. Lo studio dei modelli ha garantito una migliore consapevolezza su parametri e fattori che influenzano la risposta dei dispositivi all’irraggiamento neutronico. Lo studio degli standard e la comprensione delle finalità con cui questi vengono concepiti ha invece consentito di fissare gli obbiettivi ultimi delle attività sperimentali e dei test sui dispositivi. Le competenze acquisite hanno dunque portato ad una progettazione più cosciente delle attività sperimentali, garantendo l’ottenimento di risultati utili all’avanzamento della ricerca. Sono state dunque predisposte delle sperimentazioni preliminari su dispositivi Power MOSFET destinati all’impiego in sistemi inverter per la produzione di energia da fonti rinnovabili. Le sperimentazioni sono state svolte presso l’Irradiatore Neutronico a sorgenti 241Am-Be del Dipartimento DEIM dell’Università di Palermo. Dai risultati ottenuti è stato possibile evidenziare alcune caratteristiche salienti del comportamento dei dispositivi sotto irraggiamento neutronico, come, per esempio, l’evidente comportamento a soglia del fenomeno, rispetto alla tensione di alimentazione dei dispositivi. Tale dato è stato alla base della progettazione delle sperimentazioni svolte successivamente. Si è infatti ritenuto opportuno effettuare i test su di un campione statisticamente rilevante di dispositivi elettronici, ed inoltre di effettuare la sperimentazione su dispositivi con caratteristiche diverse al fine di studiare come gli effetti dei neutroni potessero essere correlati ad esse. Sono stati dunque individuati i target dell’attività sperimentale, che sono risultati essere lo studio delle soglie di tensione di alimentazione oltre le quali si verificano i SEEs e lo studio dell’andamento dei tassi di fallimento dei dispositivi per diversi valori della tensione di alimentazione. Fissati gli obbiettivi della sperimentazione è stata individuata la facility più idonea allo svolgimento della campagna sperimentale. Nello specifico la struttura più Per quanto concerne le tecniche di test con neutroni, il percorso di studio intrapreso ha consentito l’ampliamento della conoscenza sui modelli di interazione dei neutroni con i dispositivi elettronici di potenza, con particolare attenzione ai dispositivi Power MOSFET, e l’approfondimento delle competenze relative agli standard internazionali per il test con neutroni. Lo studio dei modelli ha garantito una migliore consapevolezza su parametri e fattori che influenzano la risposta dei dispositivi all’irraggiamento neutronico. Lo studio degli standard e la comprensione delle finalità con cui questi vengono concepiti ha invece consentito di fissare gli obbiettivi ultimi delle attività sperimentali e dei test sui dispositivi. Le competenze acquisite hanno dunque portato ad una progettazione più cosciente delle attività sperimentali, garantendo l’ottenimento di risultati utili all’avanzamento della ricerca. Sono state dunque predisposte delle sperimentazioni preliminari su dispositivi Power MOSFET destinati all’impiego in sistemi inverter per la produzione di energia da fonti rinnovabili. Le sperimentazioni sono state svolte presso l’Irradiatore Neutronico a sorgenti 241Am-Be del Dipartimento DEIM dell’Università di Palermo. Dai risultati ottenuti è stato possibile evidenziare alcune caratteristiche salienti del comportamento dei dispositivi sotto irraggiamento neutronico, come, per esempio, l’evidente comportamento a soglia del fenomeno, rispetto alla tensione di alimentazione dei dispositivi. Tale dato è stato alla base della progettazione delle sperimentazioni svolte successivamente. Si è infatti ritenuto opportuno effettuare i test su di un campione statisticamente rilevante di dispositivi elettronici, ed inoltre di effettuare la sperimentazione su dispositivi con caratteristiche diverse al fine di studiare come gli effetti dei neutroni potessero essere correlati ad esse. Sono stati dunque individuati i target dell’attività sperimentale, che sono risultati essere lo studio delle soglie di tensione di alimentazione oltre le quali si verificano i SEEs e lo studio dell’andamento dei tassi di fallimento dei dispositivi per diversi valori della tensione di alimentazione. Fissati gli obbiettivi della sperimentazione è stata individuata la facility più idonea allo svolgimento della campagna sperimentale. Nello specifico la struttura più idonea è risultata essere la facility di irraggiamento con neutroni ChipIr, situata presso il Rutherford Appleton Laboratory (UK). L’attività sperimentale è stata dunque proposta ai responsabili della facility, Dr Christopher Frost e Dr. Carlo Cazzaniga, che hanno dimostrato il loro interesse proponendo un periodo di attività di studio e ricerca di cinque mesi. Acquisite dunque le informazioni relative alla facility è stato possibile predisporre e adeguare la strumentazione al fine di ottimizzare le procedure di test e di ottenere i risultati auspicati. Le attività presso la facility ChipIr sono state svolte nel periodo da inizio febbraio a fine giugno 2017. Nella prima fase della sperimentazione è stata predisposta la strumentazione di test e adeguata alle condizioni operative della facility. Si è proceduto alla caratterizzazione preliminare dei dispositivi e alla prima sperimentazione con neutroni. Nella prima sperimentazione tre tipologie di dispositivi Power MOSFET sono stati sottoposti ad irraggiamento neutronico per lo studio dell’andamento delle soglie di SEEs. L’elaborazione dei dati ottenuti ha evidenziato quanto ipotizzato in precedenza mostrando l’esistenza di una correlazione diretta tra le caratteristiche del dispositivo e le soglie per l’insorgenza dei SEEs. È stata dunque predisposta una seconda campagna sperimentale su nuovi dispositivi, al fine di consolidare i dati dell’indagine riguardo la natura a soglia del fenomeno. Parallelamente sono stati programmati i test di valutazione dei tassi di guasto dei dispostivi, che hanno permesso di studiare il comportamento sotto irraggiamento dei dispositivi in diverse condizioni operative. L’attività di progettazione e caratterizzazione di facility di test con neutroni è stata portata avanti parallelamente a quella di test. Relativamente a tale attività, è stato portato avanti uno studio preliminare sulle caratteristiche richieste dagli standard internazionali per le facility destinate al test con neutroni di dispositivi elettronici. Le competenze acquisite attraverso lo studio degli standard sono state affiancate a quelle maturate sui codici di simulazione basati su metodo Monte Carlo (MCNP). Nel corso del primo anno di dottorato è stata intrapresa una collaborazione con il Dipartimento di Fisica dell’Università di Messina. Il tema della collaborazione ha riguardato la progettazione di una schermatura per l’impiego indoor di una sorgente di neutroni compatta. La sorgente neutronica, basata sulla reazione deuteriodeuterio, è stata acquisita per essere impiegata nell’ambito degli studi sulla biofisica e sulle interazioni dei neutroni con i dispositivi elettronici. La progettazione della schermatura ha avuto come obbiettivi principali la possibilità di impiego della sorgente in laboratorio, e quindi un obbiettivo primario di tipo radioprotezionistico, e la progettazione di una facility idonea allo svolgimento di attività di test sui dispositivi elettronici. Per la progettazione preliminare sono stati individuati i materiali più idonei alla realizzazione della schermatura ed è stato realizzato un modello 3D della stessa. Valutazioni preliminari sulla capacità schermante sono state effettuate a partire dalla conoscenza delle caratteristiche schermanti dei materiali scelti (Cross Section di Rimozione). Il modello 3D è stato implementato in una simulazione MCNP al fine di verificare le valutazioni preliminari. Il progetto della schermatura è stato sottoposto alla valutazione dell’esperto qualificato dell’Università di Messina, che ne dovrà valutare l’idoneità ai requisiti radioprotezionistici, prima di procedere al commissioning. Nell’ambito della progettazione di facility per il test con neutroni è stato presentato una proposta per la realizzazione di una sorgente neutronica basata sull’interazione 7Li(p,n)7Be. Sorgenti di questo tipo, definite “quasi-monoenergetiche” possono essere impiegate per il test di dispositivi elettronici, come indicato dagli standard. La proposta è stata presentata nel contesto della Call for Experimental Proposals with the Tandem accelerator 2016, dei Laboratori Nazionali del Sud di Catania. L’esperimento, approvato dal comitato scientifico dei LNS, è stato svolto nel marzo 2017, in collaborazione con il Dipartimento di Fisica dell’Università di Napoli “Federico II”. L’esperimento, denominato NSPP, ha visto l’utilizzo di un fascio di protoni per l’irraggiamento di un target di Litio. La produzione di neutroni è stata verificata con misure di attenuazione effettuate tramite un neutron counter. È stato parallelamente sviluppato un modello MCNP necessario ad effettuare valutazioni preliminari per il prosieguo dell’esperimento. Lo scorso 31 ottobre è stata presentata la proposta di proseguimento dell’esperimento NSPP che ha come scopo quello di caratterizzare la sorgente neutronica ottenuta nella prima fase Ph.D. Course Science and Engineering of the Environment, the Structures and the Energy. Cycle XXX University of Calabria

A partire dal 2002, l’Azienda Ospedaliera Universitaria “Policlinico Vittorio Emanuele” di Catania ha effettuato il trattamento di circa 350 pazienti affetti da neoplasie oculari mediante fasci di protoni prodotti con il ciclotrone disponibile presso i Laboratori nazionali del Sud (LNS). Tale impianto viene utilizzato per attività di ricerca nell’ambito della fisica sperimentale, per cui è stato necessario modificare le caratteristiche del fascio, rendendolo idoneo alle applicazioni cliniche. Il lavoro di ricerca ha riguardato lo svolgimento della analisi del rischio volto ad individuare possibili fallimenti nelle procedure adottate per il trattamento del paziente sottoposto a cicli di protonterapia della durata di una settimana. Per l’individuazione degli eventi indesiderati o situazioni pericolose, sono state impiegate tecniche di analisi di rischio ampiamente utilizzate nel settore industriale, opportunamente integrate e/o modificate allo scopo di rendere più robusta l’analisi ed eliminare le carenze che rendono queste metodologie poco efficienti ed efficaci se applicate a tecnologie innovative come quella in esame. I risultati ottenuti hanno consentito di suggerire alcune modifiche alle procedure adottate e, quindi, di migliorare gli standard di sicurezza già utilizzati.

Alongside with the development of Neutron Capture Therapy (NCT) and the use of thermal neutrons for radiotherapeutic purposes, many efforts have been devoted to the characterization of the beam in order to optimize therapy procedures. Reliable dose measurements should be able to determine the various (neutrons and photonic) components of the mixed beam usually employed for therapy. This paper studies the effect of additives such as boric and gadolinium nuclei on the sensitivity of neutron organic (alanine and ammonium tartrate) dosimeters analyzed through Electron Spin Resonance (ESR) technique (Marrale, 2014). These dosimeters were exposed to a mixed (neutron-gamma) field mainly composed of thermal neutrons. The choice of 10B and 64Gd as nuclei additives is due to their very high capture cross section for thermal neutrons. Also, after the nuclear reaction with thermal neutrons are emitted particles, which in turn release their energy in the vicinity of the reaction site (Marrale, 2008). The irradiation with mixed field (neutron-gamma) were performed within the thermal column of the TRIGA reactor, University of Pavia. Dosimeters readout was performed through the Electron Spin Resonance spectrometer Bruker ECS106 located at the Laboratory of Dosimetry ESR / TL of the Department of Physics and Chemistry - University of Palermo. We found that the addition of Gadolinium allows to largely increase the sensitivity of the dosimeters for thermal neutrons. In particular, a low concentration (5% by weight) of gadolinium oxide leads to an improvement of the sensitivity of neutrons more than 10 times. In addition, for this low content of gadolinium the photon tissue equivalence is not heavily reduced. This experimental analyses are compared with computational analyses carried out by means of Monte Carlo simulations performed with the MCNP (Monte Carlo N-Particle) transport code. A good agreement was observed for alanine dosimeters.

La radioterapia stereotassica extra-cranica (Stereotactic Body Radiation Therapy) consente di somministrare una dose ablativa ad un volume bersaglio non encefalico mediante un numero ridotto di frazioni. La riduzione nel numero di frazioni comporta necessariamente un aumento della precisione ed accuratezza in tutte le fasi del trattamento, dalla simulazione CT alla pianificazione ed all’erogazione della dose terapeutica. Dal punto di vista dosimetrico i trattamenti SBRT sono caratterizzati innanzitutto da un elevato grado di conformazione e soprattutto dalla presenza di gradienti di dose particolarmente ripidi necessari per minimizzare la dose ai tessuti sani circostanti ed agli organi a rischio posti nelle vicinanze del volume da irradiare. A seconda dello scenario clinico vengono utilizzate tecniche 3D-CRT (3D-Conformal Radiation Therapy) o IMRT (Intensity Modulated Radiotherapy). Questo lavoro mette a confronto, nel caso di irradiazione polmonare, due diverse tecniche ad intensità modulata: una tecnica statica Step-and-Shoot ed una tecnica volumetrica dinamica, la Tomoterapia Elicoidale (HT, Helicoidal TomoTherapy).

I dosimetri a termoluminescenza utilizzati nel campo della dosimetria personale necessitano – per un loro corretto impiego - di una preventiva fase di calibrazione, realizzata con dose-rate compresi tra 2,5 10-4 mGy/h e 0,01 mGy/h. Per ottenere valori di dose-rate in tale range, si è progettato un irradiatore autocontenuto e autoschermato di piccole dimensioni, utilizzante una sorgente di bassa attività.

La misura della dose assorbita da dosimetri passivi, a seguito della loro esposizione a radiazioni ionizzanti, è una procedura fondamentale per valutare gli effetti indotti da tali radiazioni nell’ambito della dosimetria ambientale. Per effettuare delle corrette valutazioni, è stato selezionato un set di dosimetri a termoluminescenza (TLD) scelti, tra un’ampia gamma di tipologie di dosimetri a nostra disposizione, come i più idonei a fornire misure di dose attendibili (nelle prescritte condizioni di funzionamento). Tali dosimetri sono stati sottoposti ad una specifica procedura di irraggiamento e successiva lettura, allo scopo di realizzare un’opportuna calibrazione nel rispetto di quanto prescritto dalle ISO/ASTM51956:2005(E) e ASTM standard E-668 in materia di applicazione della dosimetria a termoluminescenza.

In questo lavoro sono presi in considerazione gli andamenti delle concentrazioni in aria di 7Be e, per un più limitato periodo di tempo di 210Pb, e si è proceduto ad una analisi statistica dei dati, prendendo in esame le serie temporali (integrandole per i dati mancanti) dei valori medi mensili e settimanali al fine di operare confronti omogenei con dati disponibili di altre zone geografiche. Sono state studiate le correlazioni fra le serie di dati per i due radionuclidi ed è stata effettuata l’analisi in frequenza al fine di evidenziare ciclicità stagionali. Le analisi effettuate mostrano l’importanza dei processi di trasporto in atmosfera e l’influenza dei parametri meteo-climatici (in particolare temperatura e piovosità) nel determinare le concentrazioni in aria dei suddetti radionuclidi.

Il Dipartimento Energia, Ingegneria dell’Informazione e Modelli Matematici dell’Università degli Studi di Palermo (DEIM), ospita due facility di irraggiamento impiegate per attività di didattica, sperimentale e di ricerca: • Impianto di irraggiamento Gamma Sicilia 3 (IGS-3); Irradiatore neutronico Am-Be. In questa monografia sono presentate le caratteristiche dei due impianti di irraggiamento insieme alle proprietà di interazione delle radiazioni con la materia, con particolare riferimento agli effetti sui componenti elettronici.

An irradiator with four Am-Be neutron sources (activity 111 GBq each) was used for testing electronic RAD-HARD components developed for space application [1]. For this goal, an essential requirement to be met is the knowledge with sufficient precision of neutron and gamma-ray fluxes in the irradiation channel where the components are put for the test. For this goal, an experimental measurement activity was started to validate also Monte Carlo simulation results, obtained with application of MCNP5 code. As regards gamma-ray flux, we considered separately two gamma-ray contributions: the first one, at 60 keV energy, associated with the decay of the 241Am, and the second one, at 2.2 MeV, due to the radiative capture of neutrons in the biological shield (water) surrounding the neutron sources. Experimental measurements were realized with TLD700 dosimeters in two different configurations: TLD “naked” to measure the dose of the total gamma irradiation field, and TLD put inside a lead shield to determine (for difference) 60 keV gamma-ray contribution. The dimensions of used dosimeters, very small, allowed an accurate dose behaviour determination. For the TLD calibration, we exposed them to well-know doses values at the 60Co irradiator named IGS3, situated in the Department of the University of Palermo. As regards the evaluation of the neutron radiation field, experimental measurements were realized both by neutron activation with gold foils (nude and cadmium covered) and with thermoluminescent dosimeters (TLD600 and TLD700). Results have been compared with the ones obtained by a Monte Carlo (MCNP) simulation performed adopting a model of the irradiator previously validated [2]. The comparison between the experimental data and those obtained performing a Monte Carlo simulation allowed the determination of both neutron (thermal) and gamma field in several points inside the irradiation channel and, in particular, in those positions more used to the realization of irradiation tests. [1] S.G. Cappello, C. Pace, A. Parlato, S. Rizzo, E.TOMARCHIO: “ Gamma-ray irradiation tests of CMOS sensors used in imaging techniques”, Nuclear Technology & Radiation Protection 29 (2014), pp. S14-S19. [2] P. Buffa, S. Rizzo, E. TOMARCHIO: “A Monte Carlo-aided design of a modular 241Am-Be neutron irradiator”, Nuclear Technology & Radiation Protection XXVIII, No.3 (2013), pp. 265-272.

Vengono analizzati e discussi i risultati delle misure, effettuate con cadenza quasi giornaliera, delle concentrazioni in aria a Palermo di 7Be (1982-2005) e 210Pb (1995-2005). In particolare è esaminato l’andamento dei rapporti di attività dei due radionuclidi relativamente al periodo di disponibilità congiunta dei dati al fine di evidenziare possibili correlazioni tra i due radionuclidi e con i dati meteo-climatici locali. Il 7Be (tempo di dimezzamento 53,29 giorni) è il prodotto dell’interazione dei raggi cosmici con nuclei di azoto ed ossigeno. La sua origine cosmogenica rende le concentrazioni misurate fortemente dipendenti dalla posizione geografica e dai cicli stagionali. Esso emette fotoni gamma da 478 keV ed ha un tempo di dimezzamento di circa 53 giorni. Il 210Pb (tempo di dimezzamento 22.3 anni) è invece un prodotto di decadimento della famiglia radioattiva del 238U. Le attività specifiche di questo radionuclide sono quindi fortemente dipendenti dal sito di rilevazione. La sua emissione gamma a 46,5 keV rende necessario l’uso di un rivelatore adatto per le basse energie. Per quanto riguarda l’analisi statistica, si sono ricostruite le serie temporali (integrandole per i dati mancanti) per i valori medi mensili e settimanali al fine di operare confronti omogenei con dati disponibili di altre zone geografiche. Sono state studiate le correlazioni fra le serie di dati per i due radionuclidi ed è stata effettuata l’analisi in frequenza al fine di evidenziare ciclicità stagionali. Le analisi effettuate mostrano l’importanza dei processi di trasporto in atmosfera e l’influenza dei parametri meteo-climatici (in particolare temperatura e piovosità) nel determinare le concentrazioni in aria dei suddetti radionuclidi.

Si è utilizzato il codice di calcolo Montecarlo MCNP4C per simulare sia le sorgenti che i materiali strutturali dell’irradiatore IGS3, al fine valutarne i loro contributi. Il numero di storie simulate è stato fissato in modo da ottenere un errore casuale abbastanza piccolo. Si sono utilizzati due scenari: uno in presenza del ripiano di appoggio dei campioni da irradiare ed uno senza. I punti dose sono stati posti a tre distanze dalle sorgenti e a tre quote rispetto al piano di appoggio. Negli stessi punti–dose sono state eseguite delle misure sperimentali utilizzando due coppie di sorgenti di radioattive. Sia le simulazioni che i punti sperimentali sono stati messi in relazione con i risultati forniti dal calcolo.

Sono descritte la progettazione e realizzazione di uno schermo mobile per l’irradiatore neutronico Am-Be del Dipartimento DEIM utilizzato per testare la vita media di funzionamento di dispositivi elettronici sottoposti a campi di radiazioni. Il numero di componenti da provare può essere significativamente elevato in relazione all’attendibilità del test e alla statistica dei risultati che si vuole ottenere, con un conseguente incremento della dose all’operatore. Per ridurre il valore di dose-rate totale del campo misto (gamma-neutroni) di radiazione emergente dall’irradiatore si è realizzato uno schermo addizionale di piombo, ferro e acido borico con dimensioni ottimizzate dal punto di vista radioprotezionistico, strutturale ed economico. Per la caratterizzazione del campo di radiazione prima e dopo l’interposizione dello schermo sono state realizzate misure di dose con uno scintillatore plastico AUTOMESS 6150 AD–b/H per la componente gamma e un Neutron Dose Rate Meter ALNOR mod. 2202D per la componente neutronica. I valori di dose-rate misurati con lo schermo interposto hanno ampiamente confermato il conseguimento di un fattore di attenuazione pari ad almeno 0,1 e l’ottimizzazione dell’efficacia dello schermo nel rispetto dei vincoli imposti durante la progettazione. La dose efficace per l’operatore, anche con un numero elevato di irraggiamenti, risulta inferiore al limite radiologicamente non significativo fissato nel D.Lgs. 230/95 e s.m.i..

During operations with AGN-201 “COSTANZA” nuclear research reactor of Palermo University a failure of a compensated boron-lined ionization chamber provided with a measurement channel was highlighted. A maintenance program aimed to verify the operative conditions of all measurement systems was then started. It was easy to identify as cause of the malfunction a seepage of water inside the container of a Westinghouse WL 6377 ion chamber due to a lack of watertight closure. This can be attributed to corrosion of the container due to parasitic currents circulating between the container, the chamber and the reactor tank that acts as electrical ground of the system. In this work we refer over maintenance operations and on the protective devices adopted to avoid corrosion phenomena due to parasitic currents among various parts of the reactor. This maintenance experience can be reference for similar actions on other research reactors with a long operative life.

The quantities of positron emitting radionuclides used in medical diagnostics and the number of radiopharmaceutical production facilities have been estimated to be growing worldwide. In this field, an amount of these radionuclides might become airborne and escape into the environment during the process of production and/or during administration by hospital personnel. Therefore, the analysis of dose to the operating staff as well as to the public, due to releases through the stack, is a very important issue. To this end, sampling and measurement of radionuclide concentration in air released through the stack of a Nuclear Medicine Center (NMC), provided with a cyclotron for radiopharmaceuticals production, must be routinely carried out with an automatic measurement system. In this work is presented the analysis of the air concentration data recorded in “San Gaetano” NMC at Bagheria (Italy). The contaminated air at stack comes from cyclotron vault during irradiation, from Radiochemistry Laboratories during radiopharmaceuticals synthesis, from diagnostics room during medical scanning and other areas. Sampling of air was carried out continuously and gamma-ray spectrometric measurement are made on-line and for a short time by using a shielded Marinelli beaker filled with sampled air and a gamma detector. The use of this system allows to have 720 values per day from 2002, year of the start of operation with the cyclotron, until 2013. Therefore, the concentration values are very many and an analysis software is needed. The analysis allows either to determine the dose to the population and to evaluate possible improvements in the plant devices to reduce the air concentration at stack. Among engineered safety feature actuation systems, the provision of Air Compressing Stations (ACS), used for both hot cells and cyclotron vault releases, and a change in the position and height of the stack allow to ensure low level discharges from the stack and to reduce the dose to reference group of population. A comparison with the results of a simulation code based on a Gaussian Plume air dispersion modelling allow us to confirm the no-radiological significance of the stack effluent releases in terms of potential dose to population reference group, sited more than 100 m away from the plant.

Sono presentati i risultati di una attività di campionamento e misura della concentrazione di 210Pb in aria tramite analisi spettrometrica gamma di campioni di particolato atmosferico raccolto con un aspiratore di elevato volume, senza ricorrere a metodiche di separazione fisico-chimico di difficile realizzazione. I risultati sono messi in correlazione con alcuni parametri meteorologici, potendo determinare una debole correlazione con la temperatura, la quantità di precipitazione su base mensile e con la direzione del vento più che con la sua intensità.

Il presente lavoro riguarda la valutazione sperimentale delle componenti gamma e neutronica del campo di radiazioni presente in diversi punti all’interno del canale di irraggiamento di un irradiatore neutronico con sorgenti 241Am-Be. Per la componente gamma sono stati considerati due contributi: il primo associato a gamma di energia di 60 keV, dovuto al decadimento dell'241Am; il secondo a gamma di energia 2,2 MeV, dovuto alla cattura radiativa dei neutroni da parte dello schermo biologico (acqua) che circonda le sorgenti. Per le misure sperimentali sono stati utilizzati dosimetri tipo TLD700 in due diverse configurazioni: TLD "nudi" per misura della dose relativa al campo gamma totale e TLD schermati con piombo per la determinazione (per differenza) della componente a 60 keV. I dosimetri usati, le cui dimensioni risultano molto ridotte, consentono la determinazione “puntuale” della dose e sono stati confezionati e letti presso il nostro Laboratorio. La calibrazione dei TLD è stata effettuata con esposizione ad un campo gamma con dosi note presso l’impianto di irraggiamento gamma con sorgenti di 60Co, denominato IGS3, in dotazione al Dipartimento. Per la componente neutronica sono state effettuate valutazioni sperimentali sia tramite attivazione neutronica, utilizzando foglie di oro, sia con dosimetri TLD600 e TLD700. I risultati sono stati poi confrontati con i valori ottenuti mediante una simulazione con il codice Monte Carlo MCNP nella versione 4C. E’ stato inoltre possibile correlare le misurazioni effettuate con dosimetri TLD600 e TLD700 con i dati relativi al flusso neutronico, potendo così calibrare gli stessi dosimetri nelle modalità operative adottate. I dati ottenuti sperimentalmente e quelli tramite simulazione Monte Carlo hanno consentito la determinazione dell'andamento del campo neutronico e gamma in diversi punti all'interno del canale di irraggiamento e in modo particolare nelle posizioni più utilizzate per le prove di irraggiamento.

Medical errors are one of the leading causes of death and injury in radiation therapy administration as reported in the literature. This point out an overall deficiency in management allowing patient treatment in the absence of suitable quality assurance processes. Clinical records of major accidental exposure events in radiotherapy show that there is a combination of factors contributing to the accident such as deficient staff training, lack of independent checks, lack of quality control procedures, and absence of overall supervision. Another finding is that training generally addresses only normal situations and does not prepare radiotherapy staff for unusual situations, resulting in a lack of a 'safety culture'. In this respect, obviously, it is very important to perform risk analysis to suitably deal with hazards related to human factor with the aim to improve safety standards and to overcome this weakness in all steps of a radiation therapy process. In this paper a new fuzzy assessment model is proposed to evaluate the human factors by using the THERP methodology, a well-known tool based on fault-tree approach for evaluating the probability of errors. Moreover some case study relevant to accidental events leading to potential radiological over-exposure of patients during various radiation treatments are examined by using the proposed new approach to test the validity of the method over the whole range of possible circumstances. The critical analysis of the obtained results allows to provide recommendations and suggestions regarding safety equipment and procedures which can be adopted to reduce the occurrence of accidents. Therefore, the method seems able to solve some problems in conventional Human Error Assessment applications and improve the safety and quality of processes where human errors are the most important cause of accidents.

A new fuzzy rule-based assessment model is proposed to evaluate the risk priority number in the Failure Mode, Effects, and Criticality Analysis (FMECA) method to rank component failures and human errors from the medical staff, leading to potential radiological over-exposure of patients during high-dose-rate brachytherapy treatment. The obtained results are relevant for a range of causes that have a reasonable probability of producing significant adverse outcomes. Thus, recommendations are provided for procedures and safety devices to reduce the occurrence of radiological over-exposure accidents. This method can solve the problems in conventional FMECA applications and improve the safety and quality process of radiological treatments, or of other applications in healthcare field.

Lo studio degli effetti delle radiazioni neutroniche sul funzionamento dei componenti che fanno parte dei più comuni sistemi elettronici comporta lo studio della fluenza neutronica di origine cosmica a livello del suolo. Infatti la sorgente primaria dei neutroni in atmosfera è principalmente individuabile nell’interazione tra i raggi cosmici di origine solare ed i vari strati dell’atmosfera. Il campo neutronico pertanto non è dunque costante ma dipende fortemente dai cicli di attività solare. In questo lavoro sono presentati i risultati di due cicli di misurazioni del “dose rate” da neutroni nei periodi 21-28 Febbraio e 29 Febbraio-7 Marzo 2012. La strumentazione utilizzata è costituita dal Neutron Dose Rate Meter Alnor 2202 D la cui risposta è stata registrata tramite l’impiego di una scheda di acquisizione ORTEC MCS-32 controllata in ambiente Windows. I dati ottenuti sono stati confrontati con le letture del Neutron Monitor dell'Osservatorio SVIRCO di Roma, che hanno confermato le fluttuazioni nelle misurazioni su base temporale. Con l’ausilio del Neutron Monitor Data Base è stato inoltre possibile definire un fattore correttivo che tenesse conto delle fluttuazioni nel flusso di raggi cosmici durante il corso di un ciclo solare, riscontrato pari a k=1,083. Dal confronto tra le misurazioni effettuate ed i dati forniti dalle reti di monitoraggio dei raggi cosmici è possibile ottenere un valore del “dose rate” e del rateo di fluenza neutronici mediati su un ciclo solare.

An overview on our activity of environmental radioactivity measurement is reported. Radionuclide concentration have been evaluated in the particulate air, soils and rocks, drinking and surface water, wastewater, marine sediments and so on. Most of radionuclide concentration evaluation were performed using facilities of DEIM Department of Palermo University. In particular, particulate collection was performed by suction of atmospheric air through 45x45 Sofiltra-Poelman HYN-75 (Bleu type) cellulose filter paper using a high-volume air sampler located on the roof of our department building (20 m above ground-level), located within an undisturbed large park area in the city of Palermo (latitude 38° 7’ North, longitude 13° 21’ East). The studies here described and carried out for several years deal with the development of methods for filtration of particulate matter, techniques for measuring the flow rate and total volume of filtered air, the determination of the activity of radionuclides present on filter using gamma spectrometry, and so on. The review is complemented by the analysis of the concentrations of radionuclides of natural origin, mainly 7Be and 210Pb, and ratios of their concentration values. Other experiences regard the measurement of radionuclide concentration in water samples contained in Marinelli beakers, in soil and rock samples to determine the radionuclide inventory to correlate with geomorphologic features, dating of a bay sediment, measurement on wastewater from a dynamic system of sewers. This multi-year research dedicated to the development of techniques for sampling and design and realization of more sensitive and efficient measuring systems, it can be a valuable learning platform for students of Master Courses, as well as contribute to the exchange of experience with other researcher of other institutions or Universities.