Nous dispositius en carbur de silici aconsegueixen detectar part de la radiació indesitjada en radioteràpia

Una investigació liderada per l’Institut de Microelectrònica de Barcelona del CSIC (IMB-CNM-CSIC) ha avaluat amb èxit l’ús de detectors basats en carbur de silici (SiC) per quantificar el flux de neutrons tèrmics secundaris en radioteràpia convencional. És un avenç que ajudaria a conèixer una part de la radiació indesitjada en els tractaments i reduir el possible risc.

Tot i que actualment ja existeixen detectors per a aquesta funció, la rellevància d’ aquests nous dispositius enfront dels actuals basats en silici és que són més resistents, i poden funcionar en condicions de molt alta radiació, per la qual cosa poden tenir una vida mitjana superior.

“Els detectors implementats en aquesta investigació”, diuen els autors a l’article, “ofereixen prometedores capacitats per a un ampli rang d’aplicacions, incloent-hi dosimetria de neutrons, monitoratge de la radiació, seguretat nuclear i investigació científica”.

Aquest desenvolupament, amb finançament europeu i del Consell de Segurtat Nuclear (CSN), representa un pas important cap al disseny i la producció de detectors de neutrons en carbur de silici (SiC) a la Sala Blanca de Micro i Nanofabricació de l'IMB-CNM-CSIC, node principal de la Infraestructura Científica i Tècnica Singular (ICTS) Micronanofabs.

El treball, publicat a Scientific Reports, de Nature, ha estat liderat per Martín Pérez, investigador postdoctoral amb una beca Marie Curie a l’IMB-CNM-CSIC, i ha comptat amb la participació dels investigadors del mateix centre Felipe Zamorano, Celeste Fleta, Marcio Jiménez, Gemma Rius, Giulio Pellegrini, tots ells encapçalats per Consuelo Guardiola.

També hi han participat Philippe Godignon, anteriorment a l’IMB-CNM-CSIC; Carles Muñoz-Montplet i Diego Jurado-Bruggeman, de l'Institut Català d’Oncologia (ICO), l’Hospital Universitari de Girona Doctor Josep Trueta i un grup de l'Institut de Ciència de Materials de Barcelona del CSIC (ICMAB-CSIC), encapçalat per Pablo Guardia. 

Un material prometedor

El nou dispositiu, un díode de SiC combinat amb diferents materials convertidors de neutrons, constitueix una alternativa capaç de substituir tant els sistemes de detecció basats en semiconductors de silici com els detectors tradicionals que empren helio-3 en entorns de molt alta radiació.

El carbur de silici, explica Martín Pérez, és molt més resistent a la radiació i a les altes temperatures que el silici, i és més fàcil d’obtenir que l’heli-3. A més, és una alternativa més accessible i econòmica que el diamant, un altre material utilitzat per a la fabricació d’aquest tipus de detectors.

Detectar la radiació secundària

Detectar neutrons resulta crucial per a aplicacions en radioteràpia, així com científiques i industrials. En l’estudi s’han realitzat els primers mesuraments de neutrons tèrmics (de baixa energia) produïts per acceleradors lineals de radioteràpia (LINAC) estàndard amb els nous detectors.

Els acceleradors LINAC produeixen feixos de fotons per tractar tumors. Un inconvenient és que, a partir d’una energia determinada (uns 8 MeV o mega electró volts), es genera una radiació secundària indesitjada de neutrons que no serveixen per tractar el tumor i, en canvi, pot arribar a danyar teixits circumdants sans. Cal tenir en compte, puntualitza Consuelo Guardiola, que “en general per a tumors superficials se solen fer servir menys de 0.5 MeV (que són de fet raigs X) i que per a tumors més profunds es fan servir entre 4 i 15 MeV (fotons). Aquells tractaments que fan servir més de 8 MeV poden produir neutrons com a partícules secundàries al capçal de l’accelerador, tot i que el flux depèn del model de l’accelerador, la tècnica de tractament o nombre de camps, entre d’altres”. Així doncs, conèixer aquesta dosi de neutrons és fonamental per garantir les dosis segures de radiació.

Els nous detectors de carbur de silici s’ han provat amb un accelerador LINAC operant a 15 MV, i s’ ha aconseguit mesurar el flux de neutrons tèrmics al voltant de la llitera on estarien els pacients, mesurant amb èxit els nivells de neutrons tèrmics a diferents energies i taxes de dosi de radiació.

“Això permet saber la dosi secundària procedent de neutrons i, així, ponderar si s’està subministrant més de la tolerable. Aquest treball ha estat el punt de partida per provar el dispositiu en modalitats més avançades”, apunta Consuelo Guardiola.

En totes les condicions, el detector va mostrar una resposta lineal, sense signes de saturació o pèrdua de dades, i una alta eficiència. Els dispositius han estat dissenyats i fabricats a l’IMB-CNM-CSIC, un dels pocs centres al món amb experiència i infraestructura tecnològica a la seva Sala Blanca per fabricar dispositius de carbur de silici per a radioteràpia.  L’electrònica de lectura ha estat desenvolupada a l'IMB-CNM per Martín Pérez. Tots els mesuraments s’han realitzat a l’Hospital Universitari de Girona Doctor Josep Trueta.

Per la seva banda, l'equip de l'ICMAB-CSIC ha desenvolupament les capes de conversió de liti per recobrir el dispositiu, que reaccionen exclusivament davant la presència de neutrons i generen un senyal que pot ser detectat, i que serveix per revelar i quantificar el flux de neutrons.

Aquests detectors permeten el monitoratge en temps real de neutrons tèrmics secundaris, la qual cosa resulta fonamental per als nous tipus de radioteràpia que requereixen mesuraments instantànies. Per exemple, explica Martín Pérez, “aquests detectors poden mantenir un bon rendiment fins i tot estant sotmesos a altes i repetides dosis de radiació, una cosa essencial per poder establir una dosimetria precisa i confiable en radioteràpia”.

A més, aquest tipus de dispositius també serveixen per realitzar comparacions entre diferents acceleradors, establir el blindatge que ha de tenir la sala segons el nivell de radiació, o altres aplicacions en l’àmbit de la seguretat nuclear.

Aquest projecte ha rebut finançament del programa de recerca i innovació Horitzó 2022 de la Unió Europea en virtut de l’acord de subvenció Marie Sklodowska-Curie n° 101106191 i del Consell de Seguretat Nuclear (CSN), projecte Subvencions 2022 SUB-08.

_{Article de referència: Martin Perez et al. Evaluation of a silicon carbide P-N diode for thermal neutron detection in a radiotherapy LINAC. Scientific Reports, (2025) 15:30543 | https://doi.org/10.1038/s41598-025-13052-w}

• Electrònica de lectura per al sistema de mesura.
• Díode de carbur de silici muntat sobre una placa de circuit imprès (PCB) personalitzada.
• Imatge del detector amb microscopi òptic.
• Equip de l'IMB-CNM i ICMAB que signa el paper: Celeste Fleta, Marcio Jiménez, Consuelo Guardiola, Martín Pérez, Felipe Zamorano i Pablo Guardia.