Nuevos dispositivos en carburo de silicio consiguen detectar parte de la radiación indeseada en radioterapia

Una investigación liderada por el Instituto de Microelectrónica de Barcelona del CSIC (IMB-CNM-CSIC) ha evaluado con éxito el uso de detectores basados en carburo de silicio (SiC) para cuantificar el flujo de neutrones térmicos secundarios en radioterapia convencional. Es un avance que ayudaría a conocer una parte de la radiación indeseada en los tratamientos y reducir el posible riesgo.

Aunque actualmente ya existen detectores para esta función, la relevancia de estos nuevos dispositivos frente a los actuales basados en silicio es que son más resistentes, y pueden funcionar en condiciones de muy alta radiación, por lo que pueden tener una vida media superior.

"Los detectores implementados en esta investigación", dicen los autores en el artículo, "ofrecen prometedoras capacidades para un amplio rango de aplicaciones, incluyendo dosimetría de neutrones, monitorización de la radiación, seguridad nuclear e investigación científica".

Este desarrollo, con financiación europea y del Consejo de Seguridad Nuclear (CSN), representa un paso importante hacia el diseño y la producción de detectores de neutrones en carburo de silicio (SiC) en la Sala Blanca de Micro y Nanofabricación del IMB-CNM-CSIC, nodo principal de la Infraestructura Científica y Técnica Singular (ICTS) Micronanofabs.

El trabajo, publicado en Scientific Reports, de Nature, ha sido liderado por Martín Pérez, investigador postdoctoral con una beca Marie Curie en el IMB-CNM-CSIC, y ha contado con la participación de los investigadores del mismo centro Felipe Zamorano, Celeste Fleta, Marcio Jiménez, Gemma Rius, Giulio Pellegrini, todos ellos encabezados por Consuelo Guardiola.

También han participado Philippe Godignon, anteriormente en el IMB-CNM-CSIC; Carles Muñoz-Montplet y Diego Jurado-Bruggeman, del Institut Català d’Oncologia (ICO), el Hospital Universitari de Girona Doctor Josep Trueta y un grupo del Institut de Ciència de Materials de Barcelona del CSIC (ICMAB-CSIC), encabezado por Pablo Guardia. 

Un material prometedor

El nuevo dispositivo, un diodo  de SiC  combinado con distintos materiales convertidores de neutrones, constituye una alternativa capaz de sustituir tanto a los sistemas de detección basados en semiconductores de silicio como a los detectores tradicionales que emplean helio-3 en entornos de muy alta radiación.

El carburo de silicio, explica Martín Pérez, es mucho más resistente a la radiación y a las altas temperaturas que el silicio, y es más fácil de obtener que el helio-3. Además, es una alternativa más accesible y económica que el diamante, otro material utilizado para la fabricación de este tipo de detectores.

Detectar la radiación secundaria

Detectar neutrones resulta crucial para aplicaciones en radioterapia, así como científicas e industriales. En el estudio se han realizado las primeras mediciones de neutrones térmicos (de baja energía) producidos por aceleradores lineales de radioterapia (LINAC) estándar con los nuevos detectores.

Los aceleradores LINAC producen haces de fotones para tratar tumores. Un inconveniente es que, a partir de una energía determinada (unos 8 MeV o mega electrón voltios),  se genera una radiación secundaria indeseada de neutrones que no sirven para tratar el tumor y, en cambio, puede llegar a dañar tejidos circundantes sanos.  Hay que tener en cuenta, puntualiza Consuelo Guardiola, que “en general para tumores superficiales se suelen usar menos de 0.5 MeV (que son de hecho rayos X) y que para tumores más profundos se usan entre 4 y 15 MeV (fotones). Aquellos tratamientos que usan más de 8 MeV pueden producir neutrones como partículas secundarias en el cabezal del acelerador, aunque el flujo depende del modelo del acelerador, la técnica de tratamiento o número de campos, entre otros”. Así pues, conocer esta dosis de neutrones es fundamental para garantizar las dosis seguras de radiación.

Los nuevos detectores de carburo de silicio se han probado con un acelerador LINAC operando a 15 MV , y se ha logrado medir el flujo de neutrones térmicos alrededor de la camilla donde estarían los pacientes, midiendo con éxito los niveles de neutrones térmicos a diferentes energías y tasas de dosis de radiación.

"Eso permite saber la dosis secundaria procedente de neutrones y, así, ponderar si se está suministrando más de la tolerable. Este trabajo ha sido el punto de partida para probar el dispositivo en modalidades más avanzadas", apunta Consuelo Guardiola.

En todas las condiciones, el detector mostró una respuesta lineal, sin signos de saturación o pérdida de datos, y una alta eficiencia. Los dispositivos han sido diseñados y fabricados en el IMB-CNM-CSIC, uno de los pocos centros en el mundo con experiencia e infraestructura tecnológica en su Sala Blanca para fabricar dispositivos de carburo de silicio  para radioterapia.  La electrónica de lectura ha sido desarrollada en el IMB-CNM por Martín Pérez. Todas las mediciones se han realizado en el Hospital Universitari de Girona Doctor Josep Trueta.

Por su parte, el equipo del ICMAB-CSIC ha desarrollo las capas de conversión de litio para recubrir el dispositivo, que reaccionan exclusivamente ante la presencia de neutrones y generan una señal que puede ser detectada, y que sirve para revelar y cuantificar el flujo de neutrones.

Estos detectores permiten la monitorización en tiempo real de neutrones térmicos secundarios, lo cual resulta fundamental para los nuevos tipos de radioterapia que requieren mediciones instantáneas. Por ejemplo, explica Martín Pérez, "estos detectores pueden mantener un buen rendimiento incluso estando sometidos a altas y repetidas dosis de radiación, algo esencial para poder establecer una dosimetría precisa y confiable en radioterapia".

Además, este tipo de dispositivos también sirven para realizar comparaciones entre diferentes aceleradores, establecer el blindaje que debe tener la sala según el nivel  de radiación, u otras aplicaciones en el ámbito de la seguridad nuclear.

Este proyecto ha recibido financiación del programa de investigación e innovación Horizonte 2022 de la Unión Europea en virtud del acuerdo de subvención Marie Sklodowska-Curie n.° 101106191 y del Consejo de Seguridad Nuclear (CSN), proyecto Subvenciones 2022 SUB-08.

_{Artículo de referencia: 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}

• Dispositivo de electrónica de lectura para el sistema de medida.
• Diodo de carburo de silicio montado sobre una placa de circuito impreso (PCB) personalizada.
• Imagen del detector con microscopio óptico.
• Equipo del IMB-CNM e ICMAB que firma el paper: Celeste Fleta, Marcio Jiménez, Consuelo Guardiola, Martín Pérez, Felipe Zamorano y Pablo Guardia.