Radiophotoluminescence dosimetry using visible emitting colour centres in pure LiF crystals: the clinical dose challenge in radiotherapy

The visible photoluminescence (PL) response of radiation-induced stable aggregate colour centres in nominally pure lithium fluoride crystals irradiated with high energy photons (6 MV X-rays clinical beams and 60Co gamma rays from a calibrated source for comparison purposes) in the 1-100 Gy dose range was investigated to assess its application in clinical dosimetry. Optical transmittance and laser-excited PL spectra of the irradiated LiF crystals were measured in a period that spanned from six weeks to six months after their irradiation. The net PL intensity of the integrated F2 and F3+ emission spectra as a function of absorbed dose exhibited a linear behaviour (R2=0.99) in the 1 to 100 Gy dose range. This work was mainly performed during the sabbatical year (Sept. 2013-Aug. 2014) of Prof. Jose Eduardo Villarreal-Barajas, from University of Calgary (Canada), in the Photonics Micro and Nanostructures Laboratory at ENEA C.R. Frascati (Italy). This preliminary investigation provided experimental evidence of the potential application of nominally pure LiF crystals as passive solid-state clinical dosimeters for radiotherapy based on radiophotoluminescence (RPL).

La fotoluminescenza (PL, photoluminescence) visibile di centri di colore aggregati stabili, indotti da radiazione in cristalli di LiF irraggiati con fotoni di alta energia (raggi-X da 6 MV prodotti da un acceleratore lineare clinico presso il Tom Baker Cancer Centre, a Calgary, Canada e, per confronto, con raggi gamma da una sorgente calibrata di 60Co presso INMRI, Centro Ricerche ENEA Casaccia (RM), Italia) è stata proposta e studiata per applicazioni dosimetriche in radioterapia oncologica. Gli spettri di trasmittanza ottica e quelli di fotoluminescenza eccitati da un laser operante a 458 nm sono stati misurati in un periodo che va da 6 settimane a 6 mesi dopo l’irraggiamento. L’intensità del segnale netto di PL, integrato spettralmente come somma delle bande di emissione dei centri F2 and F3+, in funzione della dose assorbita mostra un andamento lineare (R2=0.99) nell’intervallo tra 1 e 100 Gy, di interesse per la dosimetria clinica in radioterapia. Questo lavoro è stato svolto principalmente durante l’anno sabbatico (settembre 2013-agosto 2014) che il Prof. Jose Eduardo Villarreal-Barajas, dell’University of Calgary, ha trascorso presso il Lab. Micro e Nanostrutture per Fotonica del Centro Ricerche ENEA di Frascati (RM), Italia. Questi risultati preliminari forniscono la prima evidenza sperimentale dell’applicabilità di cristalli di LiF nominalmente puri come dosimetri passivi a stato solido basati sulla radiofotoluminescenza (RPL, Radiophtoluminescence) in radioterapia.