Journées du réseau semi-conducteurs - CPPM - 25 Juin 2019 - Indico

Journées du réseau semi-conducteurs – CPPM – 25 Juin 2019

Hadronthérapie

Radiothérapie externe par faisceaux d’ions légers (protons et ions carbone)

 Tissus sains Tumeur

 Rayons X Pic de Bragg étalé

 Pic de Bragg

 Faisceau de protons

 9 champs
 Profondeur depuis la peau 2 champs
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 http://www.shi.co.jp/quantum/eng/product/proton/proton.html

Incertitudes sur le parcours des ions

 Planification de dose idéale Effet des différences de composition des tissus

 Knopf and Lomax, Phys. Med. Biol. 58 (2013) R131–R160

Sources d’incertitudes
 • Planification du traitement
 Marges de sécurité
 • Positionnement du patient cliniques sur parcours Intérêt d’un contrôle en
 effectif ligne du parcours des ions
 • Mouvement des organes (ex : 1 cm pour
 parcours 20 cm)
 • Evolution morphologique
 du volume tumoral 1/25
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Production de particules secondaires

 Simulation Geant4 Cas des photons gamma-prompts
 Pic de Bragg
 • Issus de collisions inélastiques ions incidents / noyaux cibles

 • ∆ é ~ 10−12 

 • Profil d’émission spatialement corrélé au parcours des ions

 Krimmer et al., Nucl. Instr. Meth. A, 878 (2017) 58-73

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Production de particules secondaires

 Simulation Geant4 Gamma-prompts : Expérience avec ions 12C @ 95 MeV/u
 Pic de Bragg sur cible Plexiglas - Spectre Temps-de-Vol

 Krimmer et al., Nucl. Instr. Meth. A, 878 (2017) 58-73 Mauro Testa, Thèse, Univ. Lyon, 2010

 1/25
 3/16

Production de particules secondaires

 Simulation Geant4 Gamma-prompts : Expérience avec ions 12C @ 95 MeV/u
 Pic de Bragg sur cible Plexiglas - Spectre Temps-de-Vol

 Autres particules
 secondaires
 Bruit

 Photons
 gamma-prompts

 Krimmer et al., Nucl. Instr. Meth. A, 878 (2017) 58-73 Mauro Testa, Thèse, Univ. Lyon, 2010

 1/25
 3/16

Production de particules secondaires

 Simulation Geant4 Gamma-prompts : Expérience avec ions 12C @ 95 MeV/u
 Pic de Bragg sur cible Plexiglas - Spectre Temps-de-Vol

 Autres particules
 secondaires
 Bruit

 Photons
 gamma-prompts

 Krimmer et al., Nucl. Instr. Meth. A, 878 (2017) 58-73 Mauro Testa, Thèse, Univ. Lyon, 2010

 Collaboration CLaRyS

CLaRyS: Contrôle en Ligne de l’hadronthérapie par détection de Rayonnements Secondaires
 1/25
 3/16
4 laboratoires: LPSC, IPNL, CPPM, CREATIS Lyon

Détection de Photons Gamma Prompts
 Caméra multi-collimatée (1D) Caméra Compton (2D ou 3D)

 Imagerie Gamma Prompt
 par Temps-de-Vol

 Start Fast
 gamma
Hodoscope : réduction bruit de fond & position transverse detector
 Stop
 (delayed)

 Objectif CLaRyS-Ultra-Fast Timing : Résolution 100 ps

 → Imagerie par Temps-de-Vol uniquement (cf Poster Sara Marcatili)
 Hodoscope 1/25
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Développement d’un hodoscope faisceau

 Position Y (mm)
 IPNL : Hodoscope à fibres scintillantes

 Nombre de coups
• ~ 1 → filtration bruit de fond
• Photomultiplicateurs (512 voies)
• Surface sensible : 12.8 × 12.8 cm²
• En cours de test au Centre Antoine Lacassagne (Nice) Position X (mm)
 Mattia Fontana, Thèse, Univ. Lyon (2018)

 Intérêt de concevoir un nouvel hodoscope avec :

 • Excellente résolution temporelle
 → Possibilité de reconstruction uniquement basée Diamant synthétique
 sur Temps-de-Vol
 • Résistance aux radiations
 • Capacité de comptage très élevée
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Le diamant : semi-conducteur intrinsèque

Caractéristiques à 300 K

 Diamant Silicium
 Résistivité (Ω.m) > 1013 2.3 ∙ 107
 Gap (eV) 5.5 1.1
 Energie création paire e-/h (eV) 13.1 3.6
 Energie de déplacement (eV) 43 25
 Mobilité des porteurs (cm².V-1.s-1) > 2000 800 – 1400
 Conductivité thermique (W.cm-1.K-1) 18 2

 → Courants de fuite très faibles
 → Bas bruit
 → Résistant aux radiations
 → Très rapide
 → Opération à température ambiante
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Le diamant synthétique comme détecteur
 Electronique de lecture
 Chambre d’ionisation solide

 Electrode
 • Préamplificateur de courant
 +— — +
 Diamant + —
 +— —+
 — +
 + —
 Electrode

 Particule ionisante

 Assemblage de détecteurs
 Bande passante: 2 GHz
 Gain: 40 dB
 Impédance: 50 Ω
 mA

 + selon application :
 Circuit imprimé adapté 50Ω
 • Préamplificateur de charges

 Diamant • Electromètre
 Intercalaire
 1/25
 7/16
 3 cm

Le diamant synthétique comme détecteur

 Chambre d’ionisation solide Projet MoniDiam (LPSC) : Hodoscope diamant
 Cahier des charges:
 Electrode
 +— — +
 Diamant + — • ~ 100 
 +— —+
 — +
 + — • Comptage ~ 10 MHz/voie
 Electrode

 Particule ionisante
 • Résolution spatiale ~ 1 mm
 • Résistant aux radiations
 Assemblage de détecteurs

 Circuit imprimé adapté 50Ω

 Diamant Intercalaire
 1/25
 7/16
 3 cm

Détecteurs à pistes

1 cm²
 P

 Circuit imprimé Circuit imprimé

 TOP Pistes X
 BOTTOM
 Pistes Y

 1 cm

 Plateforme NANOFAB @ Institut Néel LPSC Grenoble
 • Circuits imprimés
 • Dépôt pistes par lithographie UV • Préamplificateurs de courant 1/25
 8/16
 • Fils de liaison piste/circuit • Montage et assemblage

Différents type de diamants

2 procédés de croissance:
• Haute Pression-Haute Température (contamination azote et bore)
• Dépôt Chimique en phase Vapeur (CVD)

 Hétéroépitaxie sur
 Monocristallin (mono) Polycristallin (poly)
 Iridium (DOI)
 Taille max dispo. 4.5 x 4.5 mm² 20 x 20 mm² 10 x 10 mm²
 Rapidité +++ ++ ++
 Sensibilité ++ + ?
 Homogénéité ++ ? ?
 Disponibilité 43
 Prix €€€ € €€

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 9/16

Caractérisation en laboratoire

Source α = 241Am (~5.5 MeV, 6.38 kBq) Electronique rapide
 ↔ 14 µm dans diamant (

Caractérisation en laboratoire

Source α = 241Am (~5.5 MeV, 6.38 kBq) Electronique rapide
 ↔ 14 µm dans diamant (

Caractérisation en laboratoire

Source α = 241Am (~5.5 MeV, 6.38 kBq) Electronique de spectroscopie
 ↔ 14 µm dans diamant (

Résolution temporelle
 mono
Evaluation de la résolution temporelle Faisceau
 • Numérisation des signaux
 • Discrimination à seuil normalisé Echantillonneur
 rapide
 • Ajustement

 Ions 12C 95 MeV/u @ GANIL Protons 68 MeV @ ARRONAX Photons 8.5 keV @ ESRF
 = = mono vs DOI
 DOI vs RF
 mono vs RF

 ∆ = 25 (300 µm diamant) ∆ = 1 (300 µm diamant) 1/25
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poly DOI
 Efficacité de détection spécifique DOI
 Collimateur
 mono (trigger)
 Ions incidents

 Faisceau pulsé - protons 68 MeV 3 ns
 ∆ = 2 (2 protons dans 300 µm diamant)
 33 ns

• Filtration événements (amplitude et Échantillonneur rapide
 temps de Vol) WaveCatcher

 2 MeV detection efficiency (w/ background rejection)
 poly
• Sommation signaux faces opposées:
 DOI
 → Rapport Signal/Bruit × 2

• Balayage en fonction de la valeur
 de seuil appliquée

 Ntriple Nfortuites
 ε = 1−
 Ndouble Ndouble

 1/25
 12/16

Caractérisation sous microfaisceau X

 Microfaisceau pulsé Rayons X (8.5 keV)

 ~1500 photons / pulse

 Ø spot : 1 µm
 100 ps

 704 ns

• Mode courant : Balayage de la surface
 Système
• Mode impulsion : Performance d’acquisition
 détecteurs à pistes

 1/25
 13/16

Réponse en courant
 Rayons X 8.5 keV
 Cartographie du courant induit par le microfaisceau

 Système
 d’acquisition
 poly (pistes 1cm²)
DOI

 mono

 1/25
 14/16

Résolution temporelle des détecteurs à pistes

 Résolution temporelle (rms)

 Y3-X3 = 103 ps
 Y3-X4 = 112 ps

 Y3-X2 = 127 ps

 Échantillonneur rapide

 Y3-X5 = 178 ps
 EXT trig

 RF faisceau

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Conclusions α
 rayons X
• Outils de caractérisation ont été développés
 protons
• Comparaison des performances pour différentes qualités de cristaux (mono, poly et DOI)

• Résolution temporelle en accord avec les attentes du projet

• Premiers détecteurs à pistes donnent des résultats satisfaisants

 Perspectives

• Efficacité proton unique en cours d’analyse

• Montage démonstrateur avec 4 diamants

• Tests et caractérisation électronique dédiée (cf présentation F.E. Rarbi) puis intégration sur détecteur

• Evaluation performances sous faisceaux d’ions (protons et carbone)

• Intégration au système d’acquisition de la collaboration CLaRyS
 16/16

Merci à tous pour votre attention

Ce travail a bénéficié du support des institutions suivantes: