Développement d'une caméra gamma de troisième génération

Design of a third generation gamma camera

• Auteur / Autrice : Hermine Lemaire
• Direction : Stéphane Normand, Jean-Claude Angélique
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Constituants élémentaires
• Date : Soutenance en 2015
• Etablissement(s) : Caen
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale structures, informations, matière et matériaux (Caen ; 1992-2016)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de physique corpusculaire de Caen (1947-....)
• Jury : Président / Présidente : Jacques André
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Stéphane Normand, Jean-Claude Angélique, Jacques André, Gérard Montarou, Wilfried Patrick Uhring, Raphael Ballagriga, Nabil Menaa
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Gérard Montarou, Wilfried Patrick Uhring

Mots clés

Mots clés contrôlés

Algorithmes EM

Détecteurs à semiconducteurs

Rayons gamma

Thèses et écrits académiques

Physique nucléaire

Résumé

La localisation des radioéléments émetteurs gamma constitue un enjeu majeur pour l’industrie nucléaire et pour les applications de sécurité intérieure. La caméra gamma à masque codé GAMPIX, développée par le CEA LIST, est apte à réaliser cette localisation. Sa principale limitation est l’absence d’information spectrométrique empêchant l’identification des éléments détectés. De là, l’objectif de la thèse a été le développement d’un spectro-imageur gamma à masque codé permettant d’assurer conjointement la localisation et l’identification des radioéléments émetteurs. Dans un premier temps, nous avons mis en place un système de détection optimisé du point de vue de la spectrométrie en partant du système actuellement intégré à GAMPIX, composé de la puce de lecture Timepix hybridée à un substrat de tellurure de cadmium. Après réglage des paramètres de la puce, nous avons déterminé la tension de polarisation optimale du substrat puis réalisé la calibration du système de détection. Un deuxième axe de recherche a été dédié à l’intégration de l’information spectrométrique issue du système de détection dans le traitement des données. Deux approches ont été mises en œuvre et testées, reposant respectivement sur un fenêtrage en énergie des données et sur l’utilisation d’algorithmes MLEM. Une dernière partie a enfin été consacrée à l’évaluation de détecteurs apportant une plus-value par rapport à Timepix en termes de performances spectrométriques. Deux détecteurs ont été testés : le détecteur Medipix3 développé par le CERN et le détecteur Caliste HD conçu par l’IRFU (CEA). Ce dernier a été intégré à un prototype de caméra gamma et des tests ont prouvé la pertinence de son utilisation dans un tel système.

Ocalization of gamma ray emitters is currently a major issue for nuclear industry and for Homeland Security applications. The GAMPIX coded-mask gamma camera developed by the CEA is able to carry out this localization. Its main limitation is the lack of spectrometric information preventing the identification of detected radionuclides and consequently the assessment of radiation dangerousness. Based on this observation, the aim of the PhD was to design a coded-mask gamma imaging-spectrometer for simultaneous localization and identification of gamma ray emitters. In a first time, we implemented a detection system, optimized for spectrometry, based on the system currently integrated in GAMPIX which is composed of a Timepix readout chip (designed by the CERN) hybridized with a cadmium telluride semiconductor substrate. After setting the electronic parameters of the chip, we determined the optimal bias voltage for the substrate and achieved energy calibration of the detection system. A second research path dealt with the integration of the spectrometric information coming from the detector into data treatment. Two trails were considered respectively based on an energy windowing of the data and on the use of MLEM algorithms. A last part was finally dedicated to the assessment of detectors providing an added value compared to Timepix in terms of spectrometric performances. Two detectors were considered: the Medipix3 detector designed by the CERN and the Caliste HD detector developed by the IRFU Institute (CEA). The latter was integrated into a prototype of gamma camera and tests proved the relevance of its use in such a system.