Scintillation iono-induite dans les solides organiques : Elaboration d'un modèle de trace moyenne,dégradation de l'intensité de scintillation et application en dosimétrie

Ion induced scintillation in organic solids : development of an average track model,degradation of the scintillation intensity and dosimetric applications

• Auteur / Autrice : David Broggio
• Direction : Klaus Lützenkirchen, Jean-Marc Jung
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance en 2004
• Etablissement(s) : Université Louis Pasteur (Strasbourg) (1971-2008)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Scintillateurs

Dosimétrie

Hadrons

Collisions (physique nucléaire)

Résumé

Ce travail concerne un aspect particulier de l'interaction ion-matière : la scintillation iono-induite, en particulier dans les solides organiques. Dans un premier temps nous élaborons une méthode de calcul de la dose radiale, dans l'approche du modèle de la trace moyenne. Nous utilisons l'équation de transport de Lewis et la distribution d'énergie dissipée de Spencer, afin de prendre en compte, de manière réaliste, les électrons secondaires émis le long du parcours de l'ion. Dans un deuxième temps nous étudions les mécanismes à l'origine de la scintillation iono-induite et nous appliquons notre modèle de dose radiale. Nous discutons les mérites de différentes approches et nous mettons en évidence la nécessité de modéliser soigneusement les mécanismes d'inhibition de l'énergie d'ionisation. L'efficacité relative des différents canaux d'inhibition est, en effet, difficile à évaluer, en particulier dans les zones de forte densité d'ionisation. Dans la troisième partie de ce travail nous étudions la dégradation iono-induite de l'intensité de scintillation. Nous montrons notamment que la dégradation de l'intensité de scintillation, en fonction de la fluence, du PVT dopé, peut être décrite par une superposition d'exponentielles. Nous étudions aussi, par spectroscopie infrarouge, les dégâts chimiques induits par les ions dans la matrice PVT. Pour expliquer ces dégâts nous suggérons de discerner les dégâts induits dans le cœur et le halo de la trace. Dans la quatrième partie, nous présentons un prototype de dosimètre basé sur le couplage de scintillateurs et de fibres optiques. Ce dosimètre permet la mesure en temps réel de la dose délivrée par un faisceau d'ions carbone, dans des conditions d'utilisation thérapeutiques. Le dernier test réalisé à l'HIMAC de Chiba montre que ce prototype permet de reconstituer la courbe de Bragg, avec, cependant, une faible dynamique due au phénomène de saturation de l'efficacité de scintillation.

This work deals with a special topic of ion-matter interaction: ion-induced scintillation, especially in organic materials. To begin this study we present a radial dose calculation model, based upon the average track-model concept. For this purpose we use Lewis' transport equation and Spencer's energy dissipation distribution in order to take into account, in a realistic way, secondary electrons ejected all along the ion path. In the second part we study the primary mechanisms inducing scintillation and we apply our model of radial dose. We discuss the relative advantages of several models and we underline the need for taking into account the quenching of ionisation energy. Indeed, it is a hard task to estimate the relative efficiency of quenching channels, especially inside high ionisation density volumes. In the third part of this work we study the ion-induced degradation of the scintillation intensity. For doped PVT scintillator we show that the degradation of the scintillation intensity, as a function of fluence, can be described with linear combination of exponential functions. We also study ion-induced chemical damages in PVT bulk by means of infrared spectroscopy. In order to explain these damages we suggest making a distinction between damage induced in the core and the halo of the ion track. In the fourth part, we present a dosimeter prototype, based on the coupling of optical fibre and scintillators. This dosimeter enables real time measurement of the dose delivered by a carbon beam, under therapeutic conditions of use. The last test, carried out at HIMAC (Chiba), shows that the prototype enables the measurement of the Bragg Curve, however, due to the saturation of the scintillation efficiency, the sensitivity of the dosimeter remains low.