Développement d'un moniteur de faisceau innovant pour la mesure en temps réel des faisceau utilisés en hadronthérapie

New real-time monitor for hadrontherapy beams

• Auteur / Autrice : Laura Badano
• Direction : Jean-Louis Riester
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance en 2005
• Etablissement(s) : Université Louis Pasteur (Strasbourg) (1971-2008)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Hadrons

Radiothérapie

MOS complémentaires

Résumé

La mesure en continu de l'intensité et du profil des faisceaux de particules utilisés en thérapie par hadrons (ou hadronthérapie) est critique pour l'optimisation de la sécurité du patient, du dépôt optimal de dose ainsi que du fonctionnement de l'accélérateur. A cette fin un moniteur innovant, Sem for Low Interception Monitoring (SLIM), permettant de mesurer l'intensité et le profil des faisceaux de hadrons pendant tout le traitement, a été développé et testé dans le cadre du projet Silicon Ultra Fast Cameras for electrons and gamma sources In Medical Application (SUCIMA). Le moniteur de faisceau est basé sur l'émission secondaire des électrons par une feuille d'Al/Al2O3 d'épaisseur submicronique placée à 45° sur le parcours du faisceau extrait. Les électrons secondaires, émis avec un flux proportionnel à l'intensité du faisceau de particules, sont accélérés, jusqu'à 20 keV, par un système de focalisation électrostatique et dirigés sur un capteur silicium monolithique à pixels actifs, en technologie CMOS. L'optique électrostatique et ce système de détection donnent l'intensité du faisceau et sa position avec une précision de 1 mm, à un taux de répétition de 10 kHz. Une qualification exhaustive du moniteur de faisceau a été réalisée en laboratoire et sur faisceaux de hadron de basse intensité au cyclotron du Joint Research Centre à Ispra. Les tests en laboratoire du système de focalisation, utilisant l'émission thermoïonique d'un fil de tungstène chaud comme source d'électrons, confirment que les propriétés optiques répondent pleinement aux contraintes imposées en termes de linéarités, facteur de réduction, effets d'aberration et résolution spatiale. Les mesures de l'intensité d'un faisceau de hadrons effectuées avec un détecteur à pad en silicium, avec une fenêtre d'entrée mince, une granularité modérée et une grande gamme dynamique, ont prouvées que la sensibilité du système et la limite se saturation sont conformes aux spécificités requises. Les derniers résultats ont été obtenus avec un capteur monolithique à pixels actifs (MIMOSA V) développé en technologie CMOS et aminci avec succès jusqu'à la couche épitaxiale. Ce capteur à une excellente granularité mais une gamme dynamique très limité. Ces résultats mettent en évidence la bonne sensibilité du capteur aux particules ionisantes de faible parcours et sa bonne résolution spatiale, malgré un bruit de fond significatif. Les essais en laboratoire et les calculs indiquent que le bruit de fond observé est du à la saturation de détecteur. La qualification finale du moniteur de faisceau SLIM, à l'aide d'un capteur monolithique à pixels actifs fabriqué en technologie CMOS (MIMOTERA) et conçu pour fournir la résolution spatiale et la gamme dynamique requis, est programmée à court terme. La viabilité de la méthode proposée ouvre aussi de nouvelles perspectives dans le domaine de la production de radio-isotopes.