Nouvelle génération de sondes à RX pour la radiothérapie et l'instrumentation pour la physique des surfaces

New generation X-ray detector for radiation therapy and instrumentation for surface physics

• Auteur / Autrice : Sree Bash Chandra Debnath
• Direction : Didier Tonneau
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Matière condensée et Nanosciences
• Date : Soutenance le 29/09/2020
• Etablissement(s) : Aix-Marseille
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole Doctorale Physique et Sciences de la Matière (Marseille)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre Interdisciplinaire de Nanoscience de Marseille (CINAM) - Centre de Recherche en Cancérologie de Marseille (CRCM) - Laboratoire d'immunologie des cancers (Marseille)
• Jury : Président / Présidente : Philippe Delaporte
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Agnès Tallet, Julien Darréon, Vincent Gressier, Florence Marchi, Mossadek Talby
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Saw-Wai Hla, David Brasse

Mots clés

Mots clés contrôlés

Rayons X

Dosimétrie

Scintillateurs

Cancer -- Radiothérapie

Mots clés libres

Détecteur de rayons X

Détection des rayonnements à haute énergie

Radiothérapie

Scintillateurs

Détecteur à scintillation inorganique

Dosimétrie

Optique

Instrumentation

Spectroscopie

X-Ray detector

High energy radiation detection

Radiation Therapy

Scintillators

Inorganic scintillating detector

Dosimetry

Optics

Instrumentation

Spectroscopy

Résumé

Le traitement moderne par radiothérapie est motivé par la demande constante d'un détecteur dosimétrique approprié. Plus récemment, seuls quelques détecteurs se sont montrés prometteurs dans ce sens, mais ils présentent plusieurs obstacles lors de leur mise en œuvre, tant pour les applications à forte dose de rayonnement que pour celles à faible dose. Les dosimètres à rayons X développés industriellement sont encore limités par l'exigence de taille importante, l'effet de moyennage de volume, le manque de sensibilité et le faible rapport signal/bruit, etc. Dans ce contexte, ce travail de thèse est consacré à la conception et à la fabrication d'un nouveau détecteur de rayons X extrêmement compact, en temps réel et très sensible. Le principe du dispositif est basé sur des clusters scintillantes qui sont greffées à l'extrémité d'une petite fibre centrale. Sous irradiation aux rayons X, les clusters émettent de la lumière visible qui est collectée par un compteur de photons à travers la fibre optique. Le détecteur développé a été testé pour la caractérisation de petits champs (inférieurs à 0,5 x 0,5 cm²) en radiothérapie et également en brachythérapie. Dans les deux cas, le détecteur présente d'excellentes performances.En outre, un détecteur similaire à tête nanométrique a été mis en œuvre pour la physique des surfaces au moyen d'une nouvelle technique à double sonde (STM/Fibre). Ainsi, les résultats de cette recherche explorent la dosimétrie des rayonnements miniaturisés avec l'amélioration des traitements des tumeurs de stade précoce. En outre, dans le domaine de l'imagerie des surfaces, une nouvelle technique de caractérisation des matériaux sera mise au point.

The modern radiation therapy treatment is driven by the everlasting demand of a suitable dosimetric detector. Most recently, only a few detectors have shown promise in this direction, but exhibiting several barriers while implementing both in high and low radiation dose applications. The industrially developed X-ray dosimeters/detectors are still limited by the significant size requirement, volume averaging effect, lack of sensitivity, and low signal-to-noise ratio, etc. In this context, this thesis work is devoted to the design and fabrication of a novel extremely compact, small-scale, real-time, dynamic, and highly sensitive X-ray detector. The device principle is based on scintillating clusters that are grafted at the extremity of a small core fiber. Under X-ray irradiation, clusters emit visible light that is collected by a photon counter through the optical fiber. The developed detector was tested for small (lower than 0.5 x 0.5 cm²) field characterization in radiotherapy. It also allows characterizing radiation dosimetry in brachytherapy. In both cases, the detector demonstrates excellent performances when compared to the existing dosimeters and MC simulation.In addition, a similar detector with nano-metric head was implemented for the application in surface physics by means of a novel dual-probe (STM/Fiber) technique. Thus, the outcomes of this research explore miniaturized radiation dosimetry and will disclose the path of enhancing early-stage tumor treatments through real-time dosimetry. Moreover, the performance of the probe in surface imaging will open the path of novel material characterization technique allowing simultaneous sample imaging.