Développement d'un démonstrateur d'hodoscope faisceau en diamant pour le contrôle en ligne du parcours des ions en hadronthérapie

Development of a diamond beam tagging hodoscope for online ion range verification in hadrontherapy

• Auteur / Autrice : Sébastien Curtoni
• Direction : Marie-Laure Gallin-Martel
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique appliquée
• Date : Soutenance le 04/11/2020
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale physique (Grenoble, Isère, France ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de physique subatomique et de cosmologie (Grenoble ; 2003-....)
• Jury : Président / Présidente : Julien Pernot
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Vincent Métivier, Laurent Ottaviani, Johann Collot
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Dominique Tromson, Étienne Testa

Mots clés

Mots clés contrôlés

Diamant

Hadronthérapie

Hodoscopes

Mots clés libres

Détecteurs diamant

Instrumentation

Efficacité de détection

Hadronthérapie

Monitorage en ligne

Temps-De-Vol

Diamond detectors

Time-Of-Flight

Detection efficiency

Instrumentation

Hadron therapy

Online ion range verification

Résumé

Ce manuscrit de thèse présente l’étude et le développement d’un démonstrateur d’hodoscope faisceau conçu pour l’étiquetage spatial et temporel des faisceaux d’ions en hadronthérapie. Ce travail intervient dans la problématique du contrôle en ligne des traitements, et plus particulièrement, dans l’amélioration des systèmes de vérification du parcours basés sur la détection de photons gamma-prompts générés par l’ion incident dans la matière le long de sa trajectoire. Le diamant synthétique a été choisi pour sa résistance aux radiations et sa rapidité, permettant d’atteindre une résolution temporelle de l’ordre de 100 ps nécessaire pour l’optimisation des systèmes de détection. Diverses qualités cristallines de diamant synthétique ont été étudiées et caractérisées au cours de ce travail pour répondre aux objectifs fixés. Cette caractérisation a été effectuée en premier lieu en laboratoire avec la mise en place de différents bancs de tests permettant de mettre en évidence la capacité de collection de charges et les performances temporelles et spectroscopiques des échantillons. Les échantillons par la suite assemblés en détecteurs, ont été testés sur différents faisceaux pulsés de particules, aussi bien avec des photons que des ions légers. Les premiers détecteurs à pistes, permettant une localisation spatiale des ions, ont également été développés. Les résultats des différentes campagnes de mesures mettent en évidence la capacité de ces détecteurs diamant à réaliser un étiquetage temporel d’ions uniques avec une résolution de 100 ps et une efficacité de détection de 98%. Un dénombrement précis du nombre de protons contenu dans les paquets envoyés par l’accélérateur a été également réalisé. Enfin, une étude en fonction de l’intensité faisceau démontre la capacité des détecteurs diamant à détecter individuellement chaque paquet de particules à des fréquences supérieures à 30 MHz. Le manuscrit présente enfin le design et le développement d’un démonstrateur d’hodoscope fait de quatre diamant métallisés par pistes, assemblé en mosaïque, et associé à des préamplificateurs et carte d’acquisition dédiés développées au laboratoire.

This thesis manuscript introduces the study and development of a diamond hodoscope demonstrator conceived for spatial and temporal beam tagging in hadrontherapy. This work deals with the issue of online ion range verification, and more specifically with the improvement of prompt-gamma imaging systems. Synthetic diamond samples were chosen for their radiation hardness and fast response, enabling 100 ps time resolution that is a key issue to optimize prompt-gamma detection devices. Several crystal qualities were tested and characterized to cope with the defined goals. Characterization was carried out first at lab with the development of test benches to evaluate the charge transport properties as well as the timing and spectroscopic performances of the tested samples. Then, diamond samples were assembled as detectors to be tested on various pulsed particle beams using both photons and light ions. The first developed double-sided stripped detectors, enabling spatial localization of the ions, were also tested. The results from the different beam tests emphasized diamond’s ability to perform single ion tagging with a 98% detection efficiency and a 100 ps time resolution. A precise counting of the number of protons within a bunch was then achieved. Finally, a study at high beam current highlighted individual ion bunches counting capabilities superior to 30 MHz. The manuscript eventually introduces the design and the development of a hodoscope demonstrator made of four diamond samples arranged in a mosaic pattern. They are double-sided stripped and readout with custom broadband preamplifiers and acquisition board developed at laboratory.