Modélisation Monte Carlo d'une caméra Compton basée sur l'utilisation de détecteurs à scintillation sensibles à la position couplés à des SIPM

Monte Caro modeling of a Compton camera based on position sensitive scintillation detectors using SiPM

• Auteur / Autrice : Brahim Mehadji
• Direction : Christian Morel, Mathieu Dupont
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Instrumentation
• Date : Soutenance le 28/05/2021
• Etablissement(s) : Aix-Marseille
• Ecole(s) doctorale(s) : École Doctorale Physique et Sciences de la Matière (Marseille)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre de physique des particules de Marseille (CPPM)
• Jury : Président / Présidente : Éric Kajfasz
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Emilie Liliane Catherine Roncali, Denis Fougeron, Stefan Gundacker
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Edoardo Charbon, Voichiţa Theodora Maxim

Mots clés

Mots clés contrôlés

Compton, Effet

Monte-Carlo, Méthode de

Radioactivité -- Instruments

Mots clés libres

Caméra Compton

SiPM

Gate

Compton camera

SiPM

Gate

Résumé

Une nouvelle génération de caméra Compton est en cours de développement pour détecter la radioactivité dans le cadre du projet TEMPORAL financé par l'ANDRA/PIA, notamment pour les opérations de gestion des déchets nucléaires et de démantèlement des centrales nucléaires, mais aussi éventuellement pour la médecine nucléaire. Le détecteur TEMPORAL exploite le partage de la lumière dans un cristal à scintillation rapide de CeBr3 couplé à une matrice de SiPM dans le but de développer un bloc de détection 3D sensible à la position qui sera utilisé à la fois pour le diffuseur et l'absorbeur de la caméra Compton. Dans un premier temps, les performances d'un télescope Compton ont été simulées à l’aide de la plateforme de simulation Monte Carlo GATE. Une première version de la caméra Compton TEMPORAL exploitant les matrices de SiPM numériques (dSiPM) développées par Philips a été construite et optimisée par Damavan Imaging sur la base de résultats simulés puis caractérisée. Ce travail impliquait le développement d'algorithmes de reconstruction appropriés pour visualiser de manière quantitative l'activité et de la distribution d'énergie des sources radioactives, tirant parti du modèle Monte Carlo de la caméra pour estimer sa sensibilité.La bande passante des dSiPM étant limitée, l’objectif de Damavan Imaging est de développer un module de détection basé sur des matrices de SiPM analogiques. Dans cette perspective, j’ai implémenté et expérimentalement validé dans le logiciel de simulation Monte Carlo GATE un modèle permettant de reproduire le fonctionnement de SiPM analogiques au plus proche de leurs caractéristiques mesurées.

A new generation of Compton camera is being developed to detect radioactivity within the TEMPORAL project funded by ANDRA/PIA, notably for nuclear waste management and nuclear power plants dismantling operations, but also possibly for nuclear medicine. The TEMPORAL detector exploits the sharing of light in a fast scintillation crystal of CeBr3 coupled to SiPM arrays in order to develop a position sensitive 3D detection block that will be used for both the scatterer and the absorber of the Compton camera. The objective of my thesis was to model the performances of the Compton camera by using Monte Carlo simulations and to cross-validate the expected performances against experimental results.In a fist attempt, the performances of a Compton telescope have been simulated using the GATE Monte Carlo simulation. A first version of the Compton TEMPORAL camera using digital SiPM arrays (dSiPM) developed by Philips was built and optimized by Damavan Imaging based on simulated results and then characterized experimentally. This work involved the development of suitable reconstruction algorithms to quantitatively visualize the activity and energy distribution of radioactive sources, taking advantage of the camera's Monte Carlo model to estimate its sensitivity.As the bandwidth of dSiPMs is limited, the long term objective of Damavan Imaging is to develop a detection module based on analog SiPM arrays. In this perspective, I implemented and experimentaly verified in the GATE Monte Carlo simulation software a model to reproduce the behavior of analog SiPMs as close as possible to their measured characteristics.