DRT/LIST/DIMRI/SIAR/LTD DETECTEURS EN DIAMANT SYNTHETIQUE POUR LA DOSIMETRIE DES RAYONNEMENTS : APPLICATION A LA RADIOTHERAPIE Journées Jeunes Chercheurs,

DRT/LIST/DIMRI/SIAR/LTD

DETECTEURS EN DIAMANT SYNTHETIQUE POUR LA DOSIMETRIE DES RAYONNEMENTS : APPLICATION

A LA RADIOTHERAPIE

Journées Jeunes Chercheurs, Aussois, 1-5 décembre 2003

Marie Joséphine Guerrero

Détecteurs en diamant synthétique pour la dosimétrie des rayonnements: application à la radiothérapie

LE DIAMANT

Matériau à grand gap (5,5eV)

Grande mobilité des porteurs (>2000cm2V-1s-1)

Forte résistivité (>1014 ohm.cm)

Forte résistance au rayonnement

Inerte chimiquement

De plus: Matériau équivalent tissus ( Z = 6)

Bon détecteur de rayonnement

Application possible en dosimétrie médicale



LE DIAMANT CVD

Le diamant naturel: diversité des échantillons, sélection drastique, coût élevé

Le diamant CVD: reproductibilité entre différents échantillons, faible coût, substrats de grande taille, autonomie du laboratoire pour la fabrication du matériau



ELABORATION DU MATERIAU

Croissance par PECVD micro-ondes Le matériau ainsi obtenu est un matériau polycristallin


(Dépôt chimique en phase vapeur assisté par plasma micro-ondes)

…


APPLICATION A LA RADIOTHERAPIEDeux approches actuellement étudiées:

Détecteur ponctuel de type chambre à ionisation (mesure en temps réel)

Applications aux nouvelles techniques de traitement telles que l’IMRT (traitement par modulation d’intensité) : nécessitent des détecteurs ponctuels très performants et de petites tailles (forts gradients de dose)

Détecteur thermoluminescent (TL)

Mesures passives

Mesures ponctuelles (vérification des doses reçues par certains organes)

Mesures de radioprotection



PASSIVATION DES DEFAUTS

Le matériau polycristallin présente des défauts impliquant des niveaux de pièges présents dans la bande interdite.

Les niveaux de pièges peuvent être identifiés suivant deux catégories :

Niveau de piège peu profond

Niveau de piège profond

BC

BV


niveaux de pièges peu profonds instables à température ambiante

niveaux de pièges profondsstables à température ambiante

X (50kV, 1mA) PM

A Plaque chauffante

Fenêtre de quartz ou de Kapton


CARACTERISATION DES DEFAUTS

Plusieurs méthodes sont utilisées :

mesure du courant thermiquement stimulé (TSC)

mesure de la thermoluminescence (TL)

mesure du courant induit par le rayonnement

300 400 500 600 700 800-2

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

Naturel SA1Naturel A03CVD

I TL (

nA)

Température (K)

Pièges « peu profond »

Pièges « profond »


Irradiation et mesure sur le même appareillage:

Meilleur contrôle des paramètres pour la reproductibilité des mesures


300 400 500 600 700 800-2

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

I

II

Naturel SA1Naturel A03CVD

I TL

(nA

)

Température (K)

Pics vers 300K-400KTrès contraignant pour les chambres d’ionisations (CI)Peu contraignant pour la dosimétrie par thermoluminescence (TL)

Pic vers 550KNiveau influant sur la stabilité de la réponse sous faisceau (CI)Niveau utilisé pour la dosimétrie par TL

ETUDE DES DEFAUTS



APPLICATION A LA RADIOTHERAPIE:

CHAMBRE D’IONISATION

0 2000 4000

3,00E-010

4,00E-010

5,00E-010

6,00E-010

Durée(s)

Cou

rant

(A)

Mesure sous X à 300K

Nécessité de saturer les niveaux de pièges de l’échantillon à une certaine dose pour obtenir un signal stable : « pompage ou

priming »

Procédure similaire pour les chambres d’ionisation en diamant naturel (PTW)

Variation au cours du temps de la réponse sous irradiation


0 200 400 600

-1,00E-009

0,00E+000

1,00E-009

2,00E-009

3,00E-009

4,00E-009

5,00E-009

Cou

rant

(A)

Durée (s)

Réponse sous X apres pompage de l'échantillon (CVD)





Après pompage, on observe la présence d’un overshoot lorsqu’on réalise une nouvelle irradiation.

Ce phénomène transitoire est dû aux niveaux de pièges instables à température ambiante qui se vident à température ambiante entre les irradiations.

320 340 360 380 400

0,00E+000

1,00E-010

2,00E-010

3,00E-010

4,00E-010

5,00E-010

Réponse TSC apres irrradiation sous XEchantillon CVD

Cou

rant

(A

)

Température (K)

0 1000 2000

0,00E+000

3,00E-011

6,00E-011

Cou

rant

(A)

Durée (s)

Réponse sous X après pompage de l'échantillon(échantillon de diamant naturel)





On observe le même phénomène sur des échantillons de diamant naturels

350 420 490

1,00E-011

2,00E-011

3,00E-011

4,00E-011

Cou

rant

(A

)

Température (K)

Réponse TSc après irradiation sous X(échantillon de diamant naturel)

290

292

294

296

298

300Mesure sous X après pompage de l'échantillon

Durée (s)T

em

pé

ratu

re (

K)

0,00E+000

5,00E-010

1,00E-009

1,50E-009

2,00E-009

2,50E-009

Co

ura

nt (A

)





Sur les échantillons ne présentant peu ou pas de niveaux de pièges instables à température ambiante ce phénomène d’overshoot n’apparaît pas une fois l’échantillon pompé.

300 350 400 450 500 550 600

0,00E+000

5,00E-008

1,00E-007

1,50E-007

2,00E-007

2,50E-007

3,00E-007

Co

ura

nt

(A)

Température (K)

Mesure TSC

Le contrôle des conditions de croissance et donc des niveaux de pièges dans le matériau nous permet de faire disparaître ce phénomène.





Évolution lente de du signal sous rayonnement:

Phénomène de dépompage au cours du temps entre les irradiations: dépiègeage des niveaux profonds

5000 10000

0,0

0,5

1,030min15min5min1min

Co

ura

nt

(A)

Temps (s)

Variation du temps d'attente entre les irradiations Nécessité de connaître l’histoire du détecteur

Nécessité de définir une procédure d’utilisation et de stockage




TRAVAUX EN COURS

Pour disposer de détecteurs utilisables en Radiothérapie il faut :

Optimiser les conditions de croissance pour éviter la présence des pièges à basses températures. « Des résultats encourageants »

Optimiser les conditions de mesure pour s’affranchir de l’histoire du détecteur: pompage et/ou dépompage. « Des procédures fiables »

Mise au point d’un protocole d’utilisation




DOSIMETRES TL

Mesure de thermoluminescence:

Utilisation des niveaux de pièges profonds (pièges présent autour de 550K)

Journées jeunes chercheurs, Aussois, 1-5 décembre 2003

Comparaison entre la réponse d’un dosimètre standard (LiF) et de dosimètres en diamant



DOSIMETRES TLTests préliminaires sur divers échantillons non sélectionnés

Étude de la reproductibilité de la mesure:

•Tests réalisés sur 2 échantillons CVD et un échantillon naturel : non reproductibilité de la réponse entre deux mesures réalisées dans les mêmes conditions Reproductibilité médiocre

Eude de la linéarité de la réponse en fonction de la dose

•Tests réalisés sur 2 échantillons CVD et un échantillon naturel : non linéarité de la réponse en fonction de la dose pour une irradiation de 1 Gy et 2 Gy

Les caractéristiques de linéarité de la réponse en fonction de la dose semblent être très dépendant des

conditions de synthèse des films (*)


(*)Cf: Poster: CVD diamond for thermoluminscence dosimetry: Optimisation of the readout process and application



DOSIMETRES TL

TRAVAUX EN COURS

Pour disposer de détecteurs utilisables en Radiothérapie il faut :

Un niveau de piège stable à température ambiante

Un contrôle précis du niveau et de la concentration des défauts afin d’obtenir les caractéristiques nécessaire pour des dosimètres thermoluminescents utilisables en milieu médical (étude du dopage par impuretés en cours)

Optimisation des conditions de lecture



PERSPECTIVES POUR LES APPLICATIONS MEDICALES

Objectifs: Développement de capteurs spécifiques en diamant pour :

Étalonnage des faisceaux des accélérateurs médicaux

Dosimétrie passive (patients et personnel hospitalier)

Collaboration en cours: Institut Gustave Roussy (IGR), Villejuif Institut Curie, Paris Centre de Protonthérapie d’Orsay



CONCLUSION

Le diamant possède toutes les qualités requises pour réaliser de nouveaux détecteurs ponctuels très performants pour la radiothérapie

Plusieurs approches sont à l’étude:

Optimisation des conditions d’élaboration du diamant

Optimisation des conditions de mesures et comparaison avec les outils utilisés en milieu hospitalier(collaboration avec le LNHB)

Dopage du diamant pour le contrôle des niveaux de pièges : dosimétrie par thermoluminescence


Documents

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