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

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.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

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

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

Développement de moniteurs faisceaux en technologie diamant pour le monitorage de radiothérapies innovantes : hadronthérapie et thérapies "flash"

National audienceAu cours d’une séance d’irradiation en hadronthérapie, une partie des ions incidents va subir des réactions de fragmentations nucléaires qui ont pour effet de délocaliser le dépôt de dose dans le patient. C’est donc une source d’incertitude qui peut nuire à une délivrance optimale des traitements.La collaboration Clarys (IP2I CPPM LPSC CREATIS) met au point un système de contrôle en ligne basé sur la détection de gamma prompts émis le long du parcours des ions. Afin de réaliser une mesure de temps de vol absolue (ion + gamma prompt), ClaRys inclut dans son projet le développement d’un hodoscope de marquage de faisceau installé en amont du patient. Il est destiné à fournir une information temporelle et spatiale des ions entrants. Ces informations peuvent être utilisées pour le processus de reconstruction d'image et dans la réduction des bruits de fond.Un premier hodoscope basé sur un maillage de fibres scintillantes lues par des photo-multiplicateurs (PM) a été développé. En raison des limitations du taux de comptage des PM, l'efficacité de détection de l'hodoscope à fibres diminue pour les courants de faisceau élevés. Ces limitations ont conduit au développement d'un hodoscope à base de diamant synthétiques (croissance par dépôt chimique en phase vapeur ou CVD).Les qualités intrinsèques du diamant (rapidité, faible courant de fuite, excellent rapport signal sur bruit, résistance aux radiations, équivalence tissu humain) font de ce semi-conducteur un parfait candidat pour répondre aux exigences de monitorage. L'hodoscope diamant devrait permettre d'atteindre des résolutions temporelles de 100 ps qui vont au-delà des performances de l’hodoscope à fibres et permettrait de faire de l’Ultra Fast Timing cela constitue le projet ClaRys-UFT.Par ailleurs, la radiothérapie innovante «flash» qui permet de délivrer des faisceaux pendant un temps ultracourt (quelques millièmes de secondes au lieu de plusieurs minutes pour la radiothérapie conventionnelle) requiert un monitorage spécifique de faisceaux en mode pulsé. La rapidité des détecteurs diamants constitue là un atout essentiel pour un tel développement avec une capacité de marquage en temps « début » et « fin » des paquets des trains d’impulsions ainsi que de comptage des particules dans le train à haute intensité faisceau. Cela a conduit au développement du moniteur faisceau diamant DIAMMONI dans le cadre du projet R&T IN2P3 DIAMTECH (collaboration LPSC SUBATECH ARRONAX)

Diamond-based detector development for pulsed beam monitoring for medical applications

VirtualInternational audienceDevelopment of new generations of ion accelerators:•medical applications: hadrontherapy, X-ray or synchrotron radiation therapy and flash therapyvery precise monitoring of the beam with rapid counting in a high lyradiative environment.The intrinsic qualities of diamond:•speed, low leakage current, excellent SNR, resistance to radiationan excellent candidate to meet such monitoring requirements over a wide dynamic range from a fraction of pA (single particle) up to μA