Utilisation du diamant CVD en mode TL pour la radiothérapie.

Propriétés de thermoluminescence et de conductivité électrique.

A. Petitfils , F. Wrobel, M. Benabdesselam, P. Iacconi, B. Serrano , A. Costa

LPES-CRESA, EA1174, Université de Nice-Sophia Antipolis, Parc Valrose

LARD2005, 20-21 Octobre 2005, Pôle Universitaire de Montbéliard

Plan

le principe de la Thermoluminescence (TL) et de la conductivité électrique thermostimulée (TSC)

Présentation des échantillons

étude simultanée de la TL et de la TSC

Utilisation en radiothérapie

Principe de la TL

1

1: ionisation

P: piège à électrons

CR: centre de recombinaison

Irradiation

E

CR

BV

BC

P

Eg

Principe de la TL

1: ionisation

2:piégeage

P: piège à électrons

CR: centre de recombinaison

Irradiation

E

1

2

CR

BV

BC

P

Principe de la TL

1: ionisation

2:piégeage

3:dépiégeage par chauffage

P: piège à électrons

CR: centre de recombinaison

Irradiation

E

1

2

CR

3

BV

BC

P

Principe de la TL

1: ionisation

2:piégeage

3:dépiégeage par chauffage

4:recombinaison radiative et émission de lumière

P: piège à électrons

CR: centre de recombinaison

Irradiation

E

1

2

CR

3

BV

BC

P

hν

4

Principe de la TSC

1

1: ionisation

P: piège à électrons

CR: centre de recombinaison

Irradiation

E

CR

BV

BC

P

Eg

Principe de la TSC

1: ionisation

2:piégeage

P: piège à électrons

CR: centre de recombinaison

Irradiation

E

1

2

CR

BV

BC

P

Principe de la TSC

1: ionisation

2:piégeage

3:dépiégeage par chauffage

P: piège à électrons

CR: centre de recombinaison

Irradiation

E

1

2

CR

3

BV

BC

P

Principe de la TSC

1: ionisation

2:piégeage

3:dépiégeage par chauffage

4:courant sous l’action d’un champ électrique

P: piège à électrons

CR: centre de recombinaison

Irradiation

E

1

2

CR

3

BV

BC

P

4

Pourquoi le diamant CVD ?

I(tl) u.a

T (°C)

TLD GR200A LiF:Mg, Cu, P

•Pic non isolé, •Régénération après chaque utilisation• diamètre= 4,5mm, épaisseur= 0,8 mm

Diamant CVD•Pic isolé vers 270°C, •Pas de régénération après utilisation•Carré de (5x5) mm², épaisseur =260 µm

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450

0

50000

100000

150000

200000

I (c

ps)

T (°C)

= 1 °C/s

11 21 312 12 22 323 13 23 334 14 24 345 15 25 356 16 26 367 17 27 37

Présentation des échantillons

Conditions de synthèse: Micro Wave Chemical Vapour Deposited MWCVD élaborés au Naval Research LaboratorySubstrat en tungstène, Tsubstrat=1023 K,Pµonde=4,5 kW, P°enceinte=15,4 kPa, [CH4]=4% de [H2]

Présentation des échantillons

1200 1300 1400 1500 1600 1700 18000

1x104

2x104

3x104

4x104

5x104

6x104

Sig

nal R

aman

(C

/s)

Nombre d'onde (cm-1)

Spectre Raman: raie Raman à 1332 cm-1 avec FWHM=4,5 cm-1

Caractérisation par TL (1)

Irradiation RX (45 kV, 2 mA, 0,59 Gy/min) à -196 °C:

-200 -100 0 100 200 300 4000.00E+000

2.00E-009

4.00E-009

6.00E-009

8.00E-009

I (A

)

T (°C)

pic2262 °CE ~1 eV

pic 1:38 °CE=0,5 eV

= 0,5 °C/s

1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.00

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

I

(u.a

)

E (eV)

Analyse spectrale

Spectre d’émission: réalisé à l’aide d’un analyseur optique multicanalUn centre de recombinaison d’énergie E=2,57 eV, FWHM= 0,66 eV→ 2 pièges de même nature

Caractérisation par TL (2)

Excitation de la TL des pics 1 et 2 Utilisation de différents filtres interférentiels, excitation à flux constants

200 220 240 260 280 300 320 340 360 380

0

20

40

60

80

I (%

)

longueur d'onde d'excitation (nm)

: pic 1: pic 2

Eg = 5,5 eV

Échantillons HFCVD

Conditions de synthèse:

Substrat en Silicium, Tsubstrat= 730 °C

Tfilament chaud= 2200 °C, P= 133 Pa

[CH4]=4% de [H2]

Collaboration avec une équipe de Rome (P. Ascarelli)

Caractérisation par TL

sensibilité de l’échantillon sous excitation UV Deutérium

0 50 100 150 200 250 300 350 400 4500

10000

20000

30000

40000

50000

60000

70000

:9µm:1µm:0,1µm

I (c

oups

/s/m

g)

T (°C)

1 °C/s

Tpic~260 °C

Analyse spectrale

E 1,68 eV

→ impureté Si

1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0

297.6 396.8 496.0 595.2 694.4 793.6

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

I (u

.a)

E (eV)

:0,1 µm:1 µm:9 µm

nm

E= 2,54 eV

Le Fading Optique

-10 0 10 20 30 40 50 60 70 800

20

40

60

80

100

:échantillon MWCVD

I

sign

al (

%)

Temps d'exposition à la lumière visible (min)

Caractérisation par TL

Le Fading Optique

-10 0 10 20 30 40 50 60 70 800

20

40

60

80

100

:0,1 µm_HFCVD:échantillon MWCVD

I

sign

al (

%)

Temps d'exposition à la lumière visible (min)

Caractérisation par TL

Le Fading Optique

-10 0 10 20 30 40 50 60 70 800

20

40

60

80

100

:1 µm_HFCVD:0,1 µm_HFCVD:échantillon MWCVD

I

sign

al (

%)

Temps d'exposition à la lumière visible (min)

Caractérisation par TL

Le Fading Optique

-10 0 10 20 30 40 50 60 70 800

20

40

60

80

100

:9 µm_HFCVD:1 µm_HFCVD:0,1 µm_HFCVD:échantillon MWCVD

I

sign

al (

%)

Temps d'exposition à la lumière visible (min)

Caractérisation par TL

Réponse TL-TSC simultanée

Courbes TSC-TL simultanée

0 50 100 150 200 250 300 350 400

0.0

5.0x10-7

1.0x10-6

1.5x10-6

2.0x10-6

2.5x10-6

:TSC :TLx180

I

(A)

T (°C)

RX 45kV, 10mA, 5 min, tension=-60V

= 0,5 °C/s

Répétabilité TSC: 3,3 %

TTSC~280 °CTTL~270 °C

Réponse en fonction de la tension

→ contacts Ohmiques

-60 -40 -20 0 20 40 60

-2.3x103 -1.5x103 -7.7x102 0.0 7.7x102 1.5x103 2.3x103

-8.0x10-6

-6.0x10-6

-4.0x10-6

-2.0x10-6

0.0

2.0x10-6

4.0x10-6

6.0x10-6

E (V/cm)

I (A

)

Tension appliquée (V)

R²= 0,99

Rx 45 kV, 10 mA, 5 min

= 1 °C/s

6.0x10-12

4.0x10-12

2.0x10-12

-2.0x10-12

-4.0x10-12

-6.0x10-12

-8.0x10-12

Diamant CVD en mode TL pour la radiothérapie

•Répétabilité et reproductibilité

•Rendement en profondeur

•Profil de dose absorbée

Répétabilité et reproductibilité

0 5 10 15 200

20

40

60

80

100

Sen

sibi

lité

TL

(%)

n° échantillon

Écart max de 5 %

préchauffage 210 °C, β= 1 °C/s

0 50 100 150 200 250 300 350 400

0

20000

40000

60000

80000

100000

I (u

.a)

T (°C)

Irradiation X25 MV, DSP=100 cm, champ (10x10) cm², profondeur= 2,5 cm

DSP=100 cm, champ (10x10) cm², profondeur = 5 cm

Répétabilité: 1,5%

Rendement: dispositif experimental 44

cm

d

Dist

ance

sou

rce-

surfa

ce

Cible en Or

Faisceau de photons

Faisceau d’électrons

Film

s de

dia

man

t CVD

Support

Fantôme d’eau

0pr

ofon

deur

champ d’irradiation (10x10) cm²,

DSP= 100 cm

une dose de 100 UM (débit de dose= 9,7 mGy/UM)

Rendement en profondeur

0 5 10 15 20 25 300

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

110

CI film déplacé films superposés

Dos

e re

lativ

e (%

)

Dose dans l'eau (cm)

Champ (10x10) cm², DSP=100 cm, 100 UM

Profil: dispositif expérimental

champ d’irradiation (10x10) cm²,

DSP= 100 cm

une dose de 100 UM (débit de dose= 9,7 mGy/UM)

Profondeur = 5 cm

44 c

m

d

Dis

tanc

e so

urce

-sur

face

Cible en Or

Faisceau de photons

Faisceau d’électrons

Films de diamant CVD

Fantôme d’eau

0

prof

onde

ur

Profil de dose absorbée

-8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8

0

20

40

60

80

100

:CI:1 film CVD déplacé:CVDs simultanésD

ose

rela

tive

(%)

distance à l'axe central (cm)

Champ (10x10) cm², DSP= 100 cm, 100 UM, profondeur de 5 cm

Profil de dose absorbée

Zone de forts gradients de dose et queue de distribution de dose

-8 -6 6 8

0

20

40

60

80

100

Dos

e re

lativ

e (%

)

distance à l'axe central (cm)

:CI:1 film déplacé:CVDs simultanés

Profil de dose absorbée

-8 -6 6 8

0

20

40

60

80

100

Dos

e re

lativ

e (%

)

distance à l'axe central (cm)

:CI:1 film déplacé:CVDs simultanés:CVDs simultanés Dose supérieure

Zone de forts gradients de dose et queue de distribution de dose

VCI=130 mm3

VCVD=6,5 mm3

Perspectives

Influence des conditions de synthèse sur les propriétés dosimétriques des diamants CVD (Fading Optique),

Influence sur les mesures simultanées de TL-TSC de: la variation de la vitesse de chauffe, la variation de la dose, la variation du débit de dose, Mesures de rendements en profondeur et de profils

sous faisceaux d’électrons

Étude comparative avec des chambres d’ionisation moins volumineuses