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
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Détecteurs en diamant synthétique pour la dosimétrie des rayonnements: application à la radiothérapie
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
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ELABORATION DU MATERIAU
Croissance par PECVD micro-ondes Le matériau ainsi obtenu est un matériau polycristallin
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(Dépôt chimique en phase vapeur assisté par plasma micro-ondes)
…
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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
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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
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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
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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 »
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Irradiation et mesure sur le même appareillage:
Meilleur contrôle des paramètres pour la reproductibilité des mesures
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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
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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
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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)
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APPLICATION A LA RADIOTHERAPIE:
CHAMBRE D’IONISATION
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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)
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APPLICATION A LA RADIOTHERAPIE:
CHAMBRE D’IONISATION
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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
)
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APPLICATION A LA RADIOTHERAPIE:
CHAMBRE D’IONISATION
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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.
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APPLICATION A LA RADIOTHERAPIE:
CHAMBRE D’IONISATION
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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
Détecteurs en diamant synthétique pour la dosimétrie des rayonnements: application à la radiothérapie
APPLICATION A LA RADIOTHERAPIE:
CHAMBRE D’IONISATION
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
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Détecteurs en diamant synthétique pour la dosimétrie des rayonnements: application à la radiothérapie
APPLICATION A LA RADIOTHERAPIE:
DOSIMETRES TL
Mesure de thermoluminescence:
Utilisation des niveaux de pièges profonds (pièges présent autour de 550K)
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Comparaison entre la réponse d’un dosimètre standard (LiF) et de dosimètres en diamant
Détecteurs en diamant synthétique pour la dosimétrie des rayonnements: application à la radiothérapie
APPLICATION A LA RADIOTHERAPIE:
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 (*)
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(*)Cf: Poster: CVD diamond for thermoluminscence dosimetry: Optimisation of the readout process and application
Détecteurs en diamant synthétique pour la dosimétrie des rayonnements: application à la radiothérapie
APPLICATION A LA RADIOTHERAPIE:
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
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Détecteurs en diamant synthétique pour la dosimétrie des rayonnements: application à la radiothérapie
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
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Détecteurs en diamant synthétique pour la dosimétrie des rayonnements: application à la radiothérapie
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
Journées jeunes chercheurs, Aussois, 1-5 décembre 2003
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