Projet MONIDIAM 09/06/15 D.Dauvergne, J.Collot, A. Bes, A.Gorecki, J.Y Hostachy, J.F Muraz et M.Yamouni 09/06/2015 Journée Diamant

Plan Contexte Activités en cours: Perspectives: Hadronthérapie Besoin d’un détecteur diamant Activités en cours: Caractérisation des diamants+électroniques Expériences réalisées : 90Sr, Genepi. GANIL Expériences à mettre en œuvre : Centre Lacassagne, source Am (alpha), ESRF Développement d’un nouveau banc de test Design d’un porte échantillon Perspectives: Amincissement des diamants Cahier des charges de l’ASIC et de l’acquisition 09/06/2015 Journée Diamant

Contexte Hadrontherapie Traitement du cancer par irradiations de hadrons: Technique basée sur la position du pic de Bragg: localisation du dépôt d’énergie Importance de la balistique: Mauvais positionnement de quelques mm engendre un sous-dosage tumoral et un surdosage des tissus sains Calcul de dose X-rays - 8 fields Carbon - 2 fields Efficacité biologique plus elevee pour les carbones que pour les protons à basse vitesse -> dose physique equivalente permet d’avoir une dose biologique plus elevee Plan de traitement LET (keV/µm) Last millimeter p 10 C 200 LET (keV/µm) p 0.5 C 10 09/06/2015 Journée Diamant

Contexte Hadronthérapie: Imagerie et Contrôle en ligne du traitement Objectif: contrôle en ligne et en temps réel Vérification du parcours des particules Réduction des marges appliquées Contexte: collaboration nationale CLARyS IPNL, LPC-Clermont, CPPM, LPSC (+CREATIS, LIRIS, CAL-Nice) Projet Monidiam financé par le cancéropôle CLARA Différentes solutions TEP en ligne/hors ligne en carbonethérapie Rayonnements prompts: Gamma prompts, Protons secondaires en carbone thérapie Radiographie protons Problématique visée: contrôle en ligne 09/06/2015 Journée Diamant

Contexte Hadronthérapie: Imagerie et Contrôle en ligne du traitement Gamma prompts (détection avec temps de vol) Imagerie de vertex protons secondaires Radiographie protons Proba de 5 à 10% de faire une réaction nucléaire Compton camera: plan de Si. Photon diffusé et trajectoire photon incident permet de reconstruire un cône qui intersecte la trajectoire du faisceaur Radiographie proton -> avoir accès à la densité d’électrons: diagnostic. Il faut des protons à 300MeV non disponibles pour le moment (IBA) CMOS : très bonne resolution spatialle mais pas temporelle. Hodoscope: timing du CMOS. Calorimètre permet d’avoir l’energie résiduelle mais pas la position Hodoscope à fibres a des limitations: taux de comptage Resistance aux radiations détecteur diamant  Outil commun d’étiquetage en temps et position du faisceau incident, initialement un hodoscope à fibres scintillantes 09/06/2015 Journée Diamant

Contexte « Cahier des charges » Proton thérapie (Cyclotron IBA/C230): Durée du bunch: 2 ns Durée entre les bunchs: 10 ns 200 protons/bunch → Détection d’un bunch. Carbone thérapie (HIT/CNAO): Durée du bunch: 20-40 ns Durée entre les bunchs: 200 ns 10 ions/bunch . Taux de comptage: 100 MHz pour l’ensemble du détecteur ~10 Mhz par voie Résolution temporelle: idéalement quelques centaines de ps Résolution spatiale: 1mm Résistant au radiations: 1011 protons/cm²/traitement, 20 séances/jour  1014 protons/cm²/an Géométrie: Taille de la mosaïque: 15x15cm² Taille des détecteurs: 2x2cm² (pour un diamant polycristallin, en stock chez E6) 56 détecteurs Nombre de strips par détecteur: 32 de 20 à 30 mm² ≈1800 voies de lecture Pour un diamant monocristallin de 500μm Particules Energie (MeV/u) ∆E (MeV) Nombre d’électrons (ke-) Charge (fC) Proton 80 1.36 10.5 16.7 250 0.6 4.6 7.4 12C 50 3.8 103 616 400 16.8 1.3 103 210 09/06/2015 Journée Diamant

Activités en cours Caractérisation des diamants et de l’électronique: Expériences réalisées: Source de 90Sr → 90Zr →90Y. Deux spectres β- d’énergie maximale 546keV et 2.28MeV Théorie: dépôt d’énergie max dans 500μm de diamant monocritallin: 546 keV et 283 keV resp. → Charges: 3.5 et 6.7 fC resp. (proche des protons de 250 MeV) Mesure de l’efficacité de collection de charge: facteur 2.6 entre le mono- et le polycristallin Préamplificateur de charges+shaper: Temps de montée: 4.8µs, Durée du signal : 11 µs Simulation Geant4: Coïncidence Scintillateur-diamant 09/06/2015 Journée Diamant

Activités en cours Caractérisation des diamants et de l’électronique: Expériences réalisées GENEPI: GEnerateur à NEutrons Pulsés Intenses Accélérateur d’ions deutérium à 250 keV. Production de neutrons de 14 MeV par impact sur une cible de Tritum. Mesure de protons via la conversion de neutrons en protons dans un plastique scintillant: Signal diamant corrélé au faisceau Aucune coïncidence plastique-diamant n’a été observée Diamant Plastique scintillant 8 mm épaisseur n 14 MeV 2 mm épaisseur p 09/06/2015 Journée Diamant

Activités en cours Caractérisation des diamants et de l’électronique: Plastique scintillant 2mm épaisseur C12 95MeV/u Expériences au GANIL: Faisceau d’ions carbone de 95MeV/u. Fréquence: 13.4 Mhz, Taille faisceau: ~2mm de diamètre Théorie: 43MeV  Charge 530 fC Préampli de courant Temps de montée: 16 ns, Durée du signal : 40 ns 2 composantes avec le monocristallin: Fraction du faisceau traversant le porte échantillon Faisceau direct (disparition du pic basse énergie lorsque le faisceau est décentré) Résolution moins bonne pour le polycristallin Préampli: 133V/mA ! Atténuation d’un facteur 3.2 pour le monocristallin 09/06/2015 Journée Diamant

Activités en cours Caractérisation des diamants et de l’électronique: Monocristallin (500µm) Polycristallin (500µm) Efficacité de détection 0.8 (géométrique) ~0.8 Charge mesurée (fC) 260+-15 35+-10 Résolution temporelle σ (ps) 230 360 / 2 avec la théorie Mono/poly = 7 Problème de contact (collection des charges) Endommagement de la surface métallisée 09/06/2015 Journée Diamant

Activités en cours Caractérisation des diamants et de l’électronique: Expériences à venir et à mettre en œuvre: Mesure au Centre Lacassagne à Nice: Protons de 64 MeV Efficacité de détection et de collection de charges Mesure du temps de transit des charges dans le diamant: Source d’Am241 → α(5.4 MeV). Les α s’implantent à la surface du détecteur: ~10µm Mesure de l’efficacité de collection de charges Mesure à l’ESRF: Faisceau de photons 12.4keV. Mode 4 bunchs (un bunch ↔ une particule) sur BM05: 4.1MeV/bunch/mm. Mesure de l’homogénéité de l’efficacité de collection de charge sur la surface grâce au faisceau focalisé Mesures en mode « auto-trigger » et « trigger faisceau » Demande de test en cours (J. Morse) Pour toutes ces manips: Mesure du temps de montée: test de la réponse impulsionnelle des préampli Comparaison mono et polycristallin 09/06/2015 Journée Diamant

Activités en cours Caractérisation des diamants et de l’électronique: Développement d’un nouveau banc de test pour la source 90Sr Tables de translation Possibilité de tester des diamants de grande surface Développement d’un nouveau porte échantillon sur PCB Adapté aux hautes fréquences et d’impédance 50 Ω 09/06/2015 Journée Diamant

Perspectives Amincissement des diamants ASIC Carte DAQ Distance de collection de charges < 200-300µm, donc pas besoin d’avoir des détecteurs épais Besoin d’un détecteur le plus transparent possible Polissage ou gravure plasma de la face côté substrat. Problème potentiel d’homogénéité mais pas forcément gênant pour le tagging temporel ASIC Dynamique: 7fC (1 proton de 250MeV) à 600 fC (1 carbone de 80MeV/u) Mise en forme très rapide (durée de l’impulsion < 10 ns) TDC: Précision sur le temps de montée des signaux ≈ 100ps Spectroscopie (dans la cadre d’un développement commun avec Monodiam par exemple) Carte DAQ 32 strips/détecteur, ~1800 voies de lecture. 09/06/2015 Journée Diamant

Merci pour votre attention 09/06/2015 Journée Diamant

Electronique Capacitance: Discussion avec Mircea Ciobanu de GSI: εr =5.5C/V/m , A = 20x20 mm², d = 500µm  C ≈ 40pF 32 strips Cstrip = 1.2 pF Fringing effect ≈ 1pF Préampli 50Ω  τ = RC = 50x2 10-12 = 100ps  Signal avec Q/C Є [3.7, 310] mV par voie Discussion avec Mircea Ciobanu de GSI: Propose l’ASIC PADI (100 000 voies, discri sur chaque voie) Ref:http://ieeexplore.ieee.org/lpdocs/epic03/wrapper.htm?arnumber=6786378 09/06/2015 Journée Diamant

hodoscope Hodoscope de faisceau : - fibres scintillantes de section carrées de 1mm2 (128*X, 128*Y), - lumière transportée par fibres optiques, - 8 photomultiplicateurs matriciels Hamamatsu H8500 de 64 voies - lecture des fibres aux deux extrémités 512 voies de lecture Ce détecteur ne participe pas au trigger, Les mesures : - t : résolution <1ns - Position des fibres touchées (x,y) - charge (uniquement pour le test) - Dose admissible > 1012 carbon ions/cm2 - Taux de comptage < 4x106 Hz par PMT: 8 PMTs → développement d’un ASIC Hodopic: preampli convoyeur courant, comparateur, TDC par DLL → développement d’une carte de front end spécifique à l’IPNL.

Test des performances avec acquisition VME

Carte DAQ hodoscope Principales caractéristiques de la carte DAQ hodoscope : Une carte permet d’acquérir les 64 voies d’un PM, ASIC « hodopic » ASIC 32 voies, Intègre un TDC (à base de DLL, résolution = 195 ps) position des fibres touchées. une sortie charge multiplexée pour le test FPGA stratix II GX jitter cleaner : LMK04828 Mémoire flash (MPF) 1Mbit : SST39LF020 transceiver optique d’E/S à 3 Gbits/s Premier prototype en test

Carte testée Firmware en cours (X. Chen)