DRT/LIST/DIMRI/SIAR/LTD DETECTEURS EN DIAMANT SYNTHETIQUE POUR LA DOSIMETRIE DES RAYONNEMENTS : APPLICATION A LA RADIOTHERAPIE Marie Joséphine Guerrero Journées Jeunes Chercheurs, Aussois, 1-5 décembre 2003

LE DIAMANT De plus: Matériau équivalent tissus ( Z = 6) Détecteurs en diamant synthétique pour la dosimétrie des rayonnements: application à la radiothérapie LE DIAMANT De plus: Matériau équivalent tissus ( Z = 6) Matériau à grand gap (5,5eV) Grande mobilité des porteurs (>2000cm2V-1s-1) Forte résistivité (>1014 ohm.cm) Forte résistance au rayonnement Inerte chimiquement Application possible en dosimétrie médicale Bon détecteur de rayonnement Journées Jeunes Chercheurs, Aussois, 1-5 décembre 2003

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 Journées Jeunes Chercheurs, Aussois, 1-5 décembre 2003

ELABORATION DU MATERIAU Détecteurs en diamant synthétique pour la dosimétrie des rayonnements: application à la radiothérapie ELABORATION DU MATERIAU Le matériau ainsi obtenu est un matériau polycristallin Croissance par PECVD micro-ondes (Dépôt chimique en phase vapeur assisté par plasma micro-ondes) Journées Jeunes Chercheurs, Aussois, 1-5 décembre 2003

APPLICATION A LA RADIOTHERAPIE Détecteurs en diamant synthétique pour la dosimétrie des rayonnements: application à la radiothérapie … APPLICATION A LA RADIOTHERAPIE Deux 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 Journées Jeunes Chercheurs, Aussois, 1-5 décembre 2003

PASSIVATION DES DEFAUTS Détecteurs en diamant synthétique pour la dosimétrie des rayonnements: application à la radiothérapie 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 : niveaux de pièges peu profonds instables à température ambiante niveaux de pièges profonds stables à température ambiante Journées Jeunes Chercheurs, Aussois, 1-5 décembre 2003

CARACTERISATION DES DEFAUTS Détecteurs en diamant synthétique pour la dosimétrie des rayonnements: application à la radiothérapie 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 Irradiation et mesure sur le même appareillage: Meilleur contrôle des paramètres pour la reproductibilité des mesures Pièges « peu profond » Pièges « profond » Journées Jeunes Chercheurs, Aussois, 1-5 décembre 2003

Détecteurs en diamant synthétique pour la dosimétrie des rayonnements: application à la radiothérapie ETUDE DES DEFAUTS Pics vers 300K-400K Très contraignant pour les chambres d’ionisations (CI) Peu contraignant pour la dosimétrie par thermoluminescence (TL) Pic vers 550K Niveau influant sur la stabilité de la réponse sous faisceau (CI) Niveau utilisé pour la dosimétrie par TL Journées Jeunes Chercheurs, Aussois, 1-5 décembre 2003

APPLICATION A LA RADIOTHERAPIE: Détecteurs en diamant synthétique pour la dosimétrie des rayonnements: application à la radiothérapie APPLICATION A LA RADIOTHERAPIE: CHAMBRE D’IONISATION 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 Journées Jeunes Chercheurs, Aussois, 1-5 décembre 2003

APPLICATION A LA RADIOTHERAPIE: Détecteurs en diamant synthétique pour la dosimétrie des rayonnements: application à la radiothérapie APPLICATION A LA RADIOTHERAPIE: CHAMBRE D’IONISATION 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. Journées Jeunes Chercheurs, Aussois, 1-5 décembre 2003

APPLICATION A LA RADIOTHERAPIE: Détecteurs en diamant synthétique pour la dosimétrie des rayonnements: application à la radiothérapie APPLICATION A LA RADIOTHERAPIE: CHAMBRE D’IONISATION On observe le même phénomène sur des échantillons de diamant naturels Journées Jeunes Chercheurs, Aussois, 1-5 décembre 2003

APPLICATION A LA RADIOTHERAPIE: Détecteurs en diamant synthétique pour la dosimétrie des rayonnements: application à la radiothérapie APPLICATION A LA RADIOTHERAPIE: CHAMBRE D’IONISATION 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. Le contrôle des conditions de croissance et donc des niveaux de pièges dans le matériau nous permet de faire disparaître ce phénomène. Journées Jeunes Chercheurs, Aussois, 1-5 décembre 2003

APPLICATION A LA RADIOTHERAPIE: Détecteurs en diamant synthétique pour la dosimétrie des rayonnements: application à la radiothérapie APPLICATION A LA RADIOTHERAPIE: CHAMBRE D’IONISATION Évolution lente de du signal sous rayonnement: Phénomène de dépompage au cours du temps entre les irradiations: dépiègeage des niveaux profonds Nécessité de connaître l’histoire du détecteur Nécessité de définir une procédure d’utilisation et de stockage Journées Jeunes Chercheurs, Aussois, 1-5 décembre 2003

APPLICATION A LA RADIOTHERAPIE: 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 Journées Jeunes Chercheurs, Aussois, 1-5 décembre 2003

APPLICATION A LA RADIOTHERAPIE: 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) Comparaison entre la réponse d’un dosimètre standard (LiF) et de dosimètres en diamant Journées jeunes chercheurs, Aussois, 1-5 décembre 2003

conditions de synthèse des films (*) Détecteurs en diamant synthétique pour la dosimétrie des rayonnements: application à la radiothérapie APPLICATION A LA RADIOTHERAPIE: DOSIMETRES TL Tests 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 Journées jeunes chercheurs, Aussois, 1-5 décembre 2003

APPLICATION A LA RADIOTHERAPIE: 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 Journées jeunes chercheurs, Aussois, 1-5 décembre 2003

PERSPECTIVES POUR LES APPLICATIONS MEDICALES 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 Journées jeunes chercheurs, Aussois, 1-5 décembre 2003

CONCLUSION Plusieurs approches sont à l’étude: 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