Etiquetage faisceau MONIDIAM. Contexte Hadronthérapie: Imagerie et Contrôle en ligne du traitement Outil commun d’étiquetage en temps et position du faisceau.

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1 Etiquetage faisceau MONIDIAM

2 Contexte Hadronthérapie: Imagerie et Contrôle en ligne du traitement Outil commun d’étiquetage en temps et position du faisceau incident Gamma prompts (détection avec temps de vol) Imagerie de vertex protons secondaires Radiographie protons

3 3 hodoscope Hodoscope de faisceau : - fibres scintillantes de section carrées de 1mm 2 (128X, 128Y), - lumière transportée par fibres optiques, - 8 photomultiplicateurs matriciels Hamamatsu H8500 de 64 voies - lecture des fibres aux deux extrémités  512 voies de lecture Les mesures : - t : résolution <1ns - Position des fibres touchées (x,y) - charge (uniquement pour le test) - Dose admissible > 10 12 carbon ions/cm 2 - Taux de comptage < 4x10 6 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. Alternative à forte capacité de comptage: Diamants polycristallins

4 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: 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: 10 11 protons/cm²/traitement, 20 séances/jour  10 14 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

5 Contexte Quelques propriétés du diamant (monocristallin) Résistant aux radiations: – « Displacement Energy » 2 à 3 fois celle du Si Bonne résolution temporelle et supporte un fort taux de comptage: – Mobilité 1.5 à 3 fois celle du Si Bas bruit: – Energie du gap 4.6 fois celle du Si Non refroidi: – Conductivité thermique 10 à 13 fois celle du Si Amplitude du signal: – Energie d’ionisation 3.6 fois moins que celle du Si Efficacité de collection des charges (↔distance de collection de charges): – >100m pour le Si, quelques centaines de μm pour le diamant (liée aux défauts cristallins)

6 Diamant polycristallin Croissance: – Croissance par PECVD (Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition) – Substrat de nature différente du diamant: croissance homoepitaxiale – Présence de défauts cristallins (joints de grain par exemple) dont la densité tend à baisser avec l’épaisseur du cristal. – Taille: jusqu’à 50x50 mm² (7x7 mm² pour le monocristallin) Efficacité de collection de charges: – Plus faible que pour un monocristal (défauts = pièges à électrons) – Régimes transitoires

7 Activités en cours Caractérisation des cristaux et de l’électronique: Expériences réalisées Sur GENEPI: 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 Mesure au GANIL: Faisceau d’ions 12 C de 95 MeV/u (50 MeV déposés dans 500μm de diamant) – Efficacité OK – Préampli pas adapté pour timing rapide Expériences à mettre en œuvre: Mesure à l’ESRF: – Faisceau de photons 6-200keV. Mode 4 bunchs (un bunch ↔ une particule) sur ID21: 4.1MeV/bunch/mm. 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 du temps de montée: test de la réponse impulsionnelle du préamplificateur de courant/charge: Préamplificateur de charge+shaper: Temps de montée: 4.8µs, Durée du signal : 11 µs Préamplificateur de courant: Temps de montée: 16 ns, Durée du signal : 40 ns Préamplificateur de courant DBA (GSI): Temps de montée: 4 ns, Durée du signal : 10ns Préampli Cividec: Temps de montée <1ns, durée signal <10ns

8 Banc de test alpha au LPSC 1eres mesures:  t (e-/holes): 350 ps rms 8

9 Premières mesures Résolution temporelle (T electrons -T holes ) Dépôt d’énergie près d’une surface Formes d’impulsions: – Type de particules, CCD du détecteur 9

10 Perspectives Amincissement des diamants – Distance de collection de charge < 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 Diamants hétéroépitaxiques (Univ. Augsburg) ASIC – Dynamique: 7fC (1 proton de 250MeV) et 6 nC (10 ions Carbone de 80MeV/u) – TDC: Précision sur le temps de montée des signaux ≈ 100ps – Spectroscopie? Carte DAQ – 32 strips/détecteur, 1800 voies de lecture.