L’imagerie nucléaire fonctionnelle est une technique d’imagerie médicale efficace pour ca-ractériser le métabolisme. Elle permet d’imager les changements physiologiques tels qu’une surconsommation locale de sucre caractérisant la présence d’une tumeur ou des flux sanguins dans certaines zones du cerveau pouvant être reliés à une activité cognitive spécifique.
Il y a deux techniques d’imagerie nucléaire : la TEMP et la TEP. Malgré la présence du col-limateur à trous qui limite sa sensibilité, la TEMP reste la technique la plus utilisée en imagerie nucléaire, notamment du fait de son prix raisonnable et de l’accès facile aux émetteurs γ.
La sensibilité et la résolution spatiale des caméras en imagerie médicale ont été améliorées avec l’arrivée, dans les années 80, de la TEP. La TEP permet d’obtenir des images de bonne qua-lité en une trentaine de minutes. L’acquisition d’un grand nombre de lignes de réponse permet, par le biais d’algorithmes de reconstruction tomographiques, d’obtenir une image caractérisée par une bonne résolution spatiale. Cette résolution, comprise entre 5 et 8 mm pour les examens en routine clinique chez l’homme, se retrouve limitée par des facteurs à la fois intrinsèques à la physique de la TEP et liés aux détecteurs utilisés.
Les recherches et les développements actuels dans des domaines aussi variés que les scin-tillateurs inorganiques ou les photodétecteurs ont pour but d’améliorer cette qualité d’image et de réduire le temps de l’examen de la TEP. Cette amélioration demande désormais un effort
financier et humain extrêmement important.
Ces critères peuvent aussi être améliorés par une approche différente : l’imagerie à 3γ. Cette technique d’imagerie, proposé par le laboratoire Subatech, est basée sur l’utilisation d’un émet-teur (β+, γ), le44Sc, tout en remplaçant le cristal inorganique par le xénon liquide ce qui fait l’objet du chapitre suivant.
Chapitre 2
Un télescope Compton au xénon liquide
Dans ce chapitre, nous allons faire une étude détaillée du télescope Compton au xénon li-quide. Nous allons en premier lieu nous intéresser au xénon liquide et à ses propriétés physiques afin de comprendre en quoi c’est un bon milieu de détection pour les photons dont l’énergie est comprise entre quelques centaines de keV et quelques MeV. Nous poursuivrons en expli-quant l’influence du champ électrique sur les signaux issus d’une TPC (pour Time Projection Chamber) ayant le xénon liquide comme milieu actif. Dans cette explication, nous parlerons des propriétés de diffusion des charges dans ce milieu et nous discuterons les paramètres ayant des impacts sur la résolution en énergie. En second lieu, ce chapitre sera consacré à une des-cription détaillée de notre prototype du télescope Compton XEMIS (Xenon Medical Imaging System) composé d’un photomultiplicateur, d’une structure micromegas, d’une anode et de son électronique.
2.1 Le xénon liquide comme un milieu de détection
Le xénon liquide est un milieu de détection utilisé dans la physique des hautes énergies depuis plusieurs dizaines d’années. En effet, la première étude sur l’utilisation du xénon li-quide comme milieu de détection des rayonnements ionisants remonte à 1967 par Dolgoshein [25].Plusieurs études ont été faites pour caractériser le xénon liquide comme la mesure de la vitesse de dérive des électrons [26], l’énergie d’ionisation [27] [28], le facteur de Fano [29], les temps de décroissance de la scintillation [30] etc.
Le xénon liquide a été utilisé dans différents domaines de physique des hautes énergies. Un groupe de Columbia mené par Elena Aprile a développé une chambre à projection temporelle (TPC) pour l’astronomie γ et β . Le projet MEG [31], qui se propose de chercher la désinté-gration rare d’un muon µ+ → e+γ , interdite par le modèle standard, utilise un calorimètre au xénon liquide pour la détection du rayonnement gamma de 52,8 MeV. Le projet XENON pour la détection de la matière noire a débuté en utilisant un détecteur de 10 kg de xénon [32], puis a poursuivi avec un détecteur de 100 kg en 2011 [33] et envisage le fonctionnement d’un
teur de 1 tonne de xénon en 2015.
Le xénon liquide est aussi présent dans les recherches dans le domaine de l’imagerie mé-dicale. Un groupe de l’université de Coïmbra a fait une étude de la TEP en 1993 [34] ; il a effectué un travail de développement d’une caméra TEP particulièrement important. Le groupe de Waseda a commencé à développer un prototype de (TOF-PET) en 1997 utilisant uniquement le signal de scintillation du xénon [35]. Un autre travail de TEP au xénon liquide a été effectué par un groupe de Grenoble en 2009 [36].
2.1.1 Propriétés physiques
Une caractéristique unique et importante de LXe (pour Liquid Xenon), partagée seulement par l’argon liquide (LAr) parmi les gaz nobles liquides, et spécifique à cette classe de matériaux, est la production à la fois de porteurs de charges et de photons de scintillation suite à l’interac-tion d’une particule ionisante incidente.
Les propriétés physiques les plus importantes du xénon liquide comme milieu de détection sont résumées dans le tableau 2.1. Les caractéristiques notées en gras sont les points importants dans la conception d’un télescope Compton utilisant du xénon liquide. La densité élevée et le grand numéro atomique du LXe lui confèrent un pouvoir d’arrêt important par rapport aux pho-tons qui ont une énergie autour de 1 MeV. Le fait que le xénon soit sous forme liquide permet la création de détecteurs de grands volumes monolithiques, le xénon est alors un milieu idéal pour un détecteur de grande sensibilité à grand champ de vue sans zone morte. Les désavantages de la forme liquide du xénon est qu’elle n’est disponible qu’à une température inférieure à 165 °K pour une pression de 105Pa (1 bar), ce qui nécessite une bonne cryogénie.
Numéro atomique Z 54
Masse atomique 131,30 g.mol−1
Densité du liquide 3 g.cm−3
Point d’ébullition à 1 bar 165,05 °K [37]
Point de fusion à 1 bar 162,03 °K [37]
Potentiel d’ionisation en phase liquide I 9,28 eV
Energie moyenne d’ionisation W 15, 6 ± 0, 3 eV [28]
Facteur de Fano 0,059 [29]
Efficacité de scintillation 46000 photons.MeV−1
Pic de scintillation 178 nm
Constantes de décroissance 4 et 22 ns [38]
2.1.1.1 Structure électronique
La connaissance de structure électronique est utile pour comprendre les processus de l’ioni-sation et la scintillation dans le LXe. Comme le LAr et LKr, le LXe a une structure de bande ; au vu de sa grande bande de 9,28 eV (qui correspond à la différence d’énergie entre le bas de la bande de conduction et le haut de la bande de valence), le LXe est considéré comme un excellent isolant.