2.2 Evaluation des performances du Saturne par simulation
2.2.4 Discussion
Ces résultats de simulations des faisceaux X produits par le LINAC Saturne aux points de fonctionnement prévus donnent un aperçu des performances attendues pour cet accé- lérateur. Ainsi, suivant les points de fonctionnement, un flou de la source de l’ordre de 100 µm dans le plan objet est attendu. En parallèle, des taches focales plus importantes permettront d’atteindre des débits de dose à 1 m supérieurs à 100 Gy/min.
Ces résultats sont à mettre en regard des performances du banc mécanique décrit dans le chapitre précédent et des performances des différents systèmes de détection présentés dans le chapitre suivant. En effet, les trois composants du tomographe doivent présenter des performances concordantes afin d’assurer une augmentation des performances globales du système, que ce soit en termes de résolution spatiale ou de capacité d’accueil d’objets volumineux et denses. Ces résultats seront également utilisés en données d’entrée des si- mulations tomographiques pour le développement de méthodes de tomographie bi-énergie dans le chapitre 5.
Chapitre 3
Évaluation des performances des
détecteurs
À l’issue de l’étude des performances attendues pour l’accélérateur Saturne, il convient de choisir un système de détection adapté à ses capacités et aux objectifs fixés pour le tomographe. Ces objectifs sont de pouvoir effectuer une mesure de coupe tomographique sur des colis d’un diamètre de 140 cm (colis C1) en une durée d’acquisition inférieure à 30 min, tout en gardant un rapport signal sur bruit supérieur ou égal à 10. En parallèle, il est également primordial de maintenir une résolution spatiale dans le plan détecteur cohérente avec celle de la source et la précision du banc mécanique, et donc a minima inférieure au millimètre.
À titre de comparaison, le détecteur actuel du tomographe, un écran de Gadox plan combiné avec une caméra (détecteur grand champ, voir section 1.3.3), possède en utilisa- tion avec le Mini Linatron une résolution spatiale de 1.5 mm dans le plan objet. Ce couple source-détecteur est capable de mesurer des profils d’atténuation sur des épaisseurs maxi- males de 1 m de béton en géométrie décentrée [39, 24, 25]. Une telle acquisition nécessite en revanche environ 3 h de mesure.
Trois détecteurs sont comparés dans ce chapitre. Bien qu’ils mesurent tous des profils d’atténuation 1D, leur système de détection et leur géométrie d’acquisition sont différents, chaque configuration présentant ses avantages et inconvénients.
Le premier est un détecteur direct composé d’une série de 25 capteurs en semi-conducteurs CdTe séparés par une collimation en plomb. Les pixels de ce détecteur sont donc non jointifs et en nombre restreint, ce qui impose d’effectuer les mesures en géométrie parallel
beam, c’est-à-dire en combinant translations et rotations du colis.
Le second détecteur étudié est indirect et consiste en une caméra linéaire à scintillateur CdWO4 segmenté. Les pixels sont jointifs et formés d’aiguilles de cristal réparties sur un
arc de cercle et orientées vers la cible de la source (voir figure 3.3.1). Ces aiguilles sont reliées à une matrice linéaire de photodiodes par un réseau de fibres optiques. Ce détecteur est disponible dans une largeur suffisante pour pouvoir se passer de translations. De ce fait, il peut opérer en géométrie fan beam circulaire.
Enfin, le dernier détecteur, également indirect, est basé sur plusieurs écrans de CsI placés horizontalement côte à côte. Ils sont irradiés sur la tranche et filmés par des ca- méras placées au-dessus. L’utilisation de plusieurs écrans permet ici aussi de se passer de translations. Les pixels sont également jointifs, mais forment une ligne droite. Ce dernier détecteur est donc utilisé en géométrie fan beam plate.
3.0.1.
Figure 3.0.1 – Géométries d’acquisition tomographique utilisées pour les trois détec- teurs : parallel beam pour les CdTe, fan beam circulaire pour les CdWO4
et fan beam plate pour les écrans de CsI
Dans le cas de l’examen d’un colis de 140 cm de diamètre et de l’utilisation du détecteur CdTe, on considère une course du banc mécanique en translation de 150 cm de long, afin de prévoir des marges autour du colis. Avec une vitesse de translation maximale de 150 mm/s (voir tableau 1.3), une translation complète dure environ 10 s. Pour les CdTe, cela permet d’acquérir directement 25 profils d’atténuation (un par capteur) à des angles différents. Pour les autres détecteurs, qui ne mesurent qu’un profil à la fois mais ne nécessitent pas de translation du colis, un temps de pose de 10/25 = 0.4 s par profil permet donc d’acquérir une coupe tomographique complète en une durée identique. Avec la fréquence de tir de l’accélérateur Saturne à 250 Hz, ce temps de pose correspond donc à 100 tirs, et la durée de mesure totale pour une coupe tomographique à environ 10 minutes pour 1500 angles de projection. Voilà pourquoi, lorsque nous comparerons les détecteurs entre eux, les valeurs des CdTe seront prises pour un tir, et celles des CdWO4 et des CsI pour 100 tirs.
Chaque partie consacrée à un détecteur regroupe des éléments d’études théoriques ainsi qu’une validation/correction expérimentale. Les études théoriques consistent en une ana- lyse QAD des détecteurs, couplée à des simulations Monte-Carlo (MCNP [36] et GATE [40]). Les mesures ont été effectuées dans les cellules CINPHONIE et KROTOS avec l’accélérateur linéaire Mini Linatron, d’énergie équivalente de dose 9 MeV. Le faisceau X produit par cette source a une énergie moyenne mesurée à environ 2.6 MeV1 pour un débit
de dose maximal d’environ 15 Gy/min à 1 m de la source. La tache focale de cette source est une gaussienne simple de FWHM 3.5 mm dans le plan source2. Avec une fréquence
de tir de 50 Hz lors des mesures, le débit de dose est de l’ordre de 2.6 Gy/min.
La première partie détaille des notions nécessaires à la compréhension de l’étude des détecteurs. Ensuite, chaque détecteur est caractérisé dans une partie dédiée. Enfin, les 1. L’énergie moyenne du Mini Linatron a été évaluée par la mesure de l’atténuation du signal en fonction de l’épaisseur d’acier traversée par le faisceau. Avec la loi de Beer-Lambert (équation 1.2.1), on remonte à un coefficient d’atténuation linéique µ pour l’acier. L’énergie associée à cette valeur dans la bibliothèque XCOM [14] donne l’énergie moyenne du faisceau de photons.
2. Cet accélérateur ne possédant pas de système de focalisation du faisceau, sa tache focale reste relativement étalée. De ce fait, une simple gaussienne suffit à ajuster correctement la tache focale. Dans le cas des ajustements en double gaussienne du chapitre 2, la seconde gaussienne, plus piquée, permet d’ajuster la partie focalisée du faisceau, qui n’existe pas sur le Mini Linatron.
3.1 Prérequis à l’étude d’un détecteur
études théoriques ainsi corrigées et validées permettent de prévoir les performances at- tendues avec le nouvel accélérateur Saturne.