I.4 Probl´ ematique de la dosim´ etrie des mini-faisceaux
I.4.1.1 Dosim`etres actifs
Une chambre d’ionisation est une cavit´e d’air comprise entre deux ´electrodes entre lesquelles une diff´erence de potentiel est appliqu´ee afin de cr´eer un champ ´electrique dans le volume (Figure I.12). Le faisceau incident de rayonnement ionisant cr´ee des paires
´electron-ion dans le volume d’air. Ces ´electrons et ions vont migrer vers les ´electrodes sous l’effet du champ ´electrique. Le d´eplacement des charges induit un courant qui est mesur´e par un ´electrom`etre. Ce courant est donc directement reli´e `a la dose absorb´ee dans la chambre d’ionisation.
Parmi les chambres couramment utilis´ees pour la dosim´etrie des mini-faisceaux, le volume sensible d’air peut varier de 0,007 cm3 pour la chambre Exradin A16 Micropoint
`a 0,6 cm3 pour la chambre de type Farmer [4]. L’effet n´egatif du large volume de d´etection
des chambres sur la mesure de la dose en mini-faisceaux a ´et´e ´etudi´e par diff´erents au-teurs [22] [23] [24] et sera d´etaill´e `a partir du Paragraphe I.4.3.
Parmi ces chambres d’ionisation, la chambre type Pinpoint peut ˆetre consid´er´ee comme un dosim`etre de r´ef´erence pour les champs de 3 × 3 cm2 `a 10 × 10 cm2 [22] [25] [26].
Cependant, au-del`a de 10 ×10 cm2, une augmentation de la dose peut ˆetre observ´ee pour les chambres PinPoint qui pr´esentent une ´electrode centrale en acier [25]. Agostinelli et al.
[27] ont montr´e que la chambre PTW PinPoint 31014 poss´edant une ´electrode centrale en aluminium ne surestimait pas la dose en grands champs, cependant une correction de polarit´e ´etait n´ecessaire. De plus, l’irradiation du cˆable de la chambre Pinpoint entraˆıne une augmentation du signal mesur´e jusqu’`a 2,5 % de la dose sur l’axe du faisceau [25].
Figure I.12 – Sch´ema d’une chambre d’ionisation et de son ´electrom`etre, d’apr`es la th`ese de M. Le Roy [28].
b) Diode silicium
Les diodes utilis´ees en radioth´erapie sont des jonctions p−n, c’est-`a-dire la juxta-position d’un semi-conducteur de type p (dop´e avec un accepteur d’´electrons) et d’un semi-conducteur de type n (dop´e avec un donneur d’´electrons). La diff´erence de concen-tration des ´electrons et des trous dans les deux mat´eriaux entraˆıne une diffusion des trous vers la r´egion n et des ´electrons vers la r´egion p. Ce d´eplacement laisse alors des ions positifs dans la r´egion n et des ions n´egatifs dans la r´egion p, donnant naissance `a un champ ´electrique s’opposant `a la diffusion des porteurs de charge ; un ´etat d’´equilibre est atteint. Une zone de d´epl´etion, sans aucune charge libre en d´eplacement, est alors cr´e´ee
`a l’interface des deux mat´eriaux. Lorsqu’un rayonnement ionisant traverse la diode, des paires ´electron-trou sont cr´e´ees dans cette zone de d´epl´etion et elles vont migrer sous l’effet du champ ´electrique. Des ´electrodes sont positionn´ees de chaque cˆot´e de la jonction afin de mesurer le courant induit par le d´eplacement de ces charges.
I.4 Probl´ematique de la dosim´etrie des mini-faisceaux En radioth´erapie, les diodes pr´esentent un tr`es petit volume de d´etection permettant d’obtenir une excellente r´esolution spatiale, une haute sensibilit´e aux rayonnements et un bon rapport signal sur bruit malgr´e un tr`es petit volume de d´etection.
Cependant, du fait de son num´ero atomique ´elev´e (Zsilicium = 14), la diode est plus sensible aux photons diffus´es de basse ´energie que l’eau, `a cause de l’effet photo´electrique.
Ceci entraˆıne une surestimation de la dose absorb´ee dans le volume sensible de la diode par rapport `a l’eau. Cette augmentation du signal qui peut exc´eder 10 % est plus importante en grands champs puisque le nombre de photons diffus´es de basse ´energie augmente avec la taille de champ [29]. Il existe donc une d´ependance en ´energie de la r´eponse de la diode, qui selon Saini et Zhu [30] est ´egalement due aux mat´eriaux d’encapsulation de la diode non ´equivalents-eau de num´ero atomique ´elev´e (Figure I.13).
Certaines diodes telle que la diode EDGE de Sun Nuclear (USA) poss`edent un blindage m´etallique qui permet d’att´enuer les photons diffus´es de plus faible ´energie et donc de diminuer la d´ependance de la r´eponse de la diode avec l’´energie [26] [31].
Les diodes peuvent ´egalement pr´esenter une forte d´ependance angulaire pouvant at-teindre 10 % pour une diode blind´ee entre 0˚ et 67,5˚ selon Griessbach et al. [32], ainsi qu’une d´ependance `a la temp´erature [33] [34] [35] [36] et au d´ebit de dose [37].
Figure I.13 – Sch´ema classique d’une diode pour la dosim´etrie d’apr`es [38].
c) Diamant naturel PTW
Le d´etecteur diamant actuellement commercialis´e par PTW (60003) fonctionne comme une chambre d’ionisation solide avec des ´electrodes de part et d’autre du mat´eriau dia-mant. Il est r´ealis´e `a partir d’un diamant naturel pr´esentant peu d’impuret´es, s´electionn´e drastiquement pour avoir les propri´et´es ´electoniques n´ecessaires pour la dosim´etrie en termes de temps de r´eponse, de rapport signal sur bruit et de stabilit´e de la r´eponse.
Le diamant est encapsul´e tout d’abord dans une fine couche d’epoxy puis dans dans un
cylindre de polystyr`ene de 7,3 mm de diam`etre ext´erieur [39] (Figure I.14). Ce d´etecteur est pr´esent´e dans la litt´erature comme ´etant proche de l’´equivalence `a l’eau, ´etant donn´e que le num´ero atomique du carbone (Zcarbone= 6) est proche du num´ero atomique effectif de l’eau (Zeau≈7,4).
L’effet des mat´eriaux d’encapsulation du diamant a ´et´e ´etudi´e par Mobit et al. [40]
`a l’aide de simulations Monte Carlo pour diff´erentes qualit´es de faisceaux de photons ; une variation de la r´eponse du diamant inf´erieure `a 1,3 % a ´et´e calcul´ee entre le diamant encapsul´e et le diamant sans encapsulation. La r´eponse de ce dosim`etre diamant est donc suppos´ee ne pas pr´esenter de d´ependance avec l’´energie. De Angelis et al. [41] ont en effet observ´e une d´eviation d’environ 1 % de la r´eponse du d´etecteur diamant PTW entre un faisceau de photons de 6 MV et de 25 MV et moins de 1,5 % entre un faisceau d’´electrons de 6 MeV et 22 MeV. Mobit et al. [40] confirment la faible d´ependance de la r´eponse du d´etecteur diamant PTW avec l’´energie : variation inf´erieure `a 1 % entre le faisceau gamma de 60Co et le faisceau X de 25 MV.
Le dosim`etre diamant pr´esente l’avantage d’avoir une sensibilit´e ´elev´ee, un faible courant de fuite et une r´esistance ´elev´ee aux rayonnements [42]. Il ne pr´esente pas de d´ependance angulaire significative dans les faisceaux de photons selon De Angelis et al. [41]
et Rustgi [43], dans le cas o`u le dosim`etre est positionn´e avec son cˆable parall`ele `a l’axe du faisceau.
Le dosim`etre diamant PTW pr´esente un volume sensible de forme cylindrique compris entre 1 et 6 mm3. La plus petite dimension est son ´epaisseur qui varie de 0,1 mm `a 0,4 mm, mais le rayon du cylindre peut atteindre 2,2 mm, ce qui en fait un dosim`etre ayant une moins bonne r´esolution spatiale que les diodes. La r´esolution spatiale est tout de mˆeme meilleure avec un dosim`etre diamant PTW qu’avec la plupart des chambres d’ionisation de large volume [44], mais pour avoir la meilleure r´esolution spatiale, la face du diamant doit ˆetre orient´ee parall`element `a l’axe du faisceau, ainsi la faible ´epaisseur du volume sensible se trouve dans la direction du profil de dose r´ealis´e [23]. La variation de volume sensible entre deux dosim`etres diamant PTW s’explique par le fait qu’il est difficile d’obtenir deux
´echantillons de diamant naturel reproductibles.
Une irradiation du dosim`etre est n´ecessaire afin de stabiliser sa r´eponse. Cette pr´e-irradiation varie de 5 `a 15 Gy selon les diff´erentes ´etudes publi´ees [41] [45] [46] [47] [48].
La dose de pr´e-irradiation d´epend de la concentration et de la nature des d´efauts dans le diamant et elle est donc variable d’un ´echantillon `a l’autre [41].
La r´eponse du dosim`etre diamant PTW pr´esente une d´ependance avec le d´ebit de dose pouvant atteindre 3,2 % en modifiant la distance source-surface du fantˆome (DSP) pour une gamme de d´ebit de 0,9 `a 4,65 Gy.min−1 [41]. En modifiant la fr´equence de r´ep´etition des pulses, la variation de r´eponse du dosim`etre diamant PTW peut atteindre 4,3 % entre un d´ebit de 0,5 et 2 Gy.min−1 [45]. La r´eponse du d´etecteur diamant diminue en effet lorsque le d´ebit de dose augmente. Cependant, diff´erentes ´etudes ont montr´e que
I.4 Probl´ematique de la dosim´etrie des mini-faisceaux cela a peu d’influence sur la mesure de rendement en profondeur, puisque le dosim`etre diamant est en accord `a 1 % avec une chambre d’ionisation jusqu’`a 30 cm de profondeur dans l’eau [40] [45].
Enfin, le dosim`etre diamant naturel PTW pr´esente une d´ependance de sa r´eponse avec la temp´erature jusqu’`a 1 %.˚C−1 selon Vatnitsky et J¨arvinen [49].
Figure I.14 – Sch´ema du d´etecteur diamant PTW issu du manuel d’utilisation du d´etecteur d’apr`es [41].
I.4.1.2 Dosim`etres passifs