Etude du courant en sortie d’une chambre d’ionisation plane sous faisceau

Figure 6-11 : Demi-profils obtenus, sans et avec normalisation, pour trois épaisseurs de volume sensible sans la présence de la grille (haut), ou pour une épaisseur de 2 mm sans et avec la présence de la grille en cuivre de limitation du parcours

latéral des électrons primaires (bas).

Pour une épaisseur de volume sensible de 2 mm, le courant mesuré expérimentalement au maximum du profil est de 35 ± 1 pA. Ainsi, pour des impulsions d’une durée de 5 µs présentes toutes les 5 ms, la charge correspondante est de 175 ± 5 fC/impulsion. Or le résultat des simulations GEANT4 prédit, pour la même géométrie de détecteur, une sensibilité de 15,0 ±0,1 fC/impulsion/mm² (voir 4.2.3.2), donc 161 ± 1 fC/impulsion pour l’électrode testée. L’ordre de grandeur est donc bien celui attendu. On retrouve également une augmentation de la valeur du courant lorsque l’épaisseur du volume sensible augmente. L’introduction de la grille augmente également la valeur du courant, pratiquement d’un facteur 2. C’est la conséquence des interactions des photons se produisant dans la grille.

Conclusion

La dégradation de la résolution spatiale liée à la hauteur de volume sensible et l’apport de la présence de la grille sont visibles expérimentalement. Suite à ces résultats, il a été décidé de concevoir un prototype de détecteur avec la géométrie damier (voir 7.1) En parallèle de la réalisation de celui-ci, le travail sur l’électronique de lecture dédiée a été intensifié

6.2.2. L’électronique de lecture à l’échelle d’une impulsion du faisceau

Cette section est constituée de deux parties. La première est consacrée à l’étude du courant d’ionisation en sortie d’un pavé de notre prototype. Les effets de variation de la polarité et de la valeur de la haute-tension appliquée vont être étudiés, ainsi que la structure temporelle du courant. La seconde concerne la validation de notre électronique dédiée.

6.2.2.1 Etude du courant en sortie d’une chambre d’ionisation plane sous faisceau

Comme la tension de sortie d’un montage électronique convertisseur est proportionnelle au courant d’entrée, ce montage est idéal pour caractériser le courant en sortie d’une chambre d’ionisation. La première fois que nous avons voulu visualiser sur un oscilloscope l’évolution temporelle du courant en

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 -4 -3 -2 -1 0 C ou ran t (pA ) Distance (cm) Profils pour trois épaisseurs de vol. sensible

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 -4 -3 -2 -1 0 C ou ran t n or mé (% ) Distance (cm) Profils normés pour les trois épaisseurs de vol. sensible

ép. vol. 0,9 mm ép. vol. 2 mm ép. vol. 3,5 mm 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 -4 -3 -2 -1 0 C ou ran t (pA ) Distance (cm) Profils sans et avec la grille de limitation du

parcours des électrons

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 -4 -3 -2 -1 0 C ou ran t n or mé (% ) Distance (cm) Profils normés sans et avec la grille de limitation du

parcours des électrons

ép. vol. 2 mm, SANS grille ép. vol. 2 mm, AVEC grille

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sortie de notre prototype de détecteur, pour remplacer le picoampèremètre, nous avons donc utilisé ce type de montage. Le rapport signal sur bruit étant faible, l’acquisition était déclenchée sur un signal fourni par l’accélérateur indiquant la présence du faisceau (figure 6-12) et le signal observé était moyenné sur 32 impulsions consécutives.

Figure 6-12 : Illustration de l’acquisition sous faisceau avec le montage convertisseur.

Pour un débit de 300 UM/min, sous le Clinac 2100, l’allure du signal observé ne correspondait pas à l’allure théorique attendue : la forme n’était pas celle d’un triangle décroissant, et pour une même valeur de HT, la forme différait pour les deux polarités (figure 6-13, gauche). L’observation du signal sur une plage de temps plus importante a montré qu’entre deux impulsions du faisceau nous mesurions un bruit (figure 6-13, milieu). Supposant que ce bruit s’ajoutait au courant d’ionisation pour les impulsions de présence du faisceau, nous l’avons soustrait et, après correction, l’allure était bien celle attendue (figure 6-13, droite).

Figure 6-13 : Visualisation de la tension en sortie du convertisseur non stabilisé, mesuré sous faisceau Clinc 2100 avec un débit de 300 UM/min : mise en évidence d’une perturbation électromagnétique liée à la présence de l’onde accélératrice.

Prototype monté avec un volume sensible de 2 mm.

Cette observation nous a permis de mieux comprendre le fonctionnement de l’accélérateur Clinac 2100, qui est illustré sur le schéma de la figure 6-14 pour le cas d’un débit de 100 UM/min. Ce fonctionnement a été déduit de l’observation de quatre signaux fournis par l’accélérateur : un signal d’horloge (« SYNC »), une image de la puissance consommée par l’onde accélératrice (« KLY I »), et les images des courants du canon à électrons et de la cible (« GUN I » et « TARG I »). Le signal d’horloge définit des créneaux de 5 µs toutes les 2,5 ms. Avant que l’opérateur ne démarre une irradiation, il n’y a pas d'onde accélératrice et l’alimentation du canon à électrons est identique au signal d’horloge mais avec un déphasage de 20 µs.

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Après que l’opérateur ait demandé le lancement de l’irradiation, l’onde accélératrice est présente dans la cavité de façon synchrone avec le signal d’horloge. Passé un délai qui permet la stabilisation de l’onde dans la cavité, une proportion des impulsions du canon à électrons vont être décalées temporellement pour être synchrones avec la présence de l’onde, et donc créer le faisceau clinique. Cette proportion varie de une impulsion sur six à six impulsions sur six pour les débits de 100 à 600 UM/min. Comme nos mesures de la figure 6-13 ont été acquises avec un débit de 300 UM/min, le bruit visible sur nos signaux entre les impulsions du faisceau était donc lié à la présence de l’onde accélératrice. Deux explications sont possibles. D’une part l’onde génère une perturbation électromagnétique captée par le détecteur (effet antenne). Et d’autre part, l’alimentation du Klystron crée un important appel de courant qui affecte la masse commune entre l’accélérateur et notre chaîne de mesure (détecteur et électronique).

Figure 6-14 : Schéma d’illustration du fonctionnement de l’accélérateur Clinac 2100. La 1ère ligne représente l’évolution temporelle d’horloge, avec une impulsion de 5 µs toutes les 2,5 ms. La 2ème ligne indique quand l’onde accélératrice est présente dans la cavité : elle est présente dès que l’opérateur active le faisceau et est synchrone avec le signal d’horloge. La

3ème ligne correspond à l’éjection des électrons du canon à électrons. Avant la consigne de lancement du faisceau, l’éjection des électrons a la même évolution temporelle que le signal d’horloge, mais avec un décalage de 20 µs. Une fois le faisceau demandé, passer une courte période qui permet la stabilisation de l’onde, certaines impulsions du canon vont être

décalées pour être synchrones avec la présence de l’onde, ce qui permet l’obtention du faisceau clinique en sortie de l’accélérateur. Le cas représenté ici et celui d’un débit de 100 UM/min, pour lequel il y a 1 impulsion sur 6 qui est décalée,

représentée en rouge sur le schéma.

Suite à ces observations, le blindage électromagnétique du détecteur a été amélioré, et la connexion des masses entre le détecteur et le boitier métallique contenant l’électronique de lecture a été renforcée. Egalement, le montage électronique a été stabilisé pour supprimer une oscillation présente au début de la décroissance. Après ces changements, le signal mesuré sans correction est identique à celui qui a été obtenu après soustraction du bruit de la perturbation électromagnétique, avec l’oscillation d’instabilité de l’électronique en moins (figure 6-15).

Figure 6-15 : Comparaison de l’impulsion acquise avec le convertisseur courant-tension initial, à laquelle le bruit a été soustrait lors de l’analyse (bleu), avec l’impulsion acquise après blindage du montage, modification de la connexion des

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Une fois le montage mis au point, l’influence de la HT a été étudiée. La tension de sortie a été enregistrée pour des HT de 0 à 400 V, avec une polarité positive ou négative. Pour chaque cas, l’impulsion moyenne obtenue à partir de 200 impulsions consécutives a été calculée. Le prototype était positionné sous l’accélérateur Elekta Sli, à 70 cm de la source. L’épaisseur du volume sensible était de 2 mm. La figure 6-16 regroupe les impulsions obtenues pour des HT négatives de 0 à 400 volts. L’allure est bien celle d’un triangle, mais avec un temps de montée de 10 µs et des coins arrondis. Cela provient d’une part de la convolution entre le triangle idéal de temps de montée nul, qui serait obtenu si tous les photons étaient délivrés en un pic de Dirac, avec une fonction porte de 5 µs, temps de présence du faisceau. Et d’autre part de l’effet du montage électronique, qui n’est pas assez rapide pour suivre fidèlement le signal d’entrée et applique un léger filtrage passe-bas. Pour les HT les plus faibles, un épaulement est visible en début de décroissance. Il n’a aucune origine physique liée au courant d’ionisation, mais résulte de la réponse du montage convertisseur. Logiquement, lorsque la HT augmente, le champ électrique augmente et donc la vitesse de dérive des ions est plus rapide. La durée de la décroissance a été relevée pour chaque HT pour calculer la mobilité ionique correspondante. D’après nos résultats, elle est constante à 5 % près et la moyenne obtenue est de 1,9 ± 0,1 cm².V-1.s-1, ce qui est une valeur pertinente pour des ions.

Figure 6-16 : Impulsions relevées en sortie du convertisseur courant-tension connecté au prototype pour des HT de 0 à -400 V.

La figure 6-17 représente, les impulsions obtenues pour trois valeurs de HT, avec une polarité positive ou négative. Pour les impulsions correspondant aux HT positives, c’est l’opposé de la tension qui est affiché. Les signaux se superposent : l’effet de polarité est négligeable.

Figure 6-17 : Impulsions relevées en sortie du convertisseur courant-tension connecté au prototype pour des HT de ±20, ±100 et ±400 V.

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A partir du courant d’ionisation, la charge par impulsion, qui est l’aire de chaque impulsion, peut être calculée pour les différentes valeurs de HT. La courbe de saturation peut donc être construite et comparée à celle obtenue avec le picoampèremètre (figure 6-18). La faible précision de notre chaîne de mesure ne met pas en évidence la zone de recombinaison et le plateau de fonctionnement en régime chambre d’ionisation.

Figure 6-18 : Evaluation de la recombinaison des charges à partir des mesures acquises avec le picoampèremètre ( rouge) et ou le convertisseur courant tension (bleu). Dans les deux cas, les HT appliquée sont positives.

Pour conclure, nous retiendrons de cette étude du courant d’ionisation en sortie d’une voie de lecture de notre prototype sous faisceau que :

- la structure temporelle pulsée est bien celle attendue avec des impulsions de présence du faisceau de 5 µs et une période de répétition minimale de 2,5 ms.

- la présence de l’onde accélératrice génère une perturbation électromagnétique. Il est important de s’assurer que l’électronique de lecture n’y est pas sensible, sinon la mesure sera biaisée.

- le courant d’ionisation a bien la forme théorique attendue d’un triangle décroissant.

- la vitesse de dérive des ions est proportionnelle au champ électrique, et la mobilité correspondante vaut 1,9 ± 0,1 cm².V-1.s-1.

- l'effet de la polarité est négligeable.

- la recombinaison ne peut pas être étudiée avec un montage convertisseur courant-tension, du fait du manque de précision de la chaine de mesure. Mais d’après l’étude réalisée avec le picoampèremètre, un champ électrique de 150 V.mm-1 permet de se placer dans le plateau de fonctionnement en régime chambre d’ionisation.

- pour un champ de 150 V.mm-1, avec un volume sensible de 2 mm, le temps de transit maximal est de 70 µs.

6.2.2.2 Etude de l’exactitude des deux systèmes électronique utilisés et apport du