1.4.1 Rappel de propriétés importantes des cQDs
L’apport des cQDs dans le domaine de la physique médicale a été décrit dans la section précédente pour des applications précises en dosimétrie à fibre optique et en dosimétrie volu- métrique. La liste suivante rappelle les principales caractéristiques utiles des cQDs pour une utilisation dans un contexte plus général. Quelques unes d’entre elles recoupent les avantages présentés précédemment, d’autres n’ont pas encore été soulevées :
1. Choix varié du support physique (solide, liquide, poudre) et scintillateur de type binaire (composé d’une matrice et des cQDs)
2. Offre de toutes les longueurs d’onde du spectre visible en émission (pour les cQDs avec un coeur de CdSe) par un même matériau
3. Spectre d’absorption étendu en comparaison aux molécules organiques couramment uti- lisées
4. Meilleure résistance aux réactions chimiques photoactivées que les fluorophores orga- niques
5. Ordre de grandeur de concentration de scintillateur beaucoup moindre que ce qui est connu pour les scintillateurs usuels
6. Support organique et scintillateur inorganique nanoscopique constituant un tout continu est une première ! Cette particularité est très attrayante pour la dosimétrie avec fibre optique.
7. La faible intensité actuelle des cQDs peut s’avérer un avantage dans le cas où on devrait utiliser un scintillateur pour un long temps d’intégration sans que celui-ci ne fasse saturer le photodétecteur.
1.4.2 Problématique
Ce nouveau matériau scintillant que sont les cQDs constitue un matériau polyvalent, aux caractéristiques prometteuses, mais dont la réponse à la radiation ionisante demeure encore peu connue, surtout dans le contexte de la radio-oncologie. Comme il a été présenté dans la section « Propriétés et applications en luminescence des QDs » (section 1.1.4), les cQDs ont peu été étudiés pour une utilisation en détection de rayonnement de sources radioactives et de faisceaux artificiels de rayonnement ionisant comme ceux utilisés pour le traitement du
cancer en radiothérapie externe. De plus, leurs caractéristiques n’ont pas été étudiées en por- tant attention à l’aspect dosimétrique, ainsi le portrait établi ne présente pas tous les aspects essentiels à explorer pour une application en dosimétrie à scintillation. En plus de caractériser spécifiquement les cQDs pour ce champ d’application, il est intéressant de trouver où insérer ce nouveau type de scintillateur parmi les technologies existantes.
1.4.3 Objectifs et guide de lecture
La caractérisation systématique des cQDs comme scintillateur s’avère être l’objectif général du projet de doctorat présenté dans cette thèse. Comme cet objectif demeure un énoncé global, plusieurs sous-objectifs ont été déterminés en fonction du travail à mener pour remplir l’objectif principal.
1. Comprendre les phénomènes physiques liés à l’excitation et l’émission des cQDs 2. Développer des stratégies pour accroître le rapport signal sur bruit
3. Caractériser les cQDs dans leur forme la plus simple (sans matrice) 4. Caractériser les dispersions liquides de cQDs
5. Caractériser les cQDs incorporés à une fibre plastique 6. Diriger le projet vers une application clinique
Le chapitre 2 présente la méthode qui a été développée pour synchroniser l’acquisition du signal de scintillation des dosimètres avec la fréquence d’irradiation de l’accélérateur linéaire. Cette amélioration de l’instrumentation vise à augmenter la quantité de lumière capturée et à réduire la quantité de bruit ambiant capturé. Ce chapitre rejoint le deuxième sous-objectif qui tire sa motivation du fait que les signaux de scintillation mesurés sont très faibles, surtout dans le cas de dosimètres à fibre optique. Le cinquième sous-objectif est présenté à travers le développement de cette instrumentation, l’échantillon scintillant de fibre n’étant pas encore d’une qualité suffisante pour être caractérisé entièrement et systématiquement dans une étude portant seulement sur celui-ci. Une partie des résultats traite donc des tests menés avec un dosimètre à fibre optique ayant pour volume sensible une fibre de plastique contenant des cQDs.
Le troisième chapitre présente la comparaison de nos cQDs en poudre à des cQDs en poudre commerciaux en ce qui a trait à leur résistance à la radiation ionisante. Ce chapitre met de l’avant le troisième sous-objectif permettant d’étudier les cQDs dans leur forme la plus « pure », c’est-à-dire sans avoir à tenir en compte l’interaction avec une matrice. Leur intensité de scintillation a été quantifiée en fonction de la dose reçue et un suivi de leurs propriétés spectrales (longueur d’onde du pic d’émission et largeur à mi-hauteur du pic) a été mené tout au long de l’étude.
On retrouve au chapitre 4 une étude du système de dispersions de cQDs en tant que scin- tillateur liquide binaire, abordant ainsi le quatrième sous-objectif. La présence d’une matrice liquide vient rajouter un niveau de complexité, ayant à considérer la présence (majoritaire) du solvant. Ainsi, le transfert énergétique dans le solvant vers les cQDs y est présenté pour trois solvants de nature différente. Une partie de l’étude menée est également consacrée à évaluer la contribution du solvant à l’émission lumineuse des cQDs, caractérisant l’émission Cerenkov que l’on retrouve dans les solutions contrôles ne contenant pas de cQDs.
Les dispersions de cQDs de même que les cQDs sous forme de poudre font aussi l’objet du chapitre 5 alors que sont présentées leurs propriétés dosimétriques. Des propriétés telles que la linéarité de la scintillation en fonction de la dose déposée, l’indépendance au débit de dose et la dépendance du signal en fonction de l’énergie du faisceau y sont caractérisées. À la fois sont ainsi rejoints les sous-objectifs 3 et 4.
Concernant les points 2 et 5 de la liste de sous-objectifs, le deuxième point vise à étoffer les notions théoriques entourant l’excitation et l’émission des cQDs dans un contexte d’ex- citation par rayonnement ionisant. Les concepts présentés au travers des différents chapitres de la thèse sont tirés d’analyses de la théorie concomitante en photoluminescence, puisque la majeure partie des connaissances relèvent de ce phénomène et non de la scintillation (ou radioluminescence). Finalement, le sixième sous-objectif se retrouve principalement dans la conclusion générale du projet de thèse, présentant les opportunités d’insertion des cQDs en dosimétrie à scintillation.
Chapitre 2
Instrumentation et points quantiques
dispersés dans une matrice plastique
Le présente chapitre décrit le développement d’un prototype de circuit intégrateur synchronisé pouvant être utilisé avec une photodiode comme détecteur de lumière émise par les scintilla- teurs irradiés. La première section du chapitre fait état de la problématique liée à l’acquisition de signal lorsqu’un dosimètre à scintillation est irradié à l’accélérateur linéaire. Elle met en place la motivation de développer le circuit intégrateur synchronisé. Les sections suivantes décrivent les détails reliés au prototype développé en partant des notions théoriques liées à la production de faisceau par un accélérateur linéaire jusqu’à la description de l’expérimentation menée pour tester le prototype. Le diagnostic du fonctionnement du prototype est ensuite présenté suivi des résultats obtenus concernant l’analyse du ratio signal sur bruit du montage expérimental de détection utilisé avec et sans prototype pour un même photodétecteur. L’idée de développer ce type d’instrumentation part également du fait qu’il a été constaté que les dosimètres constitués de points quantiques présentaient une plus faible efficacité absolue de scintillation que les scintillateurs organiques plastiques couramment utilisés. Le circuit intégra- teur synchronisé serait un outil d’autant plus pratique pour ce genre de dosimètre présentant une efficacité de scintillation plus faible. Un des détecteurs à base de points quantiques, le der- nier ayant été développé dans ces travaux de thèse à partir d’échantillons à matrice plastique, profiterait particulièrement de ce nouvel outil. La caractérisation préliminaire de ce genre de dosimètre a toutefois été entamée et est présentée dans la dernière section de ce chapitre.
2.1
Mise en contexte
Les irradiations menées dans le cadre de la thèse ont été faites à l’aide de deux sources artificielles de faisceaux de radiation : l’appareil d’orthovoltage (ou de thérapie superficielle) et l’accélérateur linéaire. Le premier offre des énergies de l’ordre des keV tandis que le deuxième,
des énergies de l’ordre des MeV. Il est typique, pour des faisceaux de photons, de nommer l’énergie des faisceaux par la valeur de tension accélératrice des électrons responsables de la production des photons. Ainsi, à l’orthovoltage, les valeurs d’énergie disponibles sont 120, 180 et 220 kVp tandis qu’à l’accélérateur linéaire, elles sont de 6 et 23 MV. Des valeurs de tension sont utilisées pour décrire les valeurs d’énergie des faisceaux de radiation. Celles-ci représentent la tension appliquée pour accélérer les électrons incidents sur la cible qui produira le faisceau de rayons-X. Dans le cas de l’orthovoltage, la tension maximale (peak) appliquée entre la cathode et l’anode du tube à rayons-X est utilisée pour décrire l’énergie. Elle décrit également alors l’énergie maximale d’un électron incident sur l’anode, jouant également le rôle de cible productrice de rayons-X. Dans le cas de l’accélérateur linéaire, le cheminement des électrons se poursuit dans un guide d’onde placé après la cathode, alimentée à une haute tension, celle utilisée pour nommer l’énergie du faisceau.
Les mesures expérimentales sont prises dans un contexte où le développement de l’instru- mentation est plus difficile à accomplir à cause des contraintes liées à l’appareil d’irradiation lui-même et à la salle de traitement dans laquelle sont prises les mesures surtout à l’accéléra- teur linéaire. Plusieurs contraintes font notamment en sorte qu’une partie du signal lumineux à capter est perdu avant même d’atteindre le photodétecteur utilisé la majorité du temps pour les mesures de la thèse, une caméra CCD polychromatique : le miroir utilisé pour rediriger la lumière, la distance de la caméra au scintillateur, la capture de la lumière à partir d’une seule face du scintillateur. De plus, l’accélérateur linéaire possède un très faible rapport cyclique. Ce rapport décrivant le ratio entre le temps d’un pulse d’irradiation durant une période et la durée de la période ne s’élève qu’à 0,144 % (durée du pulse = 4 µs et durée de la période = 1/360 Hz = 2,78 ms). Ainsi, les mesures de lumière de scintillation incluent majoritairement une intégration du bruit environnant, comme les sources de lumière ambiante ou encore le bruit électronique, puisque le faisceau irradie (et le scintillateur émet de la lumière) pendant seulement 0,144 % du temps. Heureusement, il est possible de remédier à cette problématique en synchronisant l’acquisition du signal lumineux sur le signal pulsé de l’accélérateur. De ce fait, la fenêtre d’intégration du signal est réduite à la durée du pulse et les bruits de lumière ambiante et d’électronique ne sont plus acquis sur des périodes de temps où ils sont les seuls signaux à détecter.