Le prototype de détecteur TraDeRa

Un prototype de chambre plane segmentée a été conçu dès le début du projet pour étudier expérimentalement, en parallèle de l’étude par simulation, l’influence des caractéristiques géométriques sur la réponse du détecteur. Il présente donc une importante modularité, avec une hauteur de volume sensible ajustable et des électrodes de mesure de différentes formes et tailles. L’idée initiale était de pouvoir l’équiper d’une micro-grille pour un fonctionnement en détecteur MICROMeGAs. Mais, comme nous l’avons vu en 2.3.1.2, cette solution n’a pas été retenue puisque les contraintes inhérentes au mode de fonctionnement n’étaient pas compensées par un apport par rapport à la chambre d’ionisation classique. Le prototype n’a donc jamais été équipé de la micro-grille.

6.2.1.1 Description du prototype modulable du détecteur TraDeRa

Les éléments constituants le cœur du détecteur sont ceux considérés pour la réalisation des simulations : un support en PCB, une anode segmentée et une cathode pleine (figure 6-7, A et B). Le nombre de pistes de lecture étant limité, le PCB est constitué de seulement deux couches électriques internes. L’épaisseur du PCB est l’épaisseur minimale proposée par les fabricants : 400 µm. L’épaisseur des électrodes de mesure est de 30 µm, et celle des pistes internes est de 17 µm. La cathode est une grille de cuivre d’une épaisseur de 66 µm, avec construction percée et non tissée, avec un pas de maillage de l’ordre de 400 µm. Elle est maintenue au-dessus du support, grâce à quatre tiges en Delrin, avec un système d’entretoises plastiques qui permet de faire varier la distance par rapport au support PCB . Le Delrin est un matériau plastique isolant.

Autour de ces éléments, d’autres composants sont ajoutés pour rendre le détecteur manipulable et permettre de contenir le gaz dans le volume sensible, ce qui était nécessaire pour le fonctionnement MICROMEGAS :

- une « semelle » constitue l’élément de base du détecteur. C’est un autre PCB, mais de 4 mm d’épaisseur, percé en son centre d’une ouverture carrée de 20 cm de côté. Le PCB support de l’anode segmentée est collé sur cette semelle.

- un cadre en Delrin, d’une hauteur de 3 cm, est posé hermétiquement sur le PCB support. Il contient des connecteurs pour l’entrée et la sortie du gaz.

- un mylar aluminisé est positionné sur le sommet du cadre pour permettre de fermer le volume de gaz.

La géométrie de l’anode segmentée est visible sur la photo de la figure 6-7, C. Pour avoir deux ordres de grandeur de volume sensible, l’anode est composée d’électrodes carrées, de 3 ou 5 millimètres de côté, avec au centre de chacune une électrode circulaire de diamètre submillimétrique. Le détecteur est divisé en quatre zones, chacune ayant une combinaison différente de dimension des électrodes carrées et circulaires. Dans ce manuscrit, une zone du détecteur va être exploitée majoritairement : celle des électrodes carrées de 3 mm de côté avec un espacement de 300 µm entre chaque électrode, ayant en leur centre des électrodes circulaires de 250 µm de diamètre, soit une aire de 10,76 mm². Pour toutes les mesures présentées, le détecteur est positionné avec le PCB du côté de l’entrée du faisceau.

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Figure 6-7 : Schéma et photos illustrant la conception du prototype TraDeRa.

6.2.1.2 Détermination expérimentale de l’atténuation du faisceau engendrée par le

prototype

L’atténuation a déjà été définie en 4.1.1. C’est la diminution relative de dose dans l’eau causée par l’introduction du détecteur. Expérimentalement, les conditions de mesure choisies sont : un champ carré de 10 cm de côté, un fantôme de plaque avec une DSP de 100 cm, et une profondeur de mesure de 10 cm. Les deux mesures, avec et sans présence du détecteur, ont été acquises avec une chambre d’ionisation cylindrique. Le faisceau utilisé est le 6 MV du Clinac 2100. Pour la mesure réalisée avec la présence du détecteur, la face d’entrée de celui-ci se trouvait à 70 cm de la source. L’atténuation du faisceau mesurée expérimentalement est de 0,63 ± 0,07 %.

Dans notre étude réalisée avec GEANT4, pour une épaisseur de PCB de 400 µm avec 2 couches de pistes internes, l’atténuation n’a pas été étudiée avec tous les paramètres des conditions réelles. Elle a seulement été estimée à partir de la proportion de photons interagissant dans le détecteur (voir 4.2.3.1). La valeur obtenue était de 0,65 ± 10-3 %. D’après ce que nous avons vu en 4.3.3.5 pour le cas d’un PCB de 1,6 mm d’épaisseur, cet estimateur est supérieur à l’atténuation.

Les deux résultats, avec leurs incertitudes, sont compatibles. Or, nous venons de dire que l’estimateur aurait dû être supérieur à l’atténuation. Cela peut en partie s’expliquer par la différence de construction entre le détecteur simulé et le prototype réel. Alors que les simulations ont été faites en considérant une cathode constituée d’un mylar aluminisé, la cathode du prototype est une grille de cuivre de 66 µm d’épaisseur, rendant l’atténuation du prototype plus importante que celle du détecteur considéré dans les simulations. Une autre source de différence entre les simulations et les mesures est la composition du PCB, qui n’est pas connue précisément.

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6.2.1.3 Impact de la hauteur du volume sensible et apport d’un dispositif de limitation du

parcours latéral des électrons

Introduction

Nous allons présenter ici l’étude expérimentale de l’effet de la hauteur du volume sensible sur la réponse du détecteur. Comme cela a déjà été vu dans les chapitres précédents, nous nous attendons à une dégradation de la résolution spatiale lorsque la hauteur du volume sensible augmente, à cause du parcours latéral des électrons issus des interactions des photons. Pour rompre cet effet, de la matière a été introduit dans le volume sensible du prototype. Nous avons vu au chapitre 5 que la solution qui permet de garder une atténuation homogène est d’intercaler des plots entre les pavés de mesure (voir 5.1). Mais mécaniquement il était difficile de concevoir un tel damier. Une autre solution a donc été testée expérimentalement. Une grille en cuivre a été usinée sur mesure, avec des trous adaptés à la zone du prototype comportant les pavés de 3 mm de côté. Cela revient à mettre des parois d’un matériau de forte densité entre les différents éléments de volumes sensibles correspondant à chaque pavé (figure 6-8).

Figure 6-8 : Grille en cuivre introduite dans le volume sensible du prototype pour tester l’impact d’un dispositif de limitation du parcours latéral des électrons issus de l’interaction des photons.

Matériels et méthodes

Cette étude ayant été réalisée en début de projet, le système d’acquisition utilisé est le picoampèremètre. Plutôt que d’acquérir des profils réels, obtenus sous un faisceau fixe en exploitant les pavés de toute une ligne de lecture du prototype, nous avons choisi d’acquérir des « profils balayants ». Un seul pavé est exploité, et c’est le mouvement des mâchoires, déplacées parallèlement à la ligne de lecture, qui permet de mesurer un pseudo-profil (figure 6-9). Ce choix présente trois avantages puisqu’il permet :

- de réaliser des mesures plus rapidement, car il n’est pas nécessaire de rentrer en salle pour connecter le picoampèremètre successivement aux différents pavés,

- de ne pas avoir de variation inter-pavés,

- de choisir librement le pas d’acquisition, qui est égal au déplacement des mâchoires entre deux mesures successives.

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Figure 6-9 : Schéma illustrant l’acquisition d’un profil balayant. Les mâchoires de l’accélérateur sont déplacées et un seul pavé du prototype est exploité.

Les résultats présentés ont été acquis sous le Clinac 600 avec un débit de 300 UM/min. Le champ utilisé mesurait 4 cm dans la direction du profil balayant et 10 cm dans l’autre direction. Le détecteur était positionné à 70 cm de la source, placé à la verticale sur la table de traitement, avec le bras de l’accélérateur tourné à 90° (figure 6-10). Pour les mesures réalisées sans la grille, les profils ont été acquis pour trois distances inter-électrodes : 0,9 mm, 2 mm et 3,5 mm. La haute-tension a été adaptée pour que le champ électrique soit identique pour tous les cas. D’après l’étude de la courbe de saturation établie avec le picoampèremètre, un champ de 150 V.mm-1 permet de se situer dans plateau de fonctionnement en régime chambre d’ionisation (voir figure 6-18). La pression et la température n’ayant pas été relevées lors des différentes séances de mesure, les données n’ont pas été corrigées de ces deux effets. Seul l’ordre de grandeur des courants mesurés sera donc comparé à celui prédit par les simulations.

Figure 6-10 : Visualisation du prototype placé sous le faisceau.

Résultats

La figure 6-11 représente les demi-profils obtenus pour les trois épaisseurs de volume sensible testées, sans et avec normalisation au maximum, ainsi que ceux obtenus pour le cas d’un volume sensible de 2 mm d’épaisseur, sans et avec la grille en cuivre de limitation du parcours latéral des électrons. L’abscisse correspond à la distance entre le centre du champ et le centre du pavé de mesure.

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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