Conception et caractérisation d'un dosimètre à fibre scintillante pour des applications en imagerie diagnostique et interventionnelle

Cette thèse a pour sujet le développement d’un détecteur à fibre scintillante plastique pour la dosimétrie des faisceaux de photons de basses énergies. L’objectif principal du projet consiste à concevoir et caractériser cet instrument en vue de mesurer la dose de radiation reçue au cours des examens d’imagerie diagnostique et interventionnelle. La première section est consacrée à la conception de six différents systèmes et à l’évaluation de leur performance lorsqu’ils sont exposés à des rayonnements de hautes et basses énergies. Tous les systèmes évalués présentaient un écart type relatif (RSD) de moins de 5 % lorsqu’ils étaient exposés à des débits de dose de plus de 3 mGy/s. Cette approche systématique a permis de déterminer que le tube photomultiplicateur répondait le mieux aux conditions d’exposition propres à la radiologie. Ce dernier présentait une RSD de moins de 1 % lorsque le débit de dose était inférieur à 0.10 mGy/s. L’étude des résultats permis également de suggérer quelques recommandations dans le choix d’un système en fonction de l’application recherchée. La seconde partie concerne l’application de ce détecteur à la radiologie interventionnelle en procédant à des mesures de dose à la surface d’un fantôme anthropomorphique. Ainsi, plusieurs situations cliniques ont été reproduites afin d’observer la précision et la fiabilité du détecteur. Ce dernier conserva une RSD inférieure à 2 % lorsque le débit de dose était supérieur à 3 mGy/min et d’environ 10 % au débit le plus faible (0.25 mGy/min). Les mesures sur fantôme montrèrent une différence de moins de 4 % entre les mesures du détecteur et celles d’une chambre d’ionisation lors du déplacement de la table ou du bras de l’appareil de fluoroscopie. Par ailleurs, cette différence est demeurée sous les 2 % lors des mesures de débit de dose en profondeur. Le dernier sujet de cette thèse porta sur les fondements physiques de la scintillation dans les scintillateurs plastiques. Les différents facteurs influençant l’émission lumineuse ont été analysés afin d’identifier leur contribution respective. Ainsi, la réponse du détecteur augmente de près d’un facteur 4 entre un faisceau de 20 kVp et 250 kVp. De ce signal, la contribution de la fluorescence produite dans la fibre claire était inférieure à 0.5 % lorsque les fibres étaient exposées sur 10 cm par des faisceaux de 20 à 250 kVp. Le phénomène d’extinction de la fluorescence par ionisation a également été étudié. Ainsi, l’atténuation du signal variait en fonction de l’énergie du faisceau et atteignit environ 20 % pour un faisceau de 20 kVp. En conclusion, cette étude suggère que les détecteurs à fibres scintillantes peuvent mesurer avec précision la dose de radiation reçue en imagerie diagnostique et interventionnelle, mais une calibration rigoureuse s’avère essentielle.

The mutable nature of particle-core excitations with spin in the one-valence-proton nucleus Sb-133

The gamma-ray decay of excited states of the one-valence-proton nucleus Sb-133 has been studied using cold-neutron induced fission of U-235 and Pu-241 targets, during the EXILL campaign at the ILL reactor in Grenoble. By using a highly efficient HPGe array, coincidences between gamma-rays prompt with the fission event and those delayed up to several tens of microseconds were investigated, allowing to observe, for the first time, high-spin excited states above the 16.6 mu s isomer. Lifetimes analysis, performed by fast-timing techniques with LaBr3(Ce) scintillators, revealed a difference of almost two orders of magnitude in B(M1) strength for transitions between positive-parity medium-spin yrast states. The data are interpreted by a newly developed microscopic model which takes into account couplings between core excitations (both collective and non-collective) of the doubly magic nucleus Sn-132 and the valence proton, using Skyrme effective interaction in a consistent way. The results point to a fast change in the nature of particle-core excitations with increasing spin. (C) 2016 The Authors. Published by Elsevier B.V. This is an open access article under the CC BY license.

Measurement of picosecond lifetimes in neutron-rich Xe isotopes

Background: Lifetimes of nuclear excited states in fission fragments have been studied in the past following isotope separation, thus giving access mainly to the fragments' daughters and only to long-lived isomeric states in the primary fragments. For the first time now, short-lived excited states in the primary fragments, produced in neutron-induced prompt fission of U-235 and Pu-241, were studied within the EXILL&FATIMA campaign at the intense neutron-beam facility of the Institute Laue-Langevin in Grenoble. Purpose: We aim to investigate the quadrupole collective properties of neutron-rich even-even Xe-138,Xe-140,Xe-142 isotopes lying between the double shell closure N = 82 and Z = 50 and a deformed region with octupole collectivity. Method: The gamma rays emitted from the excited fragments were detected with a mixed array consisting of 8 HPGe EXOGAM Clover detectors (EXILL) and 16 LaBr3(Ce) fast scintillators (FATIMA). The detector system has the unique ability to select the interesting fragment making use of the high resolution of the HPGe detectors and determine subnanosecond lifetimes using the fast scintillators. For the analysis the generalized centroid difference method was used. Results: We show that quadrupole collectivity increases smoothly with increasing neutron number above the closed N = 82 neutron shell. Our measurements are complemented by state-of-the-art theory calculations based on shell-model descriptions. Conclusions: The observed smooth increase in quadrupole collectivity is similar to the evolution seen in the measured masses of the xenon isotopic chain and is well reproduced by theory. This behavior is in contrast to higher Z even-even nuclei where abrupt change in deformation occurs around N = 90.

Optimisation de l’extraction de lumière de scintillation dans les matrices de détecteurs pixellisés pour des applications en tomographie d’émission par positrons (TEP) et en tomodensitométrie (TDM)

Résumé : Les performances de détecteurs à scintillation, composés d’un cristal scintillateur couplé à un photodétecteur, dépendent de façon critique de l’efficacité de la collecte et de l’extraction des photons de scintillation du cristal vers le capteur. Dans les systèmes d’imagerie hautement pixellisés (e.g. TEP, TDM), les scintillateurs doivent être arrangés en matrices compactes avec des facteurs de forme défavorables pour le transport des photons, au détriment des performances du détecteur. Le but du projet est d’optimiser les performances de ces détecteurs pixels par l'identification des sources de pertes de lumière liées aux caractéristiques spectrales, spatiales et angulaires des photons de scintillation incidents sur les faces des scintillateurs. De telles informations acquises par simulation Monte Carlo permettent une pondération adéquate pour l'évaluation de gains atteignables par des méthodes de structuration du scintillateur visant à une extraction de lumière améliorée vers le photodétecteur. Un plan factoriel a permis d'évaluer la magnitude de paramètres affectant la collecte de lumière, notamment l'absorption des matériaux adhésifs assurant l'intégrité matricielle des cristaux ainsi que la performance optique de réflecteurs, tous deux ayant un impact considérable sur le rendement lumineux. D'ailleurs, un réflecteur abondamment utilisé en raison de ses performances optiques exceptionnelles a été caractérisé dans des conditions davantage réalistes par rapport à une immersion dans l'air, où sa réflectivité est toujours rapportée. Une importante perte de réflectivité lorsqu'il est inséré au sein de matrices de scintillateurs a été mise en évidence par simulations puis confirmée expérimentalement. Ceci explique donc les hauts taux de diaphonie observés en plus d'ouvrir la voie à des méthodes d'assemblage en matrices limitant ou tirant profit, selon les applications, de cette transparence insoupçonnée.