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Conception d’un Télescope à Protons de Recul pour la Spectrométrie Neutron en Temps Réel en Protonthérapie RODOLPHE COMBE – IPHC/DESIS 34 ÈME JOURNÉES DES LABORATOIRES ASSOCIÉS DE RADIO- PHYSIQUE ET DE DOSIMÉTRIE STRASBOURG

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Conception d’un Télescope à Protons de Recul pour la Spectrométrie

Neutron en Temps Réel en Protonthérapie

RODOLPHE COMBE – IPHC/DESIS34 ÈME JOURNÉES DES LABORATOIRES ASSOCIÉS DE RADIO -

PHYSIQUE ET DE DOSIMÉTRIE

STRASBOURG

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Thématiques de thèseMÉTROLOGIE NEUTRON AUPRÈS DE L’ACCÉLÉRATEUR AMANDE DE L’IRSN

Faisceau ponctuel

Flux faible (104 n/cm²/s)

Précision métrologique : ΔE/E<5%

Gamme d’énergie : [2x10-3;20,8] MeV

MESURE DU SPECTRE NEUTRON EN PROTONTHÉRAPIE

Spectre étendu

Flux élevé (6x106 n/cm²/s)

Précision moins cruciale

Gamme d’énergie : [0,250] MeV

RODOLPHE COMBE – JOURNÉES LARD

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PlanIntroduction / Contexte

Le Télescope à Protons de Recul

Tests avec des protons

Spectrométrie

Comparaison des modèles nucléaires

Perspectives

RODOLPHE COMBE – JOURNÉES LARD

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Introduction

RODOLPHE COMBE – JOURNÉES LARD

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Neutrons secondaires en hadronthérapieProduits par l’interaction des protons avec le patient et l’accélérateur (réactions 𝑍

𝐴𝑋(p,n)𝑍+1𝐴𝑌)

Risque de cancers secondaires mesure de la dose neutron (jusqu’à 500 mSv pour un traitement de 40 Gy)

RODOLPHE COMBE – JOURNÉES LARD

Proton Therapy Physics – H. Paganetti

} Neutrons rapides

Protons

Neutrons externes

Neutrons internes

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Neutrons secondaires en hadronthérapie

RODOLPHE COMBE – JOURNÉES LARD

Fact

eur

de p

ondé

rati

on r

adio

logi

que

Energie (MeV)

Spectre neutron en protonthérapiePhys. Med. Biol. 59 (2014) 2747–2765

Produits par l’interaction des protons avec le patient et l’accélérateur (réactions 𝑍

𝐴𝑋(p,n)𝑍+1𝐴𝑌)

Risque de cancers secondaires mesure de la dose neutron (jusqu’à 500 mSv pour un traitement de 40 Gy)

Effet biologique dépendant de l’énergie besoin d’un spectromètre neutron

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Dépendance du spectre neutron

RODOLPHE COMBE – JOURNÉES LARD

Radiation Measurements 92 (2016) 1-7

Energie du proton

Angle au faisceau

Reports of practical oncology and radiotherapy 19 ( 2014 ) 376–384

TPR AMANDETPR HE

TPR AMANDETPR HE

Ep :

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Dépendance du spectre neutron

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Spectre neutron mesuré à l’aide de CR-39 lors de l’irradiation d’un fantôme Rando pour le traitement d’un craniopharyngiome

pédiatrique avec un faisceau de 178 MeVThèse Rima Sayah – Paris XI (2013)

Energie du proton

Angle au faisceau

Distance à l’isocentre

Un traitement = un spectre

Actuellement : données expérimentales éparses + extrapolation par simulation MC large écart simulation/données

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Système de Sphères de BonnerRéférence actuelle en salle de traitement

Bonne reconstruction du spectre en irradiation et large gamme d’énergie

Mais:◦ Procédure complexe de déconvolution

◦ Mesure et déconvolution longues

◦ Encombrant

◦ Limité en flux (4x104n/cm²/s (Farah et al.) contre 6x106 en salle de traitement)

Inapproprié pour les salles de traitement

Non-optimal pour des études multi-paramètres

RODOLPHE COMBE – JOURNÉES LARD

Bonner Sphere Spectrometer Cruzate, J.A.; Carelli, J.L. and Gregori, B.N.Spectre de protonthérapie

Phys. Med. Biol. 59 (2014) 2747–2765

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Autres dispositifsPROJET MONDO

◦ 20-400 MeV

◦ 10×10×20 cm3

◦ Complémentaire au TPRPhys. Med. Biol. 62 (2017) 3299–3312

DÉTECTEUR À CAPTURE FANS-2

◦ Qqs MeV à 1 GeV

◦ 1,15m de long

◦ Taux maximum : 200 n/cm²/s

◦ Utilise de l’3He Journal of Instrumentation, Volume 11, January 2016

RODOLPHE COMBE – JOURNÉES LARD

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Le Télescope à Protons de Recul

RODOLPHE COMBE – JOURNÉES LARD

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Notre prototype

RODOLPHE COMBE – JOURNÉES LARD

o Télescope à Protons de Recul à pixels CMOS

o 10x15x20 cm3

o 𝐸𝑛 =𝐸𝑝

cos² 𝜃

o Trajectographie pour mesurer 𝜃

o Mesure de Ep restant pour reconstruire Epini

o Temps-réel

o Haut taux d’acquisition (100 kHz)

Schéma du Télescope à Protons de Recul

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Reconstruire la trajectoire: le FastPixN

Capteur CMOS spécialement conçu à l’IPHC pour mesurer des protons dans la gamme [5;20] MeV

50µm pitch, 128x128 pixels

good trajectography

Thinned down to 50 µm minimize energy loss in CMOS

4bits ADC, acquisition rate 100kHz 109n/cm²/s)

Radiation Protection Dosimetry (2013), pp. 1–4

𝐸𝑛 =𝐸𝑝

cos² 𝜃

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Capteur FastPixN

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Reconstruire la trajectoire: le FastPixN

Capteur CMOS spécialement conçu à l’IPHC pour mesurer des protons dans la gamme [5;20] MeV

50µm de pitch, 128x128 pixels

bonne trajectographie

Thinned down to 50 µm minimize energy loss in CMOS

4bits ADC, acquisition rate 100kHz 109n/cm²/s(6x106n/cm²/s)

Radiation Protection Dosimetry (2013), pp. 1–4

𝐸𝑛 =𝐸𝑝

cos² 𝜃

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Image du faisceau 24 MeV de CYRCé (IPHC) mesurée par le FastPixN

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Reconstruire la trajectoire: le FastPixN

Capteur CMOS spécialement conçu à l’IPHC pour mesurer des protons dans la gamme [5;20] MeV

50µm de pitch, 128x128 pixels

bonne trajectographie

Aminci à 50 µm minimise la perte d’énergie dans les CMOS

ADC-colonne 4 bits, taux d’acquisition 100kHz 109 n/cm²/s)

Radiation Protection Dosimetry (2013), pp. 1–4

𝐸𝑛 =𝐸𝑝

cos² 𝜃

RODOLPHE COMBE – JOURNÉES LARD

Capteur FastPixN

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Tests avec des protons

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Mesures à la plateforme AIFIRA (CENBG Bordeaux)Microfaisceau de 300nm

Mesures aves des protons de 3,3 et 1 MeV

Bonne uniformité du capteur

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Mesures à la plateforme AIFIRA (CENBG Bordeaux)

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Pas de déformation du signal ou de zones mortes

Variation du flux AIFIRA au cours de la mesure

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Calibration du capteurCapteurs CMOS difficiles à calibrer (couche sensible de 14 µm)

Calibration avec : ◦ Protons de 1 et 3,3 MeV à AIFIRA

◦ Protons de 4 à 24 MeV à CYRCé(IPHC)

Bonne calibration jusqu’à 20 MeV

Utilisable comme critère d’analyse

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24 MeV4 MeV

12 MeV

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SpectrométrieRÉSULTATS DES SIMULATIONS

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Problématique protonthérapieSpectre neutron très étendu (thermiques jusqu’à 250 MeV)

Neutrons de haute énergie Bruit de fond important

Faisceau de traitement : Haut flux Bruit de fond important

Besoin de réévaluer les paramètres du TPR

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Spectre de protonthérapiePhys. Med. Biol. 59 (2014) 2747–2765

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Suppression des sources de bruits de fondSOURCE DE BRUIT DE FOND

1) Impact directs de neutrons dans la diode

2) Proton s’échappant de la diode

3) Diffusion inélastique dans l’air

4)Proton créé dans la diode

5) Coïncidence avec une trace partielle

6) Coïncidence avec une trace de signal

SOLUTION

Un coup dans chaque CMOS + Veto

Extrapolation de la trace vers la diode (R4)

Extrapolation de la trace vers le convertisseur (R0)

ΔE croissant dans les CMOS

Un coup dans chaque CMOS + Veto

Corrélation de ΔEveto avec Ediode

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Simulation pour un spectre de protonthérapieMesure des neutrons entre 5 et 30 MeV (utile e.g. pour traitement ophtalmologique)

Convertisseur de 500 µm

Neutrons de plus haute énergie Diminution de la section efficace élastique et augmentation de la production de secondaires

Résolution sur En : 16,3±0,3%

Efficacité fiducielle : (2,8±0,2)x10-5

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Résolution brute :

21,2±0,4%

Résolution après

coupures : 16,3±0,3%

Secondaires

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Source étendueIrradiation d’un fantôme d’eau par des protons de 70 MeV Source non ponctuelle Angle d’incidence des neutrons non nul

Simulation Δθn= f(d)

ΔEn = f(Δθn ) par une formule semi-analytique :

Δ𝐸𝑛

𝐸𝑛Δ𝜃 =

Δ𝜃−

π

8

Δ𝜃+π

8 𝑐𝑜𝑠2𝜃

𝑐𝑜𝑠²(𝜃−Δ𝜃)− 1 𝜕𝜃

±π

8: angle d’ouverture du TPR

RODOLPHE COMBE – JOURNÉES LARD

Convertisseur

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Source étendueIrradiation d’un fantôme d’eau par des protons de 70 MeV Source non ponctuelle Angle d’incidence des neutrons non nul

Simulation Δθn= f(d)

ΔEn = f(Δθn ) par une formule semi-analytique

Bonne précision à partir d'une distance de mesure égale aux deux tiers de la taille du fantôme

Pas besoin de collimateur

Ø Fantôme (cm)

Distance (cm) Δθ ΔEn/En Δθ [5,30] ΔEn/En [5,30]

40 10 0,436±0,006 13,2±0,4% 0,370±0,004 9,7±0,2%

40 20 0,316±0,003 7,2±0,2% 0,290±0,005 6,1±0,2%

40 30 0,246±0,003 4,4±0,1% 0,227±0,005 3,8±0,2%

20 10 0,288±0,003 6,0±0,2% 0,203±0,003 3,02±0,09%

20 20 0,1840±9e-4 2,49±0,03% 0,134±0,001 1,33±0,02%

10 10 0,1696±6e-4 2,11±0,02% 0,1031±6e-4 0,79±0,01%

RODOLPHE COMBE – JOURNÉES LARD

Ø Fantôme (cm)

Distance (cm) Δθ ΔEn/En Δθ [5,30] ΔEn/En [5,30]

40 10 0,465±0,009 14,9±0,6% 0,265±0,005 5,1±0,2%

40 20 0,372±0,003 9,8±0,2% 0,210±0,003 3,2±0,1%

40 30 0,311±0,003 7,0±0,2% 0,187±0,003 2,57±0,09%

20 10 0,339±0,001 8,21±0,05% 0,167±0,001 2,05±0,03%

20 20 0,250±0,002 4,54±0,08% 0,123±0,002 1,12±0,04%

10 10 0,2066±9e-4 3,12±0,03% 0,1107±9e-4 0,91±0,02%

Dans l’axe

A 90°

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Comparaison des modèles nucléairesPREMIERS RÉSULTATS

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Modèles utilisé pour les simulations

QGSP_BERT_HP : QGSP + Bertini + Bibliothèque de haute précision pour les neutrons avec E<20 MeV : utilisé pour les simulations précédentes

QGSP_BIC : QGSP + BIC : utilisé par C. Z. Jarlskog et H. Paganetti dans Physics Settings for Using the Geant4 Toolkit in Proton Therapy (IEEE TRANSACTIONS ON NUCLEAR SCIENCE, VOL. 55, NO. 3, JUNE 2008)

QGSP_BERT : QGSP + Bertini : notamment utilisé par l’AIEA dans Spallation reactions: A successful interplay between modeling and applications (Eur. Phys. J. A (2015) 51: 68) avec QGSP_BIC

QGSP_INCLXX_HP : QGSP + INCL + Bibliothèque de haute précision pour les neutrons avec E<20 MeV : utilisé par M. Vanstale et al dans Benchmarking Geant4 hadronic models for prompt-γ monitoring in carbon ion therapy (Med Phys. 2017 Aug;44(8):4276-4286)

RODOLPHE COMBE – JOURNÉES LARD

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Comparaisons dans la bibliographieC. Z. Jarlskog et H. Paganetti : BIC > BERT pour l’irradiation d’une cavité de Faraday avec un faisceau de protons de 160 MeV

IEAE: BERT>BIC et INCL pour 56Fe(p(62 MeV),X)3He à 20° et 56Fe(p(62 MeV),X)n à 25° ; BIC>INCL>BERT pour Ni(p(175 MeV),X)3He à 65°; BERT>INCL>BIC pour Pb(p(256 MeV),X)n à 60°

M. Vanstale et al : INCL > BIC pour la production des γ-prompt par un faisceau de 12C de 220 MeV/u dans du PMMA

Cette étude : irradiation d’un fantôme d’eau de Ø40 cm avec des protons de 70 MeV

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Comparaisons des modèles nucléaires

RODOLPHE COMBE – JOURNÉES LARD

Spectres simulés à 30 cm et 0°

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Comparaisons des modèles nucléaires

RODOLPHE COMBE – JOURNÉES LARD

Spectres simulés à 30 cm et 90°

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Comparaisons des modèles nucléaires

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Ratio des flux à 0° et 90°

INCL a un ratio supérieur

BIC à une fluence un peu plus importante que BERT aux deux angles

Peu de différences entre BERT et BERT_HP sur la gamme TPR (comme attendu)

Possibilité de différencier les modèles nucléaires grâce aux mesures réalisées avec le TPR dans la gamme [5-30] MeV

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PerspectivesAjout d’autres modèles à la comparaison (TENDL, etc.)

Simulation de mesures avec les TPR pour les différents modèles

Test du prototype en salle de protonthérapie en 2018

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Merci de votreattention

RODOLPHE COMBE – JOURNÉES LARD

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Simulation pour un spectre de proton-thérapieMesure des neutrons entre 5 et 30 MeV (utile e.g. pour traitement ophtalmologique)

Convertisseur de 500 µm

Neutrons de plus haute énergie Diminution de la section efficace élastique et augmentation de la production de secondaires

Résolution sur En : 16,3±0,3%

Efficacité fiducielle : (2,8±0,2)x10-5

RODOLPHE COMBE – JOURNÉES LARD

Spectre de

protonthérapie

Spectre

reconstruit

Spectre de protonthérapie

Energie (MeV)5

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Autres dispositifsTPR A SCINTILLATEUR TPR À 45°

◦ Gamme : [30;120] MeV

◦ Mauvaise résolutionJournal of Instrumentation, Volume 11, January 2016

◦ Gamme : [2;160] MeV

◦ 23,5 x Ø7,5 cm3

◦ Chambre à videNuclear Instruments and Methods in Physics Research A613(2010) 58–64

RODOLPHE COMBE – JOURNÉES LARD

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Sources d’incertitudes sur EpSimulation idéale du TPR pour déterminer les sources d’incertitudes :◦ Protons générés aléatoirement dans

le convertisseur

◦ Connaissance complète de la trajectoire

◦ Connaissance complète des dépôts d’énergie

RODOLPHE COMBE – JOURNÉES LARD

ConvertisseurCapteurs CMOS Diode

Quels sont les paramètres critiques pour la résolution?

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Simulation pour des protons de 10 MeVRésolution de 0.86% sur Ep avec un convertisseur de 50µm d’épaisseur

Sources d’incertitudes : ◦ position de création du proton : 0.71%

◦ straggling dans les CMOS : 0.5%

◦ straggling dans l’air : 0.13%

Résolution sur cos θ : 0.30%

𝐸𝑛 =𝐸𝑝

cos² 𝜃

RODOLPHE COMBE – JOURNÉES LARD

Incertitude Air :

σ = 0,13%

Incertitude CMOS :

σ = 0,5%

Incertitude Conv :

σ = 0,71%

Incertitude totale :

σ = 0,86%

ΔE/E

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Suppression d’une source de bruit de fond : ajout d’un vetoProblème n°1 : ◦ Taux de conversion : 10-3/mm de PE

◦ Flux de neutron : 103-104 n/cm²/s

Haut bruit de fond (principalement impacts de neutrons dans la diode )

Solution : ajout d’un veto diode de 65 µm

Trace acceptée si : un coup dans chaque CMOS + Veto

RODOLPHE COMBE – JOURNÉES LARD

Veto

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Suppression du bruit de fondSOURCE DE BRUIT DE FOND

2) Proton s’échappant de la diode

3) Proton créé hors convertisseur

SOLUTION

Extrapolation de la trace vers la diode (R4)

Extrapolation de la trace vers le convertisseur (R0)

RODOLPHE COMBE – JOURNÉES LARD

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Suppression des sources de bruits de fond : résuméSOURCE DE BRUIT DE FOND

1) Impact direct de neutron dans la diode

2) Proton s’échappant de la diode

3) Diffusion inélastique dans l’air

4) Proton inélastique créé dans la diode

5) Particules lourdes

SOLUTION

Un coup dans chaque CMOS + Veto

Extrapolation de la trace vers la diode (R4)

Extrapolation de la trace vers le convertisseur (R0)

ΔE croissant dans les CMOS

Corrélation de ΔEveto avec Ediode

RODOLPHE COMBE – JOURNÉES LARD

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Matériau de la boîteDonnées JANIS : ◦ Boite en Al source de secondaires par réactions Al(n,p) et Al(n,n+p) (≈100mb)

◦ W et Pb : section efficace W(n,p) et Pb(n,p) ≈ 10 mb mais section efficace totale ≈ 5 b (vs. ≈ 1 b pour Al)

Simulation :

Bénéfice W faible : choix de l’aluminium, plus facile à usiner

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Matériau Al W

Efficacité (x10-5) 2,34±0,05 2,22±0,04

B/(S+B) 7,7±0,7% 12,8±0,7%

Résolution 20,2±0,5% 18,7±0,4%

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Optimisation de la distance diode-CMOS 33ème PCB et boîte : sources de secondaires

Optimum aux alentours de 2 mm (dans la limite des contraintes mécaniques)

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Efficacité sur [5;30] MeV Taux de bruit de fond

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Optimisation de la distance convertisseur-CMOS 1Pas d’influence de la distance entre le convertisseur et le premier CMOS

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σEn/En Taux de bruit de fond

Irradiation par un spectre de protonthérapie

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Première extension du TPR : épaisseur du convertisseurAugmentation de la gamme en énergie du TPR

Optimum entre 200 et 500µm de polyéthylène pour protonthérapie

Décision d’utiliser un convertisseur de 500 µm pour une mesure de spectre de protonthérapie jusqu’à environ 30 MeV

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σEn/En

Taux de bruit

de fond

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Ajout des coïncidences fortuites dans la simulationAjout dans la simulation des cartes PCB et de la boite, sources de particules secondaires

Irradiation du TPR selon un angle solide comprenant toute la boite

Etude des sources de bruit de fond et recherche de solutions

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Nouvelles sources de bruit de fondFlux x1000 / AMANDE : nouvelles sources de bruit de fond

5) Coïncidence avec une trace partielle

6) Coïncidence avec une trace de signal

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Suppression des sources de bruits de fondSOURCE DE BRUIT DE FOND

1) Impact directs de neutrons dans la diode

2) Proton s’échappant de la diode

3) Diffusion inélastique dans l’air

4)Proton créé dans la diode

5) Coïncidence avec une trace partielle

6) Coïncidence avec une trace de signal

SOLUTION

Un coup dans chaque CMOS + Veto

Extrapolation de la trace vers la diode (R4)

Extrapolation de la trace vers le convertisseur (R0)

ΔE croissant dans les CMOS

Un coup dans chaque CMOS + Veto

Corrélation de ΔEveto avec Ediode

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PerspectivesMesure du spectre neutron en salle de protonthérapie :◦ Comptage des neutrons thermiques et rapides < 5 MeV avec capteurs AlphaRad4

◦ Mesure du spectre neutron > 5 MeV avec TPR

◦ Mesure du spectre au-delà de 30 MeV avec un autre détecteur (MONDO ?)

◦ Calcul de la dose neutron correspondante avec simulation Monte-Carlo

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