utilisation du diamant cvd en mode tl pour la radiothérapie. propriétés de thermoluminescence et...
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Utilisation du diamant CVD en mode TL pour la radiothérapie.
Propriétés de thermoluminescence et de conductivité électrique.
A. Petitfils , F. Wrobel, M. Benabdesselam, P. Iacconi, B. Serrano , A. Costa
LPES-CRESA, EA1174, Université de Nice-Sophia Antipolis, Parc Valrose
LARD2005, 20-21 Octobre 2005, Pôle Universitaire de Montbéliard
Plan
le principe de la Thermoluminescence (TL) et de la conductivité électrique thermostimulée (TSC)
Présentation des échantillons
étude simultanée de la TL et de la TSC
Utilisation en radiothérapie
Principe de la TL
1
1: ionisation
P: piège à électrons
CR: centre de recombinaison
Irradiation
E
CR
BV
BC
P
Eg
Principe de la TL
1: ionisation
2:piégeage
P: piège à électrons
CR: centre de recombinaison
Irradiation
E
1
2
CR
BV
BC
P
Principe de la TL
1: ionisation
2:piégeage
3:dépiégeage par chauffage
P: piège à électrons
CR: centre de recombinaison
Irradiation
E
1
2
CR
3
BV
BC
P
Principe de la TL
1: ionisation
2:piégeage
3:dépiégeage par chauffage
4:recombinaison radiative et émission de lumière
P: piège à électrons
CR: centre de recombinaison
Irradiation
E
1
2
CR
3
BV
BC
P
hν
4
Principe de la TSC
1
1: ionisation
P: piège à électrons
CR: centre de recombinaison
Irradiation
E
CR
BV
BC
P
Eg
Principe de la TSC
1: ionisation
2:piégeage
P: piège à électrons
CR: centre de recombinaison
Irradiation
E
1
2
CR
BV
BC
P
Principe de la TSC
1: ionisation
2:piégeage
3:dépiégeage par chauffage
P: piège à électrons
CR: centre de recombinaison
Irradiation
E
1
2
CR
3
BV
BC
P
Principe de la TSC
1: ionisation
2:piégeage
3:dépiégeage par chauffage
4:courant sous l’action d’un champ électrique
P: piège à électrons
CR: centre de recombinaison
Irradiation
E
1
2
CR
3
BV
BC
P
4
Pourquoi le diamant CVD ?
I(tl) u.a
T (°C)
TLD GR200A LiF:Mg, Cu, P
•Pic non isolé, •Régénération après chaque utilisation• diamètre= 4,5mm, épaisseur= 0,8 mm
Diamant CVD•Pic isolé vers 270°C, •Pas de régénération après utilisation•Carré de (5x5) mm², épaisseur =260 µm
0 50 100 150 200 250 300 350 400 450
0
50000
100000
150000
200000
I (c
ps)
T (°C)
= 1 °C/s
11 21 312 12 22 323 13 23 334 14 24 345 15 25 356 16 26 367 17 27 37
Présentation des échantillons
Conditions de synthèse: Micro Wave Chemical Vapour Deposited MWCVD élaborés au Naval Research LaboratorySubstrat en tungstène, Tsubstrat=1023 K,Pµonde=4,5 kW, P°enceinte=15,4 kPa, [CH4]=4% de [H2]
Présentation des échantillons
1200 1300 1400 1500 1600 1700 18000
1x104
2x104
3x104
4x104
5x104
6x104
Sig
nal R
aman
(C
/s)
Nombre d'onde (cm-1)
Spectre Raman: raie Raman à 1332 cm-1 avec FWHM=4,5 cm-1
Caractérisation par TL (1)
Irradiation RX (45 kV, 2 mA, 0,59 Gy/min) à -196 °C:
-200 -100 0 100 200 300 4000.00E+000
2.00E-009
4.00E-009
6.00E-009
8.00E-009
I (A
)
T (°C)
pic2262 °CE ~1 eV
pic 1:38 °CE=0,5 eV
= 0,5 °C/s
1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.00
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
1800
I
(u.a
)
E (eV)
Analyse spectrale
Spectre d’émission: réalisé à l’aide d’un analyseur optique multicanalUn centre de recombinaison d’énergie E=2,57 eV, FWHM= 0,66 eV→ 2 pièges de même nature
Caractérisation par TL (2)
Excitation de la TL des pics 1 et 2 Utilisation de différents filtres interférentiels, excitation à flux constants
200 220 240 260 280 300 320 340 360 380
0
20
40
60
80
I (%
)
longueur d'onde d'excitation (nm)
: pic 1: pic 2
Eg = 5,5 eV
Échantillons HFCVD
Conditions de synthèse:
Substrat en Silicium, Tsubstrat= 730 °C
Tfilament chaud= 2200 °C, P= 133 Pa
[CH4]=4% de [H2]
Collaboration avec une équipe de Rome (P. Ascarelli)
Caractérisation par TL
sensibilité de l’échantillon sous excitation UV Deutérium
0 50 100 150 200 250 300 350 400 4500
10000
20000
30000
40000
50000
60000
70000
:9µm:1µm:0,1µm
I (c
oups
/s/m
g)
T (°C)
1 °C/s
Tpic~260 °C
Analyse spectrale
E 1,68 eV
→ impureté Si
1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0
297.6 396.8 496.0 595.2 694.4 793.6
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
I (u
.a)
E (eV)
:0,1 µm:1 µm:9 µm
nm
E= 2,54 eV
Le Fading Optique
-10 0 10 20 30 40 50 60 70 800
20
40
60
80
100
:échantillon MWCVD
I
sign
al (
%)
Temps d'exposition à la lumière visible (min)
Caractérisation par TL
Le Fading Optique
-10 0 10 20 30 40 50 60 70 800
20
40
60
80
100
:0,1 µm_HFCVD:échantillon MWCVD
I
sign
al (
%)
Temps d'exposition à la lumière visible (min)
Caractérisation par TL
Le Fading Optique
-10 0 10 20 30 40 50 60 70 800
20
40
60
80
100
:1 µm_HFCVD:0,1 µm_HFCVD:échantillon MWCVD
I
sign
al (
%)
Temps d'exposition à la lumière visible (min)
Caractérisation par TL
Le Fading Optique
-10 0 10 20 30 40 50 60 70 800
20
40
60
80
100
:9 µm_HFCVD:1 µm_HFCVD:0,1 µm_HFCVD:échantillon MWCVD
I
sign
al (
%)
Temps d'exposition à la lumière visible (min)
Caractérisation par TL
Réponse TL-TSC simultanée
Courbes TSC-TL simultanée
0 50 100 150 200 250 300 350 400
0.0
5.0x10-7
1.0x10-6
1.5x10-6
2.0x10-6
2.5x10-6
:TSC :TLx180
I
(A)
T (°C)
RX 45kV, 10mA, 5 min, tension=-60V
= 0,5 °C/s
Répétabilité TSC: 3,3 %
TTSC~280 °CTTL~270 °C
Réponse en fonction de la tension
→ contacts Ohmiques
-60 -40 -20 0 20 40 60
-2.3x103 -1.5x103 -7.7x102 0.0 7.7x102 1.5x103 2.3x103
-8.0x10-6
-6.0x10-6
-4.0x10-6
-2.0x10-6
0.0
2.0x10-6
4.0x10-6
6.0x10-6
E (V/cm)
I (A
)
Tension appliquée (V)
R²= 0,99
Rx 45 kV, 10 mA, 5 min
= 1 °C/s
6.0x10-12
4.0x10-12
2.0x10-12
-2.0x10-12
-4.0x10-12
-6.0x10-12
-8.0x10-12
Diamant CVD en mode TL pour la radiothérapie
•Répétabilité et reproductibilité
•Rendement en profondeur
•Profil de dose absorbée
Répétabilité et reproductibilité
0 5 10 15 200
20
40
60
80
100
Sen
sibi
lité
TL
(%)
n° échantillon
Écart max de 5 %
préchauffage 210 °C, β= 1 °C/s
0 50 100 150 200 250 300 350 400
0
20000
40000
60000
80000
100000
I (u
.a)
T (°C)
Irradiation X25 MV, DSP=100 cm, champ (10x10) cm², profondeur= 2,5 cm
DSP=100 cm, champ (10x10) cm², profondeur = 5 cm
Répétabilité: 1,5%
Rendement: dispositif experimental 44
cm
d
Dist
ance
sou
rce-
surfa
ce
Cible en Or
Faisceau de photons
Faisceau d’électrons
Film
s de
dia
man
t CVD
Support
Fantôme d’eau
0pr
ofon
deur
champ d’irradiation (10x10) cm²,
DSP= 100 cm
une dose de 100 UM (débit de dose= 9,7 mGy/UM)
Rendement en profondeur
0 5 10 15 20 25 300
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
110
CI film déplacé films superposés
Dos
e re
lativ
e (%
)
Dose dans l'eau (cm)
Champ (10x10) cm², DSP=100 cm, 100 UM
Profil: dispositif expérimental
champ d’irradiation (10x10) cm²,
DSP= 100 cm
une dose de 100 UM (débit de dose= 9,7 mGy/UM)
Profondeur = 5 cm
44 c
m
d
Dis
tanc
e so
urce
-sur
face
Cible en Or
Faisceau de photons
Faisceau d’électrons
Films de diamant CVD
Fantôme d’eau
0
prof
onde
ur
Profil de dose absorbée
-8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8
0
20
40
60
80
100
:CI:1 film CVD déplacé:CVDs simultanésD
ose
rela
tive
(%)
distance à l'axe central (cm)
Champ (10x10) cm², DSP= 100 cm, 100 UM, profondeur de 5 cm
Profil de dose absorbée
Zone de forts gradients de dose et queue de distribution de dose
-8 -6 6 8
0
20
40
60
80
100
Dos
e re
lativ
e (%
)
distance à l'axe central (cm)
:CI:1 film déplacé:CVDs simultanés
Profil de dose absorbée
-8 -6 6 8
0
20
40
60
80
100
Dos
e re
lativ
e (%
)
distance à l'axe central (cm)
:CI:1 film déplacé:CVDs simultanés:CVDs simultanés Dose supérieure
Zone de forts gradients de dose et queue de distribution de dose
VCI=130 mm3
VCVD=6,5 mm3
Perspectives
Influence des conditions de synthèse sur les propriétés dosimétriques des diamants CVD (Fading Optique),
Influence sur les mesures simultanées de TL-TSC de: la variation de la vitesse de chauffe, la variation de la dose, la variation du débit de dose, Mesures de rendements en profondeur et de profils
sous faisceaux d’électrons
Étude comparative avec des chambres d’ionisation moins volumineuses