L’objectif est d’améliorer notablement la connaissance des spectres de rayonnements photoniques de basses et moyennes énergies émis par les différentes sources utilisées au LNE-LNHB/LMD dans le cadre de ses campagnes d’étalonnage dans le domaine des rayons X et de la curiethérapie. Ces travaux constituent la base du travail permettant le passage du traitement d’un spectre à énergies discrètes (spectre de raies) à celui d’un spectre à énergie continue (tube à rayons X).

Objectifs

Mise en place d'une nouvelle méthode de caractérisation des faisceaux

Mesurer expérimentalement des spectres de photons exempts de déformation

Valider les spectres théoriques obtenus par simulation Monte-Carlo et évaluer l'impact des variations de forme des spectres sur les débits de dose de référence fournis par le laboratoire.

Améliorer la connaissance des incertitudes sur les paramètres de faisceaux

Résumé et premiers résultats

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Radiographie X d’un détecteur GeHP

Dans le domaine de la dosimétrie des rayonnements X d'énergie inférieure à 300 keV, l'indice de qualité des champs de rayonnements utilisé est un paramètre prépondérant pour améliorer la connaissance des faisceaux et les incertitudes de mesures. La méthode actuelle de caractérisation en termes de tension d’accélération et de couches de demi-atténuation (CDA) est insuffisante. De ce fait, ce travail vise à améliorer de manière significative la connaissance des spectres d'émission des différentes sources (tubes à rayons X, iode 125) par l'utilisation de détecteurs à semi-conducteur. Les tubes à rayons X à caractériser présentent un fort débit de photons. Pour ne pas saturer les détecteurs, la réduction de l’angle solide de détection à l’aide de collimateurs de très faibles diamètres (500 ou 150 μm) devient alors une nécessité. En contrepartie, cela crée d’importantes difficultés d’alignement entre l’axe des collimateurs et le foyer du tube. Deux bancs de positionnement ont donc été développés, l’un pour mesurer les sources scellées utilisées en curiethérapie, l’autre pour les générateurs à rayons X. Ce dernier propose 6 axes de déplacement motorisés dont le pilotage est assuré par un programme développé sous Labview. Cette installation permet de scanner en 2 dimensions le champ (20 x 20 cm) du faisceau, de mesurer son homogénéité ainsi que ses caractéristiques spectrales avec précision. L'étude s'est poursuivie avec l’étalonnage de deux détecteurs, un silicium de type Si-PIN et un germanium hyper pur, en termes de réponse spectrale et de rendement de détection, à l’aide de radionucléides étalons et de sources mono-énergétiques. Pour ce faire, deux installations ont été utilisées : la source SOLEX (Source Of Low Energy X-rays) du LNE-LNHB/LMA et la ligne de lumière ID17 de l'ESRF. Les résultats obtenus ont permis d'établir les courbes de rendement intrinsèque de chaque détecteur ainsi que leurs réponses spectrales pour un rayonnement mono-énergétique compris entre 6 keV et 17 keV pour le Si-PIN et 6 keV et 120 keV pour le GeHP.

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Banc de positionnement développé au laboratoire.

 

Un travail de validation des spectres mesurés et corrigés par différents algorithmes a été entrepris utilisant plusieurs approches croisées :

- comparaison des différents spectres mesurés avec les trois détecteurs Si-PIN, GeHP et CdTe et

corrigés du phénomène d’échappements. Cette étape a permis de valider les algorithmes de correction de ce phénomène par la méthode du stripping pour les deux détecteurs GeHP et CdTe ;

- comparaison des spectres expérimentaux corrigés avec les trois algorithmes de correction (stripping,model-fitting et bayésien) ;

- comparaison de l’ensemble des résultats aux spectres calculés à l’aide de logiciels déterministes tels que Xcomp5R, TASMICS, SpekCalc V1.0 ou encore SRS 78 (IPEM) ;

- comparaison des résultats avec ceux obtenus par simulation de type Monte-Carlo après modélisation des détecteurs.

Ces travaux ont fait l’objet d’une thèse au LNE-LNHB, soutenue en octobre 2014. Ils ont permis de vérifier la pertinence des algorithmes de correction jusqu’à une énergie de 150 keV, mais aussi de montrer qu’une dispersion significative des spectres simulés existait entre les différents codes déterministes ou Monte-Carlo, et que cela pouvait induire des biais plus ou moins importants sur les coefficients de conversion du kerma dans l’air vers les grandeurs opérationnelles de radioprotection (par exemple Hp(3)).

La gamme d’énergie doit être étendue et les algorithmes déjà développés, améliorés afin d’atteindre cet objectif. Une exploration spatiale des faisceaux est envisagée afin d’estimer la représentativité des mesures effectuées sur l’axe du faisceau, sous un angle solide très réduit, dans un champ large, ce qui amènera à étudier la distribution surfacique du kerma dans l’air et des équivalents de dose au niveau du plan de référence ainsi que l’importance du rayonnement diffusé dans le faisceau global vu par une chambre d’ionisation étalon à paroi d’air.

Impacts scientifiques et industriels

Le développement de cette nouvelle technique de caractérisation des sources de rayonnements apportera une meilleure connaissance des incertitudes par rapport à l'utilisation des spectres calculés. De plus, pour le cas des spectres continus, elle fournira des informations complémentaires aux mesures de CDA.

Le développement d’un banc de spectrométrie utilisable sur site (détecteur CdTe) avec ses algorithmes de correction de spectres pour la mesure des faisceaux de rayons X, a ouvert de nombreuses collaborations entre le LNE-LNHB et des partenaires des milieux médical ou industriel.

Cet approfondissement dans la connaissance des spectres d'émission photonique permettra de mieux caractériser les grandeurs dosimétriques de référence dans différents domaines tels que la curiethérapie, la thérapie de contact et les applications industrielle et de diagnostic médical des rayons X. Il deviendra alors possible de comparer directement les faisceaux secondaires des utilisateurs aux faisceaux primaires du LNHB.

Constituant une approche novatrice, l'acquisition de cette méthode de caractérisation permettra au laboratoire de renforcer sa connaissance au niveau international, notamment par son implication dans la normalisation.

Partenaires

  • L'équipe chargée de la ligne de lumière ID17 de l'ESRF;
  • Le groupe spectrométrie du LNE-LNHB/LMA

Publications et communications

DELOULE S., « Développement d’une méthode de caractérisation spectrale des faisceaux de photons d’énergies inférieures à 150 keV utilisés en dosimétrie », Mémoire de thèse, Université Paris-Sud, école doctorale MIPEGE (ED 534), 15 Octobre 2014.

DELOULE S, PLAGNARD J., DENOZIÈRE M., AUBINEAU-LANIÈCE I., «Determination of the efficiency of high purity germanium and silicon diode detectors for improved assessment of emission spectra delivered by medical X-ray tubes», X-Ray Spectrometry 2013, 42, 201-206 ; DOI: 10.1002/xrs.2471.

PLAGNARD J., «Comparison of measured and calculated spectra emitted by the X-ray tube used at the Gustave Roussy radiobiological service», X-ray Spectrometry 2014, 43, 298-304, DOI : 10.1002/xrs.2554

DELOULE S., PLAGNARD J., DENOZIÈRE M., AUBINEAU-LANIÈCE , «HPGe and Si-PiN characterization for measurement of continuous photonic emission (E < 50 keV) of medical X-ray tubes», European conference on X-ray spectrometry (EXRS) 2012, Vienne, Autriche, 18-22 juin 2012.

DELOULE S., PLAGNARD J., DENOZIERE M., AUBINEAU-LANIECE I. ET DAURES J., « Evaluation du spectre émis par un tube à rayons X : comparaison des résultats obtenus par calculs et spectrométrie », 5es Journées scientifiques francophones « Codes de calcul en radioprotection, radiophysique et dosimétrie » de la SFRP, Paris, France, 25-26 mars 2014.