Modeling and simulation of the response of scintillation screens for X-ray imaging

• Auteur / Autrice : Simona Anca Pistrui-Maximean
• Direction : Daniel Babot, Nicolas Freud
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Images et systèmes
• Date : Soutenance en 2007
• Etablissement(s) : Lyon, INSA

Mots clés

Mots clés contrôlés

Méthode de Monte Carlo

Scintillateurs

Résumé

Cette thèse est consacrée à l'étude de la réponse des écrans scintillateurs utilisés en imagerie par rayons X, à l'aide d'une approche de modélisation/simulation basée sur le code de Monte Carlo Geant4. Cette approche permet de prendre en compte la diversité des processus physiques mis en jeu (interactions des photons X, électrons et photons visibles). Après une synthèse sur l'état de l'art concernant les propriétés des scintillateurs, ainsi que leur modélisation, nous montrons tout d'abord que les résultats fournis par notre outil de simulation sont en adéquation avec le modèle analytique de Swank qui explicite la fonction de transfert de modulation (FTM) dans des cas simples. La simulation Monte Carlo permet d'isoler le rôle joué par chacun des processus physiques mis en jeu : dégradation mineure de la réponse spatiale par les processus électroniques et amélioration sensible causée par l'absorption et la diffusion des photons visibles. Des validations expérimentales sont effectuées sur des écrans scintillateurs commerciaux à l'aide d'un faisceau X collimaté par une fente en uranium. Après une étape d'estimation des coefficients optiques par la technique du gradient stochastique, nous montrons que les réponses spatiales simulée et mesurée s'accordent pour différentes énergies du rayonnement. Dans la dernière partie de cette recherche, nous étudions le rôle (en termes d'efficacité et de résolution spatiale) de couches métalliques ou plastiques servant de support au scintillateur. À sensibilité égale, l'effet renforçateur du substrat permet de réduire l'épaisseur du scintillateur sans dégradation notable de la résolution spatiale.

This thesis is dedicated to the study of the response of scintillator screens used in X-ray imaging, using a modeling/simulation approach based on the Monte Carlo code Geant4. This approach permits to investigate the diversity of the physics processes involved (X-ray photon, electron and visible photon interactions). After a review of the state of the art concerning the properties of scintillators, as well as their modeling, we show that the results of our simulation tool are in agreement with Swank's analytical model, which expresses the Modulation Transfer Function (MTF) in simple cases. Monte Carlo simulation makes it possible to highlight the role played by each physics process: slight degradation of the spatial response by electron processes and significant improvement caused by the absorption and scattering of visible photons. Experimental validations are performed on commercial screens with an X-ray beam collimated by an uranium slit. After the adjustment of optical coefficients using the stochastic gradient technique, we show that the simulated and measured spatial responses are in close agreement with the different energies of the radiation beam. In the last part of this research work, we study the role (in terms of efficiency and spatial resolution) of metallic or plastic layers serving as support. At given sensitivity, the reinforcing effect of the support layer permits to reduce the scintillator thickness with no significant degradation of the spatial resolution.