Chambre d'ionisation liquide détecteur de photons γ pour l'imagerie TEP

Liquid ionization chamber detector of γ photons for PET imaging

• Auteur / Autrice : Morgane Farradèche
• Direction : Dominique Yvon
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 02/07/2019
• Etablissement(s) : Université Paris-Saclay (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Electrical, optical, bio : physics and engineering (Orsay, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Département de physique des particules (Gif-sur-Yvette, Essonne)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Université Paris-Sud (1970-2019)
• Jury : Président / Présidente : Achille Stocchi
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Dominique Yvon, Achille Stocchi, David Brasse, Denis Dauvergne, Jean-Marc Fontbonne, Christian Morel
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : David Brasse, Denis Dauvergne

Mots clés

Mots clés contrôlés

Tomographie par émission

Chambres d'ionisation

Détecteurs de photons

Mots clés libres

Physique des détecteurs

Chambre d'ionisation

Détecteur liquide

Triméthylbismuth

Tomographie par émission de positrons

Detector physics

Ionization chamber

Liquid detector

Trimethylbismuth

Positon emission tomography

Résumé

CaLIPSO est un concept de détecteur de photons pour la Tomographie par Émission de Positrons dédiée au cerveau. Il s'agit d'une technique d'imagerie médicale reposant sur la détection en coïncidence de deux photons de 511 keV. Pour la première fois, le triméthylbismuth liquide est utilisé comme milieu de détection. Chaque photon de 511 keV libère un électron primaire qui émet des photons Cherenkov et ionise le milieu. CaLIPSO fonctionne sur le principe d'une chambre à projection temporelle et détecte à la fois la lumière Cherenkov et le signal de charge. Le nombre total de charges libérées étant proportionnel à l’énergie déposée par le photon incident, nous avons pu mesurer le rendement de production de charge du triméhylbismuth. Pour cela, nous avons développé un système d'ultra-purification du liquide associé à un système de mesure bas bruit du courant induit par une source de photons γ avec une précision < 5 fA pour un champ électrique allant jusqu'à 7 kV/cm. Le tétraméthylsilane a été utilisé comme liquide de référence pour valider la mesure. Nous avons obtenu un rendement de production de charge du triméthylbismuth inférieur d'un facteur 6 aux valeurs typiques des liquides diélectriques similaires. Des calculs de chimie quantique sur atomes lourds ont permis de montrer que ce comportement est dû à la géométrie de la molécule de triméthylbismuth. L'atome de bismuth se comporte comme un centre de capture des électrons qui induit un mécanisme de recombinaison supplémentaire des électrons près de leurs cations parents. Enfin, afin de vérifier cette hypothèse et de quantifier la mobilités des charges dans les liquides, nous avons développé un système de mesure d'impulsions de charge individuelles qui a été validé avec succès avec le tétraméthylsilane.

CaLIPSO is a photon detector concept designed for dedicated brain Positron Emission Tomography. It is a medical imaging technique based on the coincidence detection of two 511-keV photons. For the first time, the liquid trimethylbismuth is used as sensitive medium. Each 511-keV photon releases a primary electron that triggers a Cherenkov radiation and ionizes the medium. CaLIPSO operates as a time projection chamber and detects both Cherenkov light and charge signal. As the total number of released charges is proportional to the energy deposited by the initial photon, we were able to measure the charge production yield (or free ion yield) of the trimehylbismuth. To this end, we developed a purification bench associated with a low-noise measurement system for the current induced by a γ-ray source of photons with a precision < 5 fA for an electric field up to 7 kV/cm. The tetramethylsilane was used as a benchmark liquid to validate the measurement. We obtained a free ion yield of trimethylbismuth 6 times lower than the typical values for similar dielectric liquids. Quantum chemistry computations on heavy atoms shown that this behavior is due to the geometry of the trimethylbismuth molecule. The bismuth atom acts as an electron trapping center which induces an additional recombination mechanism of the electrons near their parent cations. Finally, in order to verify this hypothesis and to quantify the mobility of charges in liquids, we developed an individual charge pulses measurement system which has been successfully validated with tetramethylsilane.