Chaîne d’acquisition d’évènements lumineux dans une caméra 3-photon au xénon liquide

Event acquisition chain of light in a liquid xenon 3-photon camera

• Auteur / Autrice : Quentin Lainé
• Direction : Cyril Lahuec, Dominique Thers, Fabrice Seguin
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Électronique
• Date : Soutenance le 27/01/2025
• Etablissement(s) : Ecole nationale supérieure Mines-Télécom Atlantique Bretagne Pays de la Loire
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences pour l'ingénieur et le numérique
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Equipe Hardware ARchitectures and CAD tools - Laboratoire en sciences et techniques de l'information, de la communication et de la connaissance (Brest ; 2012-....) - Laboratoire de Physique Subatomique et des Technologies Associées (Nantes)
• Jury : Président / Présidente : Étienne Testa
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Cyril Lahuec, Dominique Thers, Fabrice Seguin, Damien Neyret, Camilla Kärnfelt
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Marc-André Tetrault, Olivier Romain

Mots clés

Mots clés contrôlés

Caméras à scintillations

Xénon

Imagerie par rayonnement gamma diffusé

Mots clés libres

Multi time over threshold

Imagerie 3 gamma

Chambre à projection temporelle

Xenon liquide

Signal de scintillation

Multi time over threshold

3-gamma imaging

Time projection chamber

Liquid xenon

Scintillation signal

Résumé

La caméra Compton XEMIS2 a pour objectif de démontrer expérimentalement l’efficacité d’une chambre à projection temporelle au xénon liquide pour la détection de traceurs émettant trois photons gamma, en vue de produire des images de petits animaux. Cette nouvelle modalité d’imagerie permettrait d’obtenir une qualité d’image comparable à celle des systèmes TEP utilisés en contexte clinique, mais avec une activité injectée 100 fois plus faible. Un nouvel axe d’optimisation de la caméra XEMIS2 consiste à réduire le temps d’acquisition des images, passant de 20 minutes à seulement 2 minutes. En contrepartie, une augmentation par un facteur 10 de l’activité injectée est nécessaire. Pour gérer cette hausse d’activité, le développement d’une nouvelle électronique frontale, reposant sur la méthode du Multi Time Over Threshold (MTOT), constitue le coeur de ce travail de thèse. Un prototype de carte électronique a été conçu pour s’intégrer au système d’acquisition actuel. Ce prototype a ensuite été évalué à l’aide d’un banc de test, avec la mise en place d’un protocole d’étalonnage. Les résultats obtenus démontrent une réduction significative du bruit électronique, validant ainsi les efforts de conception. Les mesures expérimentales sur le banc de test confirment l’amélioration apportée par la méthode MTOT. Pour compléter ces résultats, une simulation a été développée afin de reproduire l’acquisition des données avec la nouvelle électronique dans les conditions de fonctionnement de XEMIS2. Les résultats montrent l’intérêt du MTOT pour XEMIS2, avec des améliorations significatives par rapport à l’électronique actuelle : jusqu’à 70 % pour la résolution sur le nombre de photons de scintillation et jusqu’à 30 % pour la résolution temporelle.

The Compton camera XEMIS2 aims to experimentally demonstrate the efficiency of a liquid xenon time projection chamber for detecting radioactive tracers emitting three gamma photons, with the goal of producing images of small animals. This new imaging modality is expected to achieve image quality comparable to that of PET systems used in clinical settings but with an injected activity reduced by two orders of magnitude. A new optimization focus for the XEMIS2 camera is to reduce the image acquisition time from 20 minutes to about 2 minutes. This requires increasing the injected activity by a factor of ten. To address this increase in activity, the development of new front-end electronics based on the Multi Time Over Threshold (MTOT) method forms the core of this thesis work. A prototype electronics board was designed to integrate with the current acquisition system. This prototype was then evaluated using a test bench with the implementation of a calibration protocol. The results show a significant reduction in electronic noise, validating the chosen approach. Experimental measurements on the test bench confirm the improvement provided by the MTOT method. To complement these results, a simulation was developed to reproduce the data acquisition with the new electronics under XEMIS2 operating conditions. The results demonstrate the benefits of MTOT for XEMIS2, with significant improvements compared to the current electronics : up to 70% increase of the resolution of the number of scintillation photons and up to 30% increase of the temporal resolution.