Développement d’un moniteur ultra-mince pour faisceau de particules chargées – PEPITES

Concevoir un détecteur ultra-mince suppose de générer un signal de mesure avec très peu de matière. Le phénomène d’émission d’électrons secondaires permet cela. Lorsqu’une particule chargée traverse un milieu, elle y arrache des électrons par ionisation. Ceux très proches de la surface –à moins d’une dizaine de nanomètre de celle-ci- peuvent quitter le milieu. Si ce dernier est conducteur, le départ de ces électrons génère un courant : c’est le signal de mesure de PEPITES. L’émission doit avoir lieu dans le vide, sans quoi les électrons retournent sur le milieu émetteur, annulant le signal. Ce mode de fonctionnement du moniteur est en adéquation avec une installation dans le vide de la ligne de transport du faisceau. De plus, cette caractéristique présente un avantage pour la tenue aux radiations : puisqu’aucun élément du système ne subit d’effort mécanique, les altérations par radiations sont de bien moindre conséquence que pour les chambres à ionisation et la durée de vie du système s’en trouve accrue. Ce phénomène d’émission d’électrons secondaires est bien connu. Très linéaire, il va permettre de faire fonctionner le détecteur sur grande gamme dynamique.
Construire un système n’utilisant que les épaisseurs de matière nécessaires à ce phénomène requiert de réaliser des objets aussi fins que quelques dizaines de nanomètres et le domaine des couches minces offre de telles capacités. Nous avons alors les outils adéquats pour réaliser PEPITES.
Le profil latéral du faisceau est reconstruit à l'aide d'électrodes segmentées : des bandes d'or de 50 nm d’épaisseur sont déposées par évaporation sous vide sur un substrat isolant de 1.5 microns d’épaisseur. En traversant l'or, le faisceau éjecte des électrons secondaires, et le courant ainsi formé dans chaque bande permet de mesurer son profil latéral. Afin de garantir que les électrons ne retournent pas sur leur lieu d’émission, une électrode pleine, mince elle aussi, est placée en regard des bandes et collecte les électrons grâce à l’application d’un champ électrique. Le substrat, que l’on souhaite aussi fin et résistant que possible, n’est pas un banal plastique, mais un film produit pour la fabrication de voiles solaires. Une puce électronique, développée spécialement pour le projet, permet de lire ces signaux dont l’intensité peut être aussi basse que quelques femtoampères, soit des millionièmes de milliardième d’ampère ! Un soin tout particulier a donc été apporté au transport de ce signal depuis les bandes d’or en contact avec le faisceau jusqu’à l’électronique de lecture. Enfin, un traitement par ordinateur des courants lus par la puce fournit les propriétés du faisceau.
Pour la réalisation de ce prototype, nous avons sélectionné des matériaux connus pour leur résistance intrinsèque aux radiations. Celle-ci a été testée sur les sous-parties du système soumises au passage du faisceau, en utilisant des faisceaux d’électrons, de protons à différentes énergies, et de gamma.

Un prototype complet a été construit et mis en service auprès du cyclotron ARRONAX. PEPITES, avec une épaisseur « équivalent eau » finale de moins de 10 micromètres (soit seulement un cinquième du diamètre d’un cheveu), a mesuré avec succès les paramètres des faisceaux sur une grande gamme dynamique, validant le moniteur et ouvrant la voie à de multiples déclinaisons. Les études de tenue aux radiations ont montré qu’un fonctionnement de plusieurs années à ARRONAX ou dans des centres de protonthérapie est envisageable.

Le projet entre maintenant dans une phase d’étude du comportement sur le long terme, grâce à une utilisation routinière à ARRONAX.
PEPITES intéresse déjà le centre de traitement CNAO en Italie, à Pavie, et un accord avec le CNRS est en cours d’écriture. Si PEPITES répond aux besoins de ce centre, il y sera utilisé en clinique.
Depuis le début du projet, en 2017, nous assistons à l’émergence de la nouvelle modalité « FLASH », qui consiste à déposer la dose thérapeutique en une seule irradiation très brève et très intense. Cette technique, qui préserve sensiblement mieux les tissus sains tout en maintenant un contrôle de la tumeur, impose de nouveaux défis aux moniteurs : ils doivent être capables de mesurer des faisceaux brefs (quelques ms, voire moins) et très intenses (au moins des milliers de fois plus que ceux utilisés actuellement). PEPITES, avec sa grande gamme dynamique et son extrême minceur qui limite les problèmes d’échauffement, possède les atouts pour relever ces défis et devenir un acteur important des nouvelles thérapies FLASH.

Cinq articles suites à des conférences (multipartenaire), à comité de lecture :

o First results of PEPITES a new transparent profiler based on secondary electron emission for charged particle beams
- C. Thiebaux et al.
- Proceedings of IBIC2022, Kraków, Poland - Pre-Press Status 15-September 2022
- ibic2022.vrws.de/papers/mop21.pdf
- Poster
- IBIC 2022, International Beam Instrumentation Conference, 11-15 September 2022 (Kraków, Poland)

o Development of a transparent profiler based on secondary electrons emission for charged particle beams.
- C. Thiebaux et al.
- Proceedings of 22nd International Conference on Cyclotrons and their Applications, Cyclotrons 2019 (Cape Town, South Africa)
- jacow.org/cyclotrons2019/papers/thb04.pdf
- Invited talk
- 22nd International Conference on Cyclotrons and their Applications, Cyclotrons 2019 (Cape Town, South Africa)

o A new transparent beam profiler based on secondary electrons emission for hadrontherapy charged particles beams.
- C. Thiebaux et al.
- Physica Medica, Elsevier, 2019, 68, pp.42.
- doi.org/10.1016/j.ejmp.2019.09.149
- Poster
- 58èmes Journées Scientifiques de la Société Française de Physique Médicale 2019 (Angers, France)

o Exploring radiation hardness of PEPITES, a new transparent charged particle beam profiler.
- S. Elidrissi-Moubtassim et al.
- Nucl. Inst. Meth. (2020), 466, pp.8-11.
- dx.doi.org/10.1016/j.nimb.2020.01.003
- Poster
- 13th European Conference on Accelerators in Applied Research and Technology 2019 (Split, Croatia)

o Development of an ultra-thin beam profiler for charged particle beams.
- B. Boyer et al.
- Nucl. Inst. Meth. (2019), 936, pp.29-30.
- doi.org/10.1016/j.nima.2018.09.134
- Poster
- 14th Pisa Meeting on Advanced Detectors 2018 (Isola d’Elba, Italy)

Participation sans articles dans des conférences (multipartenaire) :
o Observation multi-technique de l’endommagement de polyimides pour un nouveau profileur faisceau ultra-mince
- 8ème Rencontre «Ion Beam Applications Francophone« - IBAF 2021, Société Française du Vide 2021 (distanciel, France)
- Poster
- G. Pipelier on behalf of PEPITES consortium

o A new transparent beam profiler based on secondary electrons emission for hadrontherapy charged particles beams.
- 58th Annual Conference of the Particle Therapy Co-Operative Group 2019 (Manchester, England)
- Poster
- C. Thiebaux on behalf of PEPITES consortium

o Développement d’un profileur transparent à électrons secondaires pour faisceaux de particules chargées.
- Journées SFP Accélérateurs 2019 (Roscoff, France)
- Poster
- M. Verderi on behalf of PEPITES consortium

Participation manifestation grand public (monopartenaire) :

o Jeudis de la recherche de l’X
- M. Verderi
o Fête de la science Ecole polytechnique

Brevet:

o Un brevet sur la technique a été déposé en 2017 et accepté en janvier 2020.

Le projet vise à réaliser un prototype entièrement fonctionnel de moniteur ultra-mince pour faisceau de particules chargées, capable de fonctionner en permanence sur accélérateurs aux énergies intermédiaires (O(100 MeV)). L'intensité cible va d'une fraction de pA à environ 10 nA. La partie active du moniteur est réalisée avec des techniques de couches minces et une électronique bas bruit assure la lecture des signaux. Le système est très simple à utiliser, a un faible encombrement et devrait être plus tolérant aux radiations que les dispositifs concurrents existants. La minceur des matériaux utilisés le rend également moins propice aux problèmes d’échauffement par interaction avec le faisceau. Le développement a été initialement motivé par les besoins de la protonthérapie, mais la grande flexibilité des techniques employées ouvre une gamme d'applications allant au-delà des besoins médicaux. Si l’approche est particulièrement adaptée aux plages d'énergie et d'intensité mentionnées, elle n'est cependant pas limitée à celles-ci, étant applicable à des énergies et des intensités plus élevées que celles indiquées.
Le centre Arronax a exprimé son intérêt quant à un système de 10 µm équivalent-eau pour des faisceaux de protons, deuterons et alphas dans les plages d'énergie de 17-70 MeV, 8-17 MeV/u et 17 MeV/u, respectivement, et dans la gamme d'intensité prévue. La réalisation d'un prototype répondant à ces contraintes démontrera la viabilité de l'approche.
Le projet se déroulera en quatre étapes principales. La génération du signal sera étudiée avec un appareillage simple dans les plages d'énergie ciblées et dans le domaine médical, jusqu’à 230 MeV, car les mesures existantes sont assez limitées. La tolérance aux rayonnements de la partie active du moniteur -ses composants individuels et leur assemblage- sera étudiée pour optimiser les choix de matériaux et les techniques de construction et pour anticiper le temps de fonctionnement d'un futur système. Ces études se dérouleront selon un protocole uniforme permettant une comparaison directe des différents mérites. Une électronique dédiée à faible bruit sera conçue et réalisée. Elle fournira la lecture sur une gamme d’environ 5 ordres de grandeur d’intensité de faisceau. Les performances du système final seront étudiées dans des conditions de fonctionnement réelles avec des faisceaux de protons, de deuterons et de particules alpha.
Le projet vise à proposer un brevet sur la technologie développée.