Développement d'un système de dosimétrie relative des faisceaux de photons de haute énergie à l'aide de dosimètres thermoluminescents

République Algérienne Démocratique et populaire
Ministére de L'enseignement supérieur et de la recherche scientifique
Université des sciences et de la technologie Houari Boumediene

FACULTE DE PHYSIQUE
DEPARTEMENT DE RAYONNEMENT

Mémoire en vue d?obtention du diplôme de MASTER en Physique Médicale

Présentée Par : M^elleKhadîdjaOUABR

Développement d'un système de dosimétrie relative des

faisceaux de photons de haute énergie à l'aide de dosimètres

thermoluminescents

So utenu le : 14 juin 2012, devant le jury composé de :

Mr.M. DJEBARA Professeur, USTHB Président de jury

Mr.T.MEDJDOUB Physicien médicale, CPMC Examinateur

Mr.Y. KESSIRA Attaché de recherche, CRNA Examinateur

Mr. M. ARIB Maître de recherche, CRNA Directeur de thèse

Dédicace

A celle qui reste mon exemple éternel, mon soutien moral et source de joie et de bonheur, celle qui s'est toujours sacrifié pour me voir réussir, Sans elle, jamais je n'aurais pu avoir la chance de terminer mon cursus. Que dieu te protégée et

te garde dans son vaste paradis, à toi ma mère.

Remerciement

Ce travail a été réalisé au Laboratoire Secondaire d'Etalons en Dosimétrie (LSED) sous la direction de Monsieur Mehenna ARIB maitre de Recherche au Centre de Recherche Nucléaire d'Alger.

Il ne me sera jamais possible d'exprimer suffisamment ma gratitude et mes remerciements pour le grand effort qu'il a mis pour la réalisation de ce travail malgré leur charge, il a su me transmettre son dynamisme et sa motivation, tout en gardant un oeil critique et avisé. Je le remercie pour ses conseils judicieux du début jusqu'à la réalisation de ce manuscrit.

Je tiens plus particulièrement à témoigner toute ma reconnaissance à Mr BOUZID, Mr. CHAMI Mme. FERAHI et tous les professeurs de notre formation

Mes remerciements les plus sincêres du fond mon coeur sont adressés à Melle. Fouzia DARI ingénieur au niveau du Département de Physique Médicale de la Division de Physique Radiologique, pour tout le temps qu'elle a consacré pour moi, pour sa gentillesse, sa disponibilité et son aide le long de ce travail.

Un grand merci à Mr Yahia KESSIRA, Physicien Médicale pour ses conseils et ses remarques

Un três grand merci pour les gens de l'atelier du Centre de Recherche Nucléaire d'Alger. Qui ont réussi à fabriqué nos dispositifs, Mr. M.BOUDOUR et Mr. F. HAMICI

Mes gratitudes et mes sincères remerciements à :

Monsieur Mr. M. DJEBARA pour m'avoir fait l'honneur de présider le jury. Monsieur Mr. T.MEDJDOUB pour avoir accepté d'examiner ce mémoire.

Monsieur Mr. Y.KESSIRA pour avoir accepté d'examiner ce mémoire.

Je remercie également les physiciens médicaux F. BOUDJAMA, T. MEJDOUB, M.Z.ELGHRIBI, sans oublier le médecin particulièrement Dr MAHIOU du service de radiothérapie du CPMC

Je tiens à remercier trés sincèrement toute mes tantes et mon oncle SAAD pour m'avoir encouragée. et aidée sur le plan matériel et moral.

Un grand merci du fond de mon coeur pour mes soeurs ROMAISSA, MERIEM et ZINEB et tous mes amis de la promotion physique médicale notamment KENZA, DIANA, RIMA

Enfin, je n'oublie pas évidemment les autres personnes que j'ai eu le plaisir de croiser et que je ne peux pas les citer toutes.

TABLE DES ACRONYMES ET DES ABREVIATION AIEA : Agence Internationale de L?Energie Atomique

DSA : Distance Source Axe DSP: Distance Source Peau

ICRU: l?International Commission on Radiation Units and Measurements LiF: Fluorure de Lithium

LSED : Laboratoire Secondaire d?Etalon en Dosimétrie

PDD: Rendement de dose en profondeur.

PM: photomultiplicateur TL: thermoluminescence TLD : dosimètre thermoluminescent

PMMA : polyméthacrylate de méthyle

PTW: Physikalisch-Technische Werkstätten

UNIDOS: Universelle Dosimètre

BJR25: British Journal of Radiology Supplement 25

Chapitre I

Figure I. 1 classification des rayonnements 4

Figure I. 2. Effet photoélectrique 5

Figure I. 3. Effet Compton. 6

Figure I. 4. Création de paire 6

Figure I. 5. Délimitation des domaines d?énergie de prédominance des trois interactions principales des photons avec la matière :. 7
Figure I. 6. Représentation schématique du transfert d'énergie d'un photon au milieu

traversé. 8

Figure I. 7. L?équilibre électronique. . 9

Figure I. 8. Géométrie de mesures des fonctions dosimétriques 10

Figure I. 9. Schéma de mesure des rendements en profondeur (PDD) 11

Chapitre II

Figure II. 1. Chambre cylindrique de type Farmer fabriquée par PTW 16

Figure II .2. Diagramme d?une chambre cylindrique de type Farmer . 16

Figure II .3. Diagramme d?une chambre plate . 17

Figure II .4. Electromètre UNIDOS 18

Figure II. 5. dosimétrie et configuration du film Gafchromic[ARJ12] 19

Figure II. 6. Différents défauts ponctuels dans un réseau cristallin 24

Figure II. 7. Exemples d'associations de défauts ponctuels: défaut de Schottky 24

Figure II. 8. Schéma de bandes d'un cristal réel 25

Figure II. 9. Principe de la Thermoluminescence 26

Figure II 10. Thermogramme d?un dosimètre thermoluminescent .. 26

Figure II. 11. Réponse de LiF en fonction de la dose 27

Figure II. 12. La réponse théorique en énergie de plusieurs dosimètres TL relative à celle de

l?air . 28

Chapitre III

Figure III. 1.Unité de cobalt Eldorado 78 et sa console de commande. 29

Figure III. 2. Fantôme MED-TEC 30

Figure III 3 Plaques de polystyrènes 30

Figure III. 4. Fantôme en PMMA + porte capsules et unité d?irradiation 60Co eldorado 78 30

Figure III. 5. Le nouveau support LSED 31

Figure III. 6. l?ancien support LSED 31

Figure III. 7. Dimensions de la capsule 32

Figure III. 8. Dispositif rotatif 32

Figure III. 9.poudre TLD100 «..........................................................................37

Figure III. 10. Capsules 33

Figure III.11. Doseur AIEA. 33

Figure III. 12. La balance utilisée 33

Figure III 13. Lecture Harshaw 4000 34

Figure III. 14.Synoptique d?un lecteur de thermoluminescence . 34

Figure III. 15. Cycle de chauffage du HARSHAW 35

Figure III. 16. Variation de l?écart-type des lectures en fonction de débit de l?Azote . 36

Figure III. 17. La réponse du signal de lecteur HARSHAW 4000 en fonction 36

Figure III 18 Four utilisé pour la régénération de la poudre 37

Figure III. 19. variation de l?écart-type en fonction de temps[ARI06] 37

Figure III. 20.Conteneur en acier inox 38

Figure III. 21. Procédure d?annihilation de la poudre . 39

Figure III. 22. L?irradiation dans un fantôme PMMA 39

Figure III. 23.courbe d?étalonnage. 41

Figure III. 24. courbe de fading 42

Chapitre IV

Figure IV. 1. Positionnement du support pendant l?irradiation 44

Figure IV. 2. Calcul de l?angle minimal d?inclinaison du support porte capsules 44

Figure IV 3. Calcul des distances latérales et profondeurs des capsules 45

Figure IV. 4. Géométrie utilisée pour l?irradiation des capsules pour les PDD 46

Figure IV. 5. Détermination des rendements en profondeur avec une chambre plate 48

Figure IV. 6. Détermination des rendements en profondeur avec une chambre plate 48

Figure IV. 7.Reproductibilité du signal de thermoliuminescence 49

Figure IV. 8. Rendement en profondeur pour un champ 10 x 10 cm² 50

Figure IV. 9. Rendement en profondeur pour un champ 15 x 15cm² 51

Figure IV. 10. Le nouveau support LSED 52

Figure IV. 11. Mise en place du nouveau support TLD 53

Figure IV. 12. Méthode utilisée pour l?irradiation des dosimètres avec les deux champs 53

Figure IV. 13. Positionnements de la chambre lors de l?irradiation...............................558

Figure IV. 14. Détermination des profils des faisceaux avec le film gafchromic 61

Figure IV. 15. Image scannée d?un film Gafchromic irradié 61

Figure IV. 16. Profil selon l?axe Y pour un champ 10 cm x 10 cm 61

Figure IV. 17. Profil selon l?axe Y pour un champ 15cm x 15cm 62

TABLE DES MATIERES

INTRODUCTION 1

CHAPITRE I 3

I.1. INTRODUCTION : 3

I.2. CLASSIFICATION DES RAYONNEMENTS : 3

I.3. INTERACTIONS PHOTON-MATIERE : 4

I.3.1. L?effet photoélectrique : . 4

I.3.2. L?effet Compton : . 5

I.3.3. Effet de création de paires (e-, e+) : 6

I.3.4. Importance relative des trois effets 6

I.4. GRANDEURS ET UNITES DOSIMETRIQUES 7

I.4.1. Exposition 8

I.4.2. Kerma : 8

I.4.3. Dose absorbée : 9

I.4.4. Equilibre électronique : 9

I.5. PARAMETRES DOSIMETRIQUES CARACTERISANT LES FAISCEAUX DE PHOTONS 10

I.5.1. Caractérisation de la pénétration du faisceau 10

I.5.1.1. Le rendement en profondeur (PDD) 11

I.5.1.2. Le profil de dose : 12

a) Définition : 12

b) Caractéristiques 13

CHAPITRE II 15

II.1. INTRODUCTION 15

II.2. DETECTEURS DOSIMETRIQUES : 15

II.2.1. La chambre d'ionisation : 15

II.2.1.1. Chambres d'ionisation Farmer 16

II.2.1.2. Chambre d?ionisation plates 17

II.2.2. Le Film Gafchromique : 18

II.2.1.1. Configuration st structure des Gafchromic EBT2 : 18

II.2.1.2. Caractéristiques des films Gafchromic EBT2 : 20

II.2.3. Le dosimètre thermoluminescent 22

II.2.3.1. Généralités sur le cristal 23

II.2.3.2. Principe de thermoluminescence 25

II.2.3.3. Propriétés dosimétriques : 26

CHAPITRE III 29

III.1. INTRODUCTION 29

III.2. EQUIPEMENTS UTILISES DANS LE CADRE DE CE TRAVAIL 29

III.2.1. L?unité d?irradiation « cobalt-60 » 29

III.2.2. Les fantômes (milieu de référence) 30

III.2.3. Les supports LSED d?irradiation 31

III.2.4. Dispositif rotatif 32

III.2.5. Dosimètre TL 32

III.2.6. Les capsules utilisées 33

III.2.7. Doseur de poudre 33

III.2.8. Lecteur 34

III.2.9. Four 37

III.3. CARACTERISATION DE LA POUDRE TLD100 37

III.3.1 DETERMINATION DU TEMPS D?EVALUATION 37

III.3. 2 ETAPES D?EVALUATIONS DE LA POUDRE TLD100 37

III.3.2.1. Procédure de lavage : (recyclage de la poudre) 38

III.3.2.2. Procédure d?annihilation 38

III.3.2.3. Procédure d?irradiation 39

III.3.2.4. Calculs du temps de traitement 39

III.3.2.5. Evaluation des doses à l?aide de la TLD 40

III.3.2.6. Procédures d?étalonnage . 40

a) Principe général d?étalonnage . 40

b) Etablissements de la droite d?étalonnage . 41

c) Détermination de facteur de Fading 41

CHAPITRE IV 43

IV.1. INTRODUCTION : 43

IV.2. MESURES DES RENDEMENTS EN PROFONDEUR 43

IV.2.1. Méthode de mesure 43

IV.2.1.1. Avec TLD100 43

IV.2.1.2. Avec une chambre d?ionisation 47

IV.2.1.3. Avec le film Gafchromic 48

IV.2.2. Résultats de mesures des rendements en profondeur et interprétation 49

IV.2.2.1. Pour le champ 10 cm X 10 cm 50

IV.2.2.2. Pour le champ 15 cm X 15 cm 51

IV.3. MESURES DES PROFILS 52

IV.3.1. Méthode de mesure 52

IV.3.1.1. Avec TLD100 53

IV.3.1.2. $ W DEKIP ELIEd?iRnisItIRn
· 55

IV.3.1.3. Avec le film Gafchromic
· 56

IV.3.2. Résultats expérimentaux et interprétation 56

IV.3.2.1. Champs de 10 cm x 10 cm 57

IV.3.2.1. Champs de 15 cm x 15 cm 57

CONCLUSION 59

BIBLIOGRAPHIE

INTRODUCTION

Seconde cause de mortalité après les maladies cardiovasculaires, le cancer représente chaque année environ 150000 décès et 280000 nouveaux cas diagnostiqués. Pour lutter contre celui-ci, de nombreuses techniques révolutionnent sans cesse le domaine des soins et, d?année en année, l?interdisciplinarité s?accroît afin de développer toujours plus les moyens de lutte. [DGSNR06]

Alors que la médecine bénéficie des dernières innovations comme notamment de la Radiothérapie Conformationnelle.

Le traitement par radiothérapie implique un compromis entre la nécessité d?irradier suffisamment le tissu cancéreux pour permettre le contrôle local de la tumeur et la volonté d?irradier au minimum les tissus sains voisins afin de limiter la morbidité.il est, donc, important de tout mettre en oeuvre pour améliorer l?exactitude et la précision de la dose en radiothérapie afin de s?assurer le succès du traitement.

Chaque faisceau délivré par la machine de traitement est caractérisé par des fonctions dosimétriques mesurables. Ces fonctions usuelles ne présentent pas une information sur la dose absolue, mais une variation de dose relative pour une géométrie donnée.

La dosimétrie relative des faisceaux de photons et d?électrons de haute énergie constitue une étape importante avant utilisation pour le traitement des tumeurs en radiothérapie.

Parmi les paramètres à vérifier, les profils des faisceaux ainsi que les rendements en profondeurs.

L?objectif du présent sujet de mémoire, concerne la conception et la réalisation d?un système dosimétrique basé sur les dosimètres thermoluminescences permettant de déterminer expérimentalement des profils des faisceaux et les rendements en profondeurs à l?aide d?une irradiation simultanée de plusieurs échantillons de la poudre TLD

Le travail a été réalisé au sein du Laboratoire Secondaire d?Etalons en Dosimétrie (LSE appartenant au Centres de Recherche Nucléaire d?Alger (CRNA).

Ce qui concerne notre strategie de travail, on a propose de subdiviser le memoire en quatre chapitres :

Le premier chapitre sera consacre aux notions fondamentales de la dosimetrie desrayonnements ionisants. Il s?attache essentiellement à la description de l?interaction des rayonnements avec la matière ainsi une description sur les grandeurs, les unites et les caracteristiques dosimetriques utilises en radiotherapie.

Le deuxième chapitre dedie à la description des differents dosimètres utilisees et notamment le dosimètre thermolumenescent

Le troisième chapitre presente d?une part les différents matériels utilisés en dosimétrie relative et d?autre part l?étude des caractéristiques de dosimètre thermolumenescent

Le quatrième chapitre expose les méthodes utilisées pour réaliser l?irradiation en meilleurs conditions et les resultats obtenus avec les differents dosimètres

Chapitre I

LES INTERACTIONS RAYONNEMENT ET MATIERE,
GRANDEURS, UNITEES ET CARACTERISTIQUES
DOSIMETRIQUES

CHAPITRE I

INTERACTION RAYONNEMENT MATIERE ET GRANDEURS, UNITES ET
PARAMETRES DOSIMETRIQUES

I.1. Introduction :

Les photons sont des rayonnements indirectement ionisants qui créent desparticules chargées (électrons et positrons) dans le milieu ; ces particules chargées, à leur tour, vont ioniser le milieu.

Les interactions prépondérantes des photons de hautes énergies utilisés en radiothérapie avec le tissu sont : effet Compton entre 0.3-20 MeV et création de paires au-delà de 20MeV.Toutes ces interactions conduisent à la production d?électrons de hautes énergies. , cause de leur charge électrique, les électrons interagissent avec les électrons périphériques des atomes du milieu, et par conséquent l?électron peut ioniser plusieurs atomes sur son trajet. Les électrons sont arrêtés dans le tissu et leur parcours est proportionnel à leur énergie initiale. Autrement dit, les électrons sont vite absorbés et déposent toute leur énergie dans le tissu sous forme d?ionisations ; ceci permet d?atteindre des doses importantes nécessaires pour la stérilisation des tumeurs. Les photons sont atténués exponentiellement avec la distance.

L?effet biologique sur le tissu est proportionnel aux ionisations crées. Donc, même si les photons sont utilisés en radiothérapie, ce sont les électrons créés dans le tissu qui sont responsables des dommages au niveau de la cellule vivante.

L?utilisation des faisceaux de rayonnements ionisants en routine clinique pour le traitement des cancers requiert la définition de fonctions dosimétriques qui les caractérisent. Une combinaison appropriée de ces fonctions va nous permettre de calculer le débit de dose en n?importe quel point dans le fantôme à partir du débit de dose de référence de l?appareil de traitement.

I.2. Classification des rayonnements :

On peut classer les rayonnements en deux catégories selon leurs natures et selon leurs effets sur la matière.

La figure ci-dessous résume les différents types de rayonnements :

Figure I. 1 classification des rayonnements I.3. Interactions photon-matière :

Le terme « photon » s?applique aux rayonnements électromagnétiques émis soit dans les transitions nucléaires « rayons ã », soit dans les transitions atomiques « rayons X ». Lors de la traversée d?un milieu matériel quelconque, tout photon a une certaine probabilité d?interagir avec ce milieu. Cette interaction peut ~tre classée selon :[ATT87]

ü la nature d?interaction : photon/électron ou photon/noyau,

ü le type de l?événement produit : l?absorption, la diffusion ou la production des paires.

I.3.1. / '111111114343él111111TX11 :

Le photon entre en collision avec un électron des couches internes de l?atome. L?énergie E du photon incident est transférée jà l?électron qui est éjecté de sa couche. Une partie de cet énergie est utilisée pour «extraire» l?électron interne (énergie de liaison W); l?excédent

d?énergie se retrouve sous forme d?énergie cinétique Ecin de l?électron éjecté (E = W+Ecin).[ATT87]

L?effet photoélectrique ne peut avoir lieu que si l?énergie du photon incident est supérieure à l?énergie de liaison de l?électron. Le retour de l?atome à l?état fondamental s?accompagne d?une émission de photon de fluorescence ou d?un électron Auger.

Figure I. 2. Effet photoélectrique

Le photon de fluorescence est émis lorsqu'un électron des couches supérieures prend la place de l'électron éjecté. Parfois, pour des milieux de Z petit, le photon de fluorescence produit un nouvel effet avec émission d'un électron: c'est l'effet Auger.

La probabilité d'avoir un effet photoélectrique entre le rayonnement électromagnétique et la matière est décrite par la section efficace de l'effet photoélectrique qui dépend fortement de l'énergie du photon incident et du numéro atomique Z du milieu absorbeur.

I.3.2. L'effet Compton :

Le photon incident interagit avec un électron, mais cet électron à une énergie de liaison beaucoup plus faible que celle impliquée dans l'effet photoélectrique. La diffusion Compton concerne donc des électrons moins liés, l'électron cible est expulsé dans une direction donnée, C?est l'électron Compton. Le photon incident est diffusé dans une direction qui fait un angle avec la direction de l'électron Compton. Lorsque l'énergie du photon incident croît, l'énergie emportée par l'électron Compton devient de plus en plus importante par rapport à celle du photon diffusé. [ATT87]

Figure I. 3. Effet Compton. I.3.3. Effet de création de paires (e-, e+) :

L?effet de matérialisation se produit à énergie élevée (E > 2.0, 511MeV). Le photon pénétrant dans le champ Coulombien d?un noyau se matérialise sous forme d?une paire électron positron (e-, e+). L?électron et le positron sont ralentis dans la matière environnante. A la fin de son parcours, le positron interagit avec un électron et s?annihile ce qui engendre l?émission de deux photons de 511 kV. Les lois de conservation du moment cinétique font que ces deux photons sont émis dans des directions opposées.[ATT87][CUN83]

Figure I. 4. Création de paire I.3.4. Importance relative des trois effets

La Figure I.5nous montre clairement l?importance relative de l?effet photoélectrique, effet Compton et effet de création de pair et cela en fonction de l?énergie des photons incidents et numéro atomique Z du matériau atténuant.[CUN83] [KNO79]

Figure I. 5. Délimitation des domaines d'énergie de prédominance des trois interactions
principales des photons avec la matière : effet photoélectrique, effet Compton et effet création de
paire en fonction du numéro atomique du milieu traversé. L'interaction Compton est prédominante
dans le tissu mou (plus de 70% d'eau, Z 7.5) pour les photons de hautes énergies.

I.4. Grandeurs et unités dosimétriques

La dosimétrie a pour but de déterminer l?énergie déposée dans la matière à irradier ; Cette détermination est essentielle:

ü Pour estimer le danger potentiel des techniques de diagnostique utilisant, in vivo, les radiations ionisantes.

ü Pour prévoir en radiothérapie, les effets du traitement sur les tissus tumoraux et sur les tissus sains adjacents.

ü Pour définir les normes de radioprotection individuelle et collective Un faisceau de photons issu d?une source sera caractérisé par 3 types de grandeurs :

ü Distribution spectrale

ü Paramètres énergétiques

ü Distribution spatiale

I.4.1. Exposition

L?exposition au rayonnement est le rapport de charge totale dQ dans un volume d?air de masse dm, lorsque tous les électrons libérés par les photons dans cet élément de masse d?air sont complètement arrêtés dans l?air.

1.1

L?unité : C/Kg

L?ancienne unité utilisée était le Roengten (R) 1R = 2.58.10^-4 C/Kg [GAM97]

I.4.2. Kerma :

Le Kerma représente l'énergie cinétique libérée dans le milieu par le rayonnement indirectement ionisant (photon, neutron). Il traduit le premier acte de transfert d?énergie, à savoir la mise en mouvement par collision des particules secondaires. Kerma est abbreviation de «Kinetic Energy Released per unit Mass in the medium». Sur la

Figure I.6., il correspond à l'énergie transférée en (a) et se définit par la relation :

K= dE n 1.2

d

Où _Ecin représente la somme des énergies cinétiques initiales de toutes les particule

chargées mises en mouvement par les rayonnements indirectement ionisants dans le volum de référence de masse dm.

Figure I. 6. Représentation schématique du transfert d'énergie d'un photon au milieu
traversé.

L'interaction a lieu en (a) avec gain d'énergie cinétique pour un électron du milieu. Celui-ci va la perdre progressivement le long de son parcours (b) constitué de petites collisions. Du rayonnement de freinage est émis suite à une interaction entre l'électron et un noyau du milieu. [GAM97]

I.4.3. Dose absorbée :

La dose absorbée (D) est l?énergie absorbée par unité de masse.

D = 1.3

dm

Oil dE est l?énergie moyenne communiquée par le rayonnement à la matière, dans un élément de volume, et dm est la masse de la matière contenue dans cet élément de volume. Dans ce règlement, le terme « dose absorbée » désigne la dose moyenne reçue par un tissu ou un organe. L?unité de dose absorbée est le gray (Gy), un Gy équivaut à un joule par kilogramme: 1Gy = 1.J/kg[GAM97]

I.4.4. Equilibre électronique :

Le Kerma et la dose absorbée s?expriment avec la mrme unité. Cependant ce n?est quelorsque l?équilibre électronique est atteint dans le milieu que les quantités Kerma et doseabsorbée sont égales.

Figure I. 7. / ⁵9TXiliIETe électronique.

I.5. Paramètres dosimétriques caractérisant les faisceaux de photons

Chaque faisceau délivré par la machine de traitement est caractérisé par des fonctions dosimétriques mesurables. Ces fonctions usuelles ne présentent pas une information sur la dose absolue, mais une variation de dose relative pour une géométrie donnée.

Les techniques de mesures et les méthodes de calcul de ces grandeurs sont définies dans le rapport N°24 de l?ICRU [ICRU76] à des distances et profondeurs spécifiques illustrées par la Figure I.8. [AIEA05]

Figure I. 8. Géométrie de mesures des fonctions dosimétriques DSS "Distance Source
Surface", DSA "Distance Source Axe (isocentre)" et DSD "Distance Source
Détecteur (point d?intér~t)".[AHN99]

I.5.1. Caractérisation de la pénétration du faisceau

La pénétration d?un faisceau de photons dans un fantôme est caractérisé par trois grandeurs dosimétriques : La dose en profondeur (PDD), le rapport tissu-fantôme (TPR) et le rapport tissu-maximum (TMR). [AIEA05]

I.5.1.1. Le rendement en profondeur (PDD)

Le PDD est l?acronyme de "Percentage Depth Dose" en un point du matériau sur l?axe
centraldu faisceau. Il est défini comme étant le rapport de la dose absorbée en ce point sur

la doseabsorbée à la profondeur du maximum de dose (pour le faisceau de photons délivré
par Cobalt60, zmax = 5mm) à la même distance source-surface.

Les PDD sont calculés par la formule suivante :

) 1.5

PDD _(ADSP; z) = 1 17

)

Et mesurés dans un fantôme d?eau selon le schéma suivant :

Figure I. 9. Schéma de mesure des rendements en profondeur (PDD) le long de l'axe du
faisceau

La courbe donnant la variation de la dose absorbée en fonction de la profondeur dans l?eau
sur l?axe du faisceau d?irradiation à une distance source-surface du fantôme fixe, est
appelée courbe de rendement en profondeur : PDD(z). Le rendement en profondeur (PDD)

correspond à la variation de la dose absorbée le long de l?axe du faisceau en fonction de la profondeur du point de mesure, pour différentes tailles de champ.

La distance source surface du fantôme est constante et la distance source détecteur varie

avec la profondeur du point de mesure ; ces courbes sont normalisées au point du maximum
de dose.

Certaines grandeurs dosimétriques peuvent être définies à partir de la courbe de rendement

en profondeur : la dose à la surface, la dose de sortie et la profondeur de maximum de dose

(profondeur de l?équilibre électronique):

Figure I.10. Rendement de dose en profondeur dans l'eau pour un faisceau de
photons.[KAL11]

Région 1 : accroissement de dose ou buildup.

Région 2 : maximum de dose.

Région 3 : atténuation exponentielle de la dose en fonction de la profondeur.

Le rendement de dose en profondeur dans un milieu d?eau dépend de trois paramètres :

l?énergie du faisceau, la taille du champ d?irradiation et la distance source-surface du milieu. I.5.1.2. Le profil de dose :

a) Definition :

Le profil de dose correspond à la variation de la dose le long d?un axe dans un plan
perpendiculaire à l?axe du faisceau. Les valeurs de dose sont généralement normalisées par

rapport à la valeur de la dose à l?axe du faisceau. Le profil de dose est mesuré dans l?eau avec une chambre d?ionisation suivant les directions médianes du champ et suivant les diagonales, à différentes profondeurs. Il déprend de l?énergie du faisceau de photons, de la taille du champ d?irradiation et de la profondeur de mesure.

b) Caractéristiques

Le profil de dose permet de contrôler l?homogénéité, la symétrie ainsi que la pénombre des faisceaux de photons. Il se compose de trois régions distinctes : un plateau (zone homogène et symétrique).une zone de décroissance (pénombre physique), puis une queue en dehors du champ d?irradiation correspondant à la transmission à travers le collimateur (zone d?ombre).

L?homogénéité est définie par la surface contenant des points distants de l?axe d?au plus 80% de la demi-longueur des axes médians du champ d?irradiation. La symétrie s?évalue par le rapport des doses pour chaque couple de points symétriques par rapport à l?axe à l?intérieur de la zone homogène du champ. La pénombre physique est caractérisée par la distance latérale entre le point à 80% et le point à 20% de la dose maximale sur l?axe du faisceau.

La figure I.12 donne la variation de la dose en fonction de la distance à l?axe dans l?eau à une profondeur de 10 cm et à une distance source surface de l?eau de 90cm pour un champ de photons 6MV et de dimensions 10*10 cm2 à la profondeur de mesure, dans la direction cross plane c?est-à-dire dans le plan transverse droite-gauche.

Figure I.12. Profil de dose d'un champ de photon mesuré dans l'eau

Region 1 : zone homogène et symetrique du champ. Region 2 : penombre physique du champ.

Region 3 : ombre du champ.

La zone homogène et symétrique du champ est obtenu par l?effet du cône égalisateur les dimensions de cette zone doivent correspondre à celle du volume cible si on veut une distribution à celles du volume cible si on veut une distribution de dose homogène dans la cible. La zone de penombre physique correspond à la zone ou les valeurs de dose changent rapidement. La dose décroit quand ou s?écarte de l?axe du faisceau. Cette variation est due notamment, à l?augmentation de la distance à la source et à la rupture de l?équilibre electronique lateral.

La penombre physique est la somme de trois penombres individuelles :

· la penombre geometrique, est due à la divergence du faisceau. Elle est liee aux dimensions de source (taille du spot d?électrons), à la distance source collimateur et à la distance collimateur surface du patient.

· la penombre de transmission, est due aux rayonnements transmis à travers les bords du collimateur.

· la penombre de diffusion, est due aux photons diffuses qui sortent de la limite géométrique du faisceau d?irradiation. Elle augmente avec la taille de champ, avec la profondeur, et avec la perte d?énergie des photons.

UU0HUHE UU

UtTEcTEURs uTilisks

0oUR 00 DosiMETRiEs DEs

UAyoNNEMENTs ioNisANTs

CHAPITRE II

DETECTEURS UTILISES POUR LA DOSIMETRIES DES RAYONNEMENTS
IONISANTS

II.1. Introduction

La dosimétrie des faisceaux de rayonnements consiste à mesurer une quantité dosimétrique expérimentalement en utilisant un système de dosimétrie qui doit posséder au moins un effet physique qui est une fonction de la quantité dosimétrique mesurée.

Les caractéristiques qui déterminent l'utilisation d'un détecteur donné de radiation dans une situation sont :

1) la linéarité de la réponse en fonction de la dose,

2) la dépendance de la réponse en fonction du débit de dose,

3) la dépendance de la réponse en fonction de l'énergie du faisceau,

4) la dépendance en fonction de sa direction par rapport au faisceau,

5) la résolution spatiale élevée et ses dimensions.

Bien qu?il existe plusieurs types de systèmes dosimétriques tels que les films et les dosimètres thermoluminescences, la chambre d?ionisation est généralement la mieux adaptée pour les mesures en radiothérapie. Contrairement aux films, la réponse dépend peu de l?énergie du rayonnement incident, et par rapport aux dosimètres thermoluminescents, elle est beaucoup plus facile et rapide à utiliser surtout pour les mesures relatives.

II.2. Détecteurs dosimétriques :

II.2.1. La chambre d'ionisation :

La chambre à ionisation est l?instrument utilisé pour mesurer la dose. Elle mesure une charge qui peut ensuite itre convertie en dose absolue. Lorsqu?un faisceau de radiation traverse de l?air, il éjecte des électrons des molécules par effet photoélectrique, par effet Compton ou production de paires. Ces électrons de haute énergie produisent des ionisations à leur tour. À l?intérieur de la chambre, il y a une cavité d?air avec deux électrodes. Un champ électrique est appliqué à l?intérieur de la chambre à ionisation avec l?aide de ces deux électrodes. Suite aux multiples ionisations, les charges positives se dirigent vers l?électrode négative et les charges négatives vers l?électrode positive. La charge collectée sur ces électrodes peut ensuite être mesurée par un électromètre. Plus il y a d?ionisations et plus il y a de charges collectées. La dose donnée est donc proportionnelle à la charge collectée. Pour calculer la dose, il est

nécessaire de connaître l?exposition. Cette dernière est définie comme étant le quotient de la charge totale collectée pour les ions d?un seul signe par unité de masse d?air :

Le volume de la chambre est très important car

dm ñ ~V II.1

Oil ñ est la densité de l?air et V représente le volume de la chambre.

Lorsque la chambre est placée dans l?eau sous un faisceau de radiation, elle devrait avoir peu d?influence sur l?ionisation produite. Elle ne devrait Vtre là que pour mesurer la radiation.

II.2.1.1. Chambres d'ionisation Farmer

Les chambres de type « Farmer » ont une construction spéciale qui leur permet de mieux réagir face aux gammes d?énergie différentes. De ce fait, la réponse qu?elles donnent est toujours très constante. En raison de leur forme très allongée, elles sont inutiles pour réaliser des profils de dose. Leur plus grande application se trouve dans les mesures de doses absolues. Généralement, leur volume sensible est d?environ 0.6 cm3, l?électrode centrale est en aluminium et la paroi extérieure est en graphite. Un exemple de chambre Farmer est illustré sur la figure.

Figure II.1. Chambre cylindrique de type Farmer fabriquée par PTW

Figure II.2. Diagramme d'une chambre cylindrique de type Farmer

II.2.1.2. Chambre d'ionisation plates

Une chambre d?ionisation parallèle-plat se compose de deux murs plats ; un comme fenêtre d?entrée et une électrode de polarisation, l?autre comme mur arrière et une électrode de rassemblant, aussi bien qu?un système d?anneau de garde 4. Le mur arrière est habituellement un bloc de plastique de conduite ou d?un matériel non conducteur (habituellement Polyméthacrylate de méthyle commercialisé sous le nom de plexiglas (PMMA) ou polystyrène) avec une couche de conduite mince de graphite formant l?électrode de rassemblement et le système d?anneau de garde sur le dessus. Un schéma de principe d?une chambre d?ionisation de parallèle-plat est montré dans figure II.3.

La chambre d?ionisation parallèle-plat est recommandée pour la dosimétrie des faisceaux

d?électrons avec des énergies en dessous de 10 Mev. Elle est également employée pour les

m esures de dose de surface et de profondeur dans la région de recouvrement électronique des

Les caractéristiques des chambres parallèle plat disponible dans le commerce et leurs

utilisations en dosimétrie de faisceau d?électrons sont expliquées en détail dans le TRS 381 et le TRS 398. Quelques chambres parallèle plat exigent la correction significative de
perturbation de fluence parce qu?elles sont équipées de largeur insatisfaisante de garde.[MAR04]

FigureII.3. ' IIEILIEPPHISAKe chaPEIHMIEte

1 : l?électrode de polarisation. 2 : l?électrode de mesure. 3 : l?anneau de garde. a : la taille (séparation d?électrode) de la cavité d?air. d : diamètre de l?électrode de polarisation. m : le diamètre de l?électrode de rassemblement. g : la largeur de l?anneau de garde.

II.2.1 .3. Electromètre :

La chambre d?ionisation est toujours utilisée avec un électromètre, un dispositif pour mesurer le courant induit par le passage du rayonnement dans la chambre. Un électromètre idéal devrait posséder un affichage numérique et avoir un pouvoir de résolution de quatre chiffre ou 0.01%. L?électromètre et la chambre d?ionisation peuvent être étalonnés séparément. Cependant, il arrive que
	Figure II.4. Electromètre UNIDOS

l?électromètre fasse partie intégrante du système de dosimétrie, et il faut alors étalonner la

chambre d?ionisation et l?électromètre comme étant un seul système de mesure. La figure II.3
représente l?électromètre de type PTW UNIDOS 20623 utilisé dans le cadre de notre travail.

II.2.2. Le Film Gafchromique :

Le film radiochromique est un nouveau type de film dans la dosimétrie de la radiothérapie. Le

plus communément utilisé est le Gafchromique. Ce film s?auto-développe, il ne requiert ni développeuse ni fixateur.

Les films Gafchromiques EBT2, les dignes successeurs des EBT apparus en 2004, se distinguent de leurs prédécesseurs par la réduction des couches actives de deux à une, l?incorporation d?un marqueur colorant dans cette dernière, passage du matériau de reliure d?une composition naturel à un polymère, et une sensibilité moindre à l?humidité ainsi qu?à la lumière.[LEW10]

II.2.1.1. Configuration st structure des Gafchromic EBT2 :

Le film Gafchromique est fait d?une combinaison de polyester stratifié et d?une couche active. Le substrat de polyester du film mesure 175 microns surmonté par une couche active de 28
microns d?épaisseur. La couche de polyester stratifié fait 50 microns avec approximativement 25 microns d'adhésif, sensible à la pression, collée sur le côté enduit du film actif.

La configuration des EBT2 est montrée sur la Figure II.5 [ARJ12]

Figure II. 5. dosimétrie et configuration du film Gafchromic[ARJ12]

Une des propriétés importantes des EBT2 est sa couleur jaune. Celle-ci résulte de la présence d'un colorant jaune incorporé dans la couche active. Le but principal de ce colorant, désigné sous le nom d'un colorant marqueur, est d'établir une référence par rapport à laquelle la réponse du film peut être mesurée. Par conséquent, il est maintenant possible d'employer un scanner RVB pour calibrer la réponse du film dans chacun des trois canaux de couleur et avec le logiciel spécial, Film QA pro 2010, pour diviser une image de film en pièces dépendantes de la dose et indépendantes. En faisant ceci, plusieurs artéfacts peuvent être éliminés, améliorant ainsi l'intégrité de l'image dépendante de la dose et l'exactitude de la dosimétrie. Le film dosimètre EBT2 est identifié par le numéro de lot sur l'extérieur de la boîte du produit. La date d'échéance, 30-mois de la date de fabrication, est également imprimée sur la boite.[LEW11]

II.2.1.2. Caractéristiques des films Gafchromic EBT2 :

Le film a été conçu pour mesurer des doses jusqu' au moins 30 Gy lorsqu?il est utilisé avec un scanner couleur RVB. Pour les doses dépassant 10Gy la réponse dans le canal rouge approche la saturation, ainsi dans le cas de la dosimétrie monocanal il est préférable de passer au canal vert. [SDF10]

Le film EBT2 a été conçu pour avoir une réponse qui est pratiquement indépendante en énergie partant de 100 keV jusqu'à la gamme du MV.

1- Manipulation et conservation :

Le film de GAFCHROMIC BT2 a été conçu pour être traité dans une lumière d?intérieure. ~ cet égard le colorant marqueur est salutaire, il rend le nouveau film 10 fois moins sensible à la lumière de la pièce que le produit original EBT. Néanmoins, le meilleur moyen d?assurer une performance maximale, est de garder les films exposés et non-exposés dans le noir lorsqu?ils ne sont pas utilisés. [ARJ12]

La date d?expiration des EBT2 suppose que le film sera gardé dans une chambre noire, à température ambiante (20°-25°C), loin de toute radiation. Aussi le film est plus performant s?il est conservé dans un environnement ou l?humidité relative est inférieure à 50% (% RH<50%)

2- Immersion dans l'eau:

La couche active du film EBT2 est protégée par deux substrats de polyester. Puisque la diffusion de l'eau dans le polyester est extrêmement lente le film peut être immergé dans l'eau pendant des périodes courtes sans endommagement permanent. Puisque les bords du film ne sont pas scellés, l'eau pénétrera la couche active. Cependant, la diffusion est assez lente pour que le film puisse être immergé pendant quelques heures et seulement la couche active à quelques millimètres des bords exposés sera affectée. Le secteur affecté est très évident parce qu'il développe un aspect opaque et laiteux lorsque l'eau est absorbée. ci-dessous, montre la gamme à laquelle l?eau pénètre le film à en juger par l'aspect blanc -laiteux aux bords.

3- Etalonnage

La calibration de la réponse du film est la première condition du protocole dosimétrique. Elle est primordiale dans l?établissement de l'exactitude et la reproductibilité du procédé global de mesure et d'évaluation dosimétrique.

Afin d?effectuer des mesures de doses à l?aide des EBT2 il est nécessaire de caractériser le rapport moyen entre la dose au film et la réponse déterminée quand le film exposé est mesuré sur l'instrumentation choisie. Les films doivent ~tre étalonnés pour couvrir la gamme s?étalant entre 0 et 3 Gy, qui est le domaine des doses rencontrées en radiothérapie

4- Mesure :

Le film de dosimétrie Gafchromic EBT2 peut être mesuré avec une variété d'instruments, y compris des densitomètres à transmission, des scanners de film et des spectrophotomètres, mais le dispositif préféré est le scanner couleur RVB. [SDF10]

Le film doit être mis à plat, parallèle à la glace du scanner, s?il est incurvé la réponse mesurée sera différente. Quand le film EBT2 est digitalisé sur un type de scanner la réponse est sensible à l'orientation du film sur le scanner. Tous les films doivent être scannés aux mêmes positions et avec les mêmes orientations.

5- Dosimétrie multi-canal:

La dosimétrie la plus fondamentale avec le film EBT2 emploie seulement la réponse du film d'un seul canal couleur. Pour des doses < 10Gy le canal rouge est préféré.

Cependant si les champs sont > 15cm ou les doses près des bords latéraux sont > 50cGy on préfère vivement employer la dosimétrie multicanale. Et s'il y a des doses sur le film plus hautes que 200cGy et ces zones sont à moins de 5 centimètres du bord du scanner alors la dosimétrie multicanale doit être employée. [LEW11]

6- Dependance en energie :

Les films Gafchromiques contiennent seulement le carbone, l'hydrogène, l'azote et l'oxygène et ont approximativement une réponse au kV 25% inférieure que celle du rayonnement MV. Le Gafchromique EBT2 contient des quantités mineures de soufre, de chlore, de sodium et de brome. Par conséquent, le film EBT2 devrait montrer une meilleure dépendance en énergie que les films radiochromiques précédents.

Si le film EBT2 est employé pour la dosimétrie absolue, il est important d'identifier les effets des changements post-exposition et d'adopter une méthode de travail pour mesurer tous les films, y compris des films de calibrage, en même temps après exposition. Puisque les effets des changements post-exposition sont proportionnels au log (temps) il serait préférable de ne pas mesurer ou scanner des films justes après l'exposition, parce que les erreurs au moment de la mesure pourraient avoir un effet significatif sur l'exactitude de la dose. Pour maintenir de telles erreurs petites, on suggère d'attendre 1-2 heures après exposition avant de mesurer ou scanner les films EBT2. S'il est possible d'attendre et scanner les films après environ 24 heures, un délai de deux ou trois heures devraient avoir un impact insignifiant sur l'exactitude.

Si un moyen indépendant de mesure de dose absolue est disponible et le film EBT2 est employé pour la dosimétrie relative, alors, les effets des changements de post-exposition du film peuvent être ignorés. Puisque tous les changements de post-exposition sont proportionnels, indépendamment de la dose, les films peuvent être mesurés ou scannés à tout moment après exposition.

7- Sensibilité à lumière blanche :

Bien que la composante active en dosimétrie des films Gafchromics ne soit pas particulièrement sensible à la lumière visible elle est comparativement plus sensible aux longueurs d'onde les plus courtes, bleues. Les espaces intérieurs sont habituellement éclairés avec des lampes blanches fluorescentes, ces sources produisent équitablement des proportions de lumière bleue, verte et rouge.

Le film Gafchromic EBT2 devrait être nettement moins sensible aux effets de l'exposition à la lumière que son prédécesseur. Cependant, parce que le film EBT2 n'est pas insensible à la lumière, il est des bonnes pratiques de réduire au minimum cette exposition en plaçant les films, exposés ou non, de nouveau dans leur boîte, juste après l'utilisation. L'établissement de cette bonne habitude réduisant au minimum l'exposition du film EBT2 à la lumière aidera à optimiser l'exécution du système de dosimétrie. [SDF10]

II.2.3. Le dosimètre thermoluminescent

La thermoluminescence (TL) est l?émission de lumière observée autour de températures bien définies (pic) quand on réchauffe un solide cristallisé dit phosphore, qui a subit au préalable une irradiation ionisante provenant de rayonnement naturel ou artificiel. Cette émission thermostimulée est connue depuis fort longtemps, vraisemblablement depuis la préhistoire, mais c?est Sir Robert Boyle qui le premier en fit la description scientifique. En 1663, il décrivit une (étrange et pâle lueur) émise par un diamant qu?il avait chauffé dans l?obscurité. Ce n?est qu?en 1945 que sera développée par J.T. Randall et H.F. Wilkins la première théorie permettant d?expliquer l?émission lumineuse lors du chauffage. [SFPM N°18-00]

Le domaine d?application de la TL est vaste allant de la physique du solide à la dosimétrie des rayonnements ionisants. Dans le cadre de notre étude nous nous sommes intéressés seulement à la propriété dosimétrique des détecteurs thermoluminescents (TLD).

La dosimétrie par thermoluminescence reste et restera encore pendant de nombreuses années une technique de choix pour la dosimétrie en radiothérapie. [HAB05]

Les TLD sont utilisés en routine pour la vérification de la dose délivrée lors des traitements par irradiation corporelle totale. Ils sont également utilisés dans différents programmes postaux pour des audits de qualité externe, permettant de contrôler la dose délivrée par les accélérateurs dans les conditions de références et de non références.

II.2.3.1. Généralités sur le cristal

a) Le cristal parfait

Le cristal parfait est un solide dont la structure est constituée de molécules ou d?atomes dans un réseau périodique. Le réseau est obtenu par translations dans toutes les directions d?une unité de base. Cette unité de base est le plus petit volume cristallin du réseau et est appelée maille élémentaire. Chaque élément de la maille est associé à un site bien défini autour duquel il peut effectuer des mouvements de vibration.

La théorie des bandes décrit la structure électronique d?un cristal. Cette théorie stipule que la périodicité d?un réseau cristallin est à l?origine d?un diagramme énergétique comportant des bandes d?énergies permises et accessibles aux porteurs de charges et des bandes d?énergies interdites. La dernière bande d?énergie permise est appelée la bande de conduction (BC).

La bande de valence (BV) est l?avant dernière bande d?énergie permise. Les électrons de valence des atomes sont situés dans cette bande. Les deux bandes sont séparées par une bande interdite aux électrons (BI) d?énergie Eg, également appelée gap. L?énergie Eg est une grandeur caractéristique du matériau (figure II.8) et représente l?énergie nécessaire à un électron de valence pour accéder à la bande de conduction.

b) Le cristal réel

Le cristal réel est un réseau d?atomes, dont la périodicité est perturbée ou rompue par des défauts. Si la perturbation est localisée au niveau d?un atome ou d?une maille élémentaire, on parle de défauts ponctuels. Lorsque les perturbations sont étendues au sein du réseau, on parle de défauts étendus S. Il existe plusieurs types de défauts ponctuels comme la lacune, les atomes interstitiels ou encore les impuretés chimiques. La lacune correspond à l?absence d?un atome sur un site normalement occupé. Les atomes interstitiels sont des atomes positionnés entre les atomes du réseau. La présence d?impuretés chimiques se rapporte à la présence d?atomes étrangers au réseau cristallin, en position interstitielle ou en substitution. Dans

le cas d?un cristal avec plusieurs types d?atomes, le remplacement d?un atome par un atome d?un autre type dans le réseau est appelé défaut anti-site. La figure montre les différents types de défauts ponctuels que l?on peut trouver dans un réseau cristallin constitué de deux types d?atomes A et B.

Figure II. 6. Différents défauts ponctuels dans un réseau cristallin

Les associations de défauts ponctuels dans un réseau cristallin sont possibles (Figure II.7). Dans le cas d?un cristal ionique on peut ainsi trouver l?association d?une lacune anionique et d?une lacune cationique. Cette association est connue sous le nom de défaut de Schottky. Le défaut de Frenkel correspond au déplacement d?une espèce du réseau cristallin de son site vers une position interstitielle. Il s?agit donc d?une association d?une espèce cristalline en position interstitielle et de la lacune associée. Les défauts ponctuels confèrent au cristal des propriétés spécifiques comme la couleur du cristal ou encore la conduction du courant électrique.

Figure II. 7. Exemples d'associations de défauts ponctuels: défaut de Schottky
(Lacune de 2 ions) et défaut de Frenkel (déplacement d'un ion)

Parmi les défauts étendus on distingue les défauts de volume et de surface comme les joints de grains. Ces derniers peuvent être définis comme la juxtaposition de deux grains. Des erreurs d?empilement d?atomes ou de plans modifient la périodicité du réseau cristallin au niveau d?au moins une chaîne d?atomes. Ainsi la rupture d?un plan atomique est appelée dislocation.

Les perturbations induites par les défauts introduisent des changements dans les niveaux d?énergie permis d?un cristal. Dans certains cas, la perturbation est suffisamment importante pour produire un état électronique localisé dans la bande interdite. Ces niveaux électroniques sont appelés pièges. Si un niveau possède une section efficace de capture des électrons très supérieure à celle des trous, se>>st, ce niveau est appelé piège à électrons. Dans le cas contraire, le niveau est appelé piège à trous. Certains de ces pièges peuvent être le siège de recombinaisons électron-trou, on dit alors qu?il s?agit d?un centre de recombinaison. Les pièges à électrons sont des niveaux donneurs d?électrons à la bande de conduction. Ces niveaux donneurs sont situés en dessous de la bande de conduction, tandis que les pièges à trous sont proches de la bande de valence. Les pièges à trous sont également appelés niveaux accepteurs d?électrons. Dans le diagramme de bandes d?énergie, les pièges suffisamment éloignés des bandes de conduction ou de valence ne sont pas perturbés par la température ambiante et sont appelés pièges métastables. Les pièges situés près du niveau de Fermi sont caractérisés par une section efficace de capture des électrons très proche de celle des trous (se ~ st) et sont donc en général des centres de recombinaison. Cependant, selon la température, les pièges à électrons (trous) suffisamment éloignés de la bande de conduction (valence) peuvent devenir des centres de recombinaisons.

Le schéma de bande de la (figure II.8) montre le cas d?un isolant ayant un piège à électrons situé à une énergie E sous le bas de la bande de conduction, un piège à trous situé à une énergie Ep au-dessus du haut de la bande de valence et deux centres de recombinaison situés de part et d?autre du niveau de Fermi caractérisé par Ef.

Figure II. 8. Schéma de bandes d'un cristal réel

L?énergie E (Ep) correspond à l?énergie nécessaire à apporter au cristal pour dépiéger un électron (un trou) d?un piège à électron (trou) vers la bande de conduction (valence). Cette énergie est appelée énergie d?activation du piège ou profondeur du piège.

II.2.3.2. Principe de thermoluminescence

La thermoluminescence est la propriété qu'ont certains matériaux d'émettre de la lumière lorsqu'on les chauffe, à condition qu'ils aient été au préalable soumis à une irradiation naturelle ou artificielle. Ce phénomène se produit uniquement sur des matériaux isolants ou à large gap. Cette technique est principalement utilisée pour la dosimétrie et la datation; elle est

aussi un puissant outil de caracterisation des defauts ponctuels dans les materiaux non conducteurs.

Figure II. 9. Principe de la Thermoluminescence

Le rayonnement ionisant va arracher un électron de la bande de valence et l?amener dans la bande de conduction ou il pourra circuler, retomber directement dans la bande de valence (très peu probable) ou dans un piège a électron P. Lorsque l?on chauffe le cristal, on apporte suffisamment d?énergie thermique pour transférer progressivement l?électron du piège dans la bande de conduction. Ne pouvant sejourner dans la bande de conduction, l?électron va retomber vers la bande de valence via le

centre de recombinaison ou piège à trou. L?énergie perdue lors de la recombinaison donnera naissance à un photon visible ultra-violetd?énergie

correspondante.[HAT07]

La courbe représentant L?intensité	Figure II 10. ~KHPRJ PPH~XQIRYiPq thermoluminescent

lumineuse de thermoluminescence en fonction de la temperature est appele courbe de thermoluminescence et est appelee egalement thermogramme (Figure II.10) :

II.2.3.3. Propriétés dosimétriques :

Dans cette partie nous allons decrire les proprietes des materiaux utilises en dosimetrie thermoluminescente. Ces proprietes sont analysees afin de determiner la performance des dosimètres utilises.

II.2.3.3.1. La réponse en fonction de la dose

C^?eTl^?rrilirrrrrmIiriVrrlnrnrl Mrri lIirrauriMilMirriiriil^?INTt Trir rlirMI MMInité par une radiation donnée. C^?erriThrilirilTh rillTin Mrllrlininiitrili

La courbe de réponse d?IllTosimINIe TIf TT 11111111VIII ITIMIT ^MIIIIe MINM MIMEIIIMIIIIIIMINIMuMIIII IIIM ^{IIIIIIIMIMINMIT} IMITIMITTIM (Figure II.11)

Figure II. 11. Réponse de LiF en fonction de la dose II.2.3.3.2. La réponse en énergie

INMilThriririlTIMMINMEMETrirriMilrilrilrffllllrerMiririMi l^?InrilTMINTIemIIiMirrts

TlrrTIVrrillrilrrlririMiiMMrindTriMiirMiirinrrnir d^?InTirrilirrirriririie (ì _En /ñ) llTiriniiMilrWliTTs

(FigureII.12) _lllrlIn 711111111111111111III 11117111711111 1111 111111 TIMMTITT111111111). en fonction de l?é11111 111111hoITTIIITINIenIMMIIIne INTTMoI IIIIIIIMI TIMMTI m1111111?111111r1

TIM TITIMITTIMINTIMITITIVIMMITTIMITIMITIIIIMITIMIET 1111111111111 ITTIMIMIIIomIVI?INfIIIMITINTIMM EIMIT[IIITT]

Figure II. 12. La réponse théorique en énergie de plusieurs dosimètres TL relative à celle de
l'air

De cette figure on constate que les LiF et Li2 B4 O7 sont particulièrement intéressants pour les mesures à faible énergie. Leurs réponses relatives à celle des tissus mous étant très voisines, on dit que ces produits sont "équivalents aux tissus mous".

II.2.3.3.3. Fading et Stabilité :

La mesure latente de la dose absorbée d?un phosphore TL correspond aux nombres

d?électrons qui sont retenus dans les différents niveaux de piégeage. Quant au fading, il correspond à la fuite d?une partie de ces électrons avant la lecture. Celui-ci peut être dû à une stimulation thermique ou optique.

Dans certaines publications (Ginjuame et al) des déviations de 10% par an ont été trouvées pour le LiF : Mg : Ti pour le Co-60 entre l?irradiation et la lecture. [GLE03]

CHAPITRE III

CARACTERISTISATION Des

dosimetres thermoluminescets

CHAPITRE III

CARACTERISATION DES DOSIMETRES THERMOLUMINESCENTS

III.1. Introduction

La thermoluminescence est un phénomène de phosphorescence activé par la chaleur. Le signal de luminescence est proportionnel à la dose reçue par le matériau TLD. Le dosimètre à thermoluminescence le plus fréquemment utilisé est constitué de cristaux de fluorure de lithium (LiF) mélangé à certaines impuretés. Il est considéré tissu équivalent. Il est vendu sous forme de poudre ou cube ou cylindre. Il a une bonne sensibilité. Les TLD perdent de la sensibilité avec le temps. Pour prendre en compte cette perte de sensibilité, il faut les étalonner pour chaque énergie et avant chaque utilisation. Leur réponse est linéaire dans le domaine des doses utilisées en cliniques.

III.2. Equipements utilisés dans le cadre de ce travail

Cette partie a été consacrée à la description de tous équipements et matériaux associes au dosimètre TL choisi, pendant ce travail.

III.2.1. / INQiNOVIrIDGIMPQ « cobalt-60 »

Pour l?étude de la reproductibilité, du fading et l?étalonnage, les capsules contenant la poudre LiF ont été irradiées au laboratoire d?étalonnage secondaire, en utilisant une unité de cobalt 60 de type Eldorado-78(Figure III.1). Le pupitre de commande de l?unité de cobalt permet de sélectionner le temps d?irradiation en minutes, avec un temps maximum de 20 mn.

Figure III.1.Unité de cobalt Eldorado 78 et sa console de commande.

III.2.2. Les fantômes (milieu de référence)

Un fantôme est un dispositif qui absorbe et diffuse les rayonnements approximativement de la mrme manière que le tissu biologique. Il permet d?étudier les effets de faisceau de rayonnement sur l?1tre humain, et mesurer toutes les grandeurs dosimétriques tel que : dose absolue, le débit, rendement en profondeur, profil......etc.«

Les caractéristiques des fantômes utilisés sont représentées dans le tableau et les figures suivants :

Tableau III.1 caractéristiques des fantômes

Model	Matériau		Dimension L(cm) x l(cm)x H(cm)
Fantôme MEDTEC à	Eau		40 x 40 x 40
PMMA	PMMA		20 x 20 x 15
Plaques Polystyrènes	polystyrène		30 x 30 x 30
Figure III.2.Fantôme MED- TEC		Figure III.3.Plaques de polystyrènes

Figure III. 4. Fantôme en PMMA + porte capsules et unité d?irradiation 60Co eldorado 78

III.2.3. Les supports LSED d'irradiation

Pour la réalisation des rendements en profondeurs et les profils du faisceau avec la TLD, nous avons utilisé deux supports différents, conçus par l?équipe du Laboratoire Secondaire d?Etalonnage pour la Dosimétrie et réalisés au niveau de l?atelier mécanique du Centre de Recherche Nucléaire d?Alger. Le premier support a été fabriqué en 2011 dans le cadre d?un mémoire de Magister en Physique Médicale et que nous avons utilisés dans le cadre de notre travail. Le deuxième, fabriqué pour les besoins de notre travail, est une amélioration du support précédent. Ces supports sont conçus de façon à pouvoir irradier plusieurs capsules de TLD en même temps, la différence entre les caractéristiques des supports utilisés est présentée dans le tableau et les figures suivants :

Tableau III.2 caractéristiques des supports portes TLD

Le support	la poudre dans	Le pas entre (les capsules ou les trous)(cm)	Nombre de points de mesures
Suppprt 1 (2011)	Des capsules	1	37
Support 2 (2012)	Des trous	0.5	73

Figure III. 5. Le nouveau support LSED

Figure III. 6. /¹rchiec support LSED

Figure III.7.Dimensions de la capsule

Figure III.8. Dispositif rotatif

Remarque :

Pour le support 2, nous avons réalisé des trous de même dimensions que les capsules, ce qui nous a SHP II O?RENWATI TP r P I NRlYP HOI ASRYOIF I7 / '

III.2.4. Dispositif rotatif

Le support étant appelé à être utilisé avec une inclinaison donnée pour la détermination des rendements en profondeur, ce dernier a été associé à un dispositif rotatif gradué de à 360° (Figure III.8).

III.2.5. Dosimètre TL

Dans le cadre de notre travail, nous avons utilisé la poudre de fluorure de lithium dopé au Magnésium et au Titane (LiF : Mg :Ti) connu sous le nom de TLD 100) . Cette poudre est contenue dans des capsules en téflon (Figure III.10).

le choix de LiF comme matériel thermoluminescent , en raison de son numéro atomique effectif (Zeff,LiF=8.14) proche de celui de tissu _(Zeff,tissu= 7.42) pour les faisceaux de hautes énergies.

Les principales caractéristiques du dosimètre utilisé TLD 100 sont suivantes+:

· 100% de Fluorure de lithium

· Densité : 2.64 g.cm-3

· 6SIMI OAPP BsiRn 7 / HEMET 6LMS°

· Température du pic principal de TL : 210 °C

· / MEP P HOWSRVIIRQUE1EDP 5 -105R

· Indépendant de débit de dose : >108 R/s

· Equivalent tissu Z_eff = 8.14

· Fading = 5% par an à 20 °C.

·

Figure III. 9.poudre TLD100 Figure III. 10. Capsules

III.2.6. Les capsules utilisées

La poudre est contenue dans des capsules en téflon de 3 mm de diamètre 22 mm de long et 1 mm d?épaisseur (Figure III.10). Ces capsules peuvent contenir 160 mg de poudre.

III.2.7. Doseur de poudre Comme la réponse des dosimètres TL dépend de la masse du matériau, nous avons utilisé un doseur type AIEA (FigureIII .11.) qui est un dispositif permettant d?administrer des petites quantités de poudre de même masse (27.5 mg) au lecteur TLD.

Figure III.11. Doseur AIEA

Les masses de doseur a été déterminée à l?aide d?une balance électronique de type BP211D dont la précision est de 0,01% (FigureIII .12).

Figure III.12. La balance utilisée

Pour obtenir une meilleure précision de mesure et éviter les erreurs de manipulations, Nous avons gardé, tout au long des travaux expérimentaux, les mêmes procédures de traitement suivantes :

ü Remplissage du doseur ;

ü Avec un outil métallique, tapé trois fois sur le doseur (pour mélanger uniformément la

poudre) ;

ü Verser la poudre au milieu de la plaque chauffante du lecteur TLD;

ü A l¹11i113H113u même outil métallique, disperser uniformément la poudre en tapant trois

fois sur la Plaque.

Figure III 13. Lecture Harshaw 4000

III.2.8. Lecteur

Le lecteur de dosimètres thermoluminescents utilisé dans le cadre de ce mémoire est de type universel Harshaw modèle 4000 (Figure III. 14). Ce lecteur comporte :

· Une plaque chauffante reliée à un thermocouple pour la mesure de la température.

· Un ensemble photomultiplicateur, préamplificateur et amplificateur pour la mesure de l¹émission lumineuse.

· Un filtre optique pour soustraire au maximum la lumière due à l¹émission thermique.

· Un système informatisé pour l¹acquisition et l¹interprétation des données.

Figure III. 14.610SWWQINTIMIT thermoluminescence

Le lecteur peut fonctionner en deux modes : mode calibration et mode chauffage. Le mode calibration teste la stabilite du système de detection. Le mode chauffage peut être lineaire ou en palier, la vitesse de chauffage de 0 à 30 °C/s.

Le chauffage par paliers comprend:

> le préchauffage qui vide les pièges de basse température, et qui s?effectue à une temperature comprise entre (20°C à 220°C) il peut durer jusqu?à 99 secondes. Cette phase permet d?eliminer (sans les prendre en compte) les pics instables relatifs aux pièges qui se vident à basse temperature, sans commencer à vider le pic dosimetrique.

> L?intégration du signal luminescence emise par les pics stables de la lecture qui commence à partir de la temperature de prechauffage jusqu?à la temperature maximum 240°C. et dans un temps raisonnable qui suit la loi suivante : [tlec= (Tmax-Tmin) / Debit] (Debit de chauffage °C/s)

> La regénération qui permet d?éliminer la luminescence résiduelle et restructuré le cristal. La vitesse de refroidissement varie entre le taux de refroidissement naturel et le taux de refroidissement de 1°C/s.

Figure III. 15.Cycle de chauffage du HARSHAW III.2.8.1. 5 0081114105011110¹8 ] Me

Le debit doit être constant pendant toute la duree des mesures. Pour ce faire, nous avons adoptecomme debit de travail la valeur de 300 cc/min (Figure III.17).

Figure III. 16. Variation de l'écart-type des lectures en fonction de débit de l'Azote [ARI06]. .

III.2.8.2. Réglage de la tension du lecteur

Pour le réglage de la tension de polarisation du photomultiplicateur du lecteur Harshaw 4000, nous avons étudié la réponse de ce lecteur en fonction de la polarisation, en utilisant la source interne. L?étude a été effectuée en présence et en absence d?azote. La (figure III.18), présente un plateau dont le centre est autour de 800V. C?est la polarisation qui a été choisie pour la suite de notre travail.

Figure III. 17.La réponse du signal de lecteur HARSHAW 4000
en fonction de la tension de PM

III.2.9. Four

Le four utilisé pour la régénération des dosimètres est de marque CARBOLITE. La température de chauffage est comprise entre la température ambiante et 1350 °C. Il possède un système de contrôle numérique qui nous permet de sélectionner la température de chauffage.
	Figure III 18 Four utilisé pour la régénération de la poudre

III.3. Caractérisation de la poudre TLD100

III.3.1. ' p'SFIP KJIMn lF/7 FP SN IE'pAIXXIMn

C?est le temps qu?il faut avant de procéder à la lecture des TL après l?irradiation. Il est nécessaire pour la stabilité de la réponse de TLD.Pour ce paramètre, nous avons adopté aussi les résultats obtenus par l?équipe du laboratoire [ARI06] qui a étudié les variations de l?écarttype des lectures en fonction du temps écoulé entre l?irradiation et la lecture.

La(Figure III.20), montre qu?une meilleure stabilité de la réponse de TLD est observée entre le 5^eme jour et le 21^eme jour après irradiation. Pour la suite de notre travail, toutes les capsules de TLD ont été évaluées 7 jours après l?irradiation.

Ecart-type (%)

3,0%

2,5%

2,0%

1,5%

1,0%

0 10 20 30

Temps (jours)

Figure III. 19. 97:XI7:IIRO:11-lW7:11-type en fonction de temps [ARI06]

Cycles de lecture des TLD100 est le suivant:

TLD 100

Température de préchauffage Tmin 135°C

Vitesse de chauffage 5°C/s

Température d?acquisition T max 240°C

Temps d?acquisition 30 s

III.3.2. Etapes d'évaluations de la poudre TLD100

L?évaluation des dosimètres TLD100 passe par plusieurs étapes décrites dans ce qui suit : III.3.2.1. Procédure de lavage : (recyclage de la poudre)

La poudre de TLD100 peut être réutilisée après un cycle de nettoyage :

ü On lave la poudre avec l?éthanol pour éliminer les impuretés.

ü Rinçage deux fois jà l?eau distillée.

ü On sèche bien la poudre de l?eau avant de la mettre au four à 80°C pendant 24h.

III.3.2.2. Procédure d'annihilation La poudre doit être annihilée avant et après chaque utilisation. Pour cela elle est versée dans un conteneur en acier inox (Figure III.21) et est placée dans un four. Le cycle d?annihilation utilisé est 400 °C pendant 1 heure suivi par 100°C pendant 2 heures. [ARI06] Après annihilation, la poudre est tamisée à l?aide d?un tamis pour éliminer les grains de diamètres

Figure III. 20.Conteneur en acier inox

inférieurs à 75um. La poudre est ensuite mise dans des capsules en polyéthylène.

Figure III. 21.Procédure d'annihilation de la poudre III.3.2.3. 3 locI3Gl1ffliillDdiation

Les capsules sont irradiées à la surface du fantôme dans les conditions suivantes.

· Distance entre la source est la surface du fantôme DSS = 80 cm ;

· Champ à cette distance 10 x 10 cm² ;

· Profondeur dans le PMMA = 5 cm

Figure III. 22. L'irradiation dans un fantôme PMMA III.3.2.4. Calculs du temps de traitement

Comme les dosimètres sont appelées à être utilisés pour la mesure des doses rencontrées en radiothérapie qui sont relatives à un fantôme d?eau, les temps d?irradiations doivent être calculés à partir des débits de dose absorbée dans l?eau. Une procédure de transfert de dose du fantôme d?eau au fantôme en PMMA a été effectuée au laboratoire, en réalisant deux mesures alternatives à l?aide d?une chambre d?ionisation placée une fois dans un fantôme d?eau et une

Les capsules

Annihilation dela poudre

autre fois dans un fantôme en PMMA, en utilisant les mêmes conditions géométriques d?irradiation citées au. Cette Procédure permet d?irradier les dosimètres dans le fantôme en PMMA avec des temps correspondant au fantôme d?eau selon le protocole dosimétrique de l?AIEA (TRS-398)

III.3.2.5. Evaluation des doses à l'aide de la TLD

La vérification des doses absorbées dans l?eau à l?aide de dosimètres thermoluminescents constitue un des premiers échelons d?un programme d?assurance de qualité en radiothérapie. Ce dernier nécessite l?exécution en ordre de plusieurs procédures qui sont appliquées par différents organismes nationaux et internationaux de contrôle de qualité. Pour la mise en place d?un tel programme d?assurance qualité, les étapes suivantes doivent être soigneusement suivies :

ü préparation de la poudre et remplissage de capsules en plastique équivalent tissu ;

ü Etalonnage des capsules (réponse en fonction de la dose) ;

ü L?étude du fading (perte de l?information emmagasinée dans le temps);

ü La réponse des dosimètres en énergie (dépendance énergétique) ;

ü L?évaluation de l?indice de qualité pour les faisceaux de rayons X à l?aide de TLD100;

ü Evaluation de l?exactitude et de la reproductibilité de système utilisé.

La dose absorbée dans l?eau D_w[Gy]" est calculée à partir du signal TL enregistré par le lecteur TLD, en utilisant la courbe d?étalonnage.

D_w = Dcal .kfad. ken 3.1

Avec:

Dcal étant la dose obtenue à partir de la courbe d?étalonnage en utilisant la réponse R du
dosimètre ; kfad est la correction pour le fading (perte de signal avec le temps) et _ken est la
correction pour la dépendance énergétique déterminé par rapport au faisceau de ⁶⁰Co). Dans

notre étude le facteur de dépendance énergétique est égal à 1.

III.3.2.6. Procédures d'étalonnage

a) Principe général d'étalonnage

Il s?agit de déterminer expérimentalement la réponse thermoluminescente en fonction de la dose absorbée. Il s?agit d?obtenir une correspondance entre la dose absorbée dans les tissus et la réponse thermoluminescente dans les conditions réelles du travail et dans la gamme de dose
utilisée. Cette correspondance, nous l?établissons à partir des valeurs expérimentales :

Elle doit avoir une forme linéaire, en référence aux propriétés du LiF aux faibles doses, c?est la droite d?étalonnage, cette droite d?étalonnage permet de calculer à partir d?un signal thermolumenescent, la valeur de la dose absorbée correspondante dans les tissus.

L?étalonnage des détecteurs a été effectué en irradiant les capsules avec les doses suivantes (1.2, 1.5, 1.8, 2, 2.3, 2.5 et 2.8) Gy.

b) Etablissements de la droite d'étalonnage

Les dosimètres irradiés ont été évalués en suivant le protocole de lecture décrit précédemment. L?établissement de la droite d?étalonnage, de la réponse thermoluminessente en fonction de la dose s?obtient par régression linéaire.

TL= a D + b 3.2

Ou TL est la réponse du dosimètre thermolumenescent ; D est la dose communiquée ; a est la pente de la droite d?étalonnage et b est le bruit de fond total (de la TLD + lecteur).

La courbe d?étalonnage de dosimètre TLD100 est représentée par la courbe de la figure III.24

1

Signal de TL (nC)

140000

120000

00000

80000

40000

60000

20000

0

y = 6275,5x + 45655
R² = 0,9985

1.2 1.5 1.8 2 2.3 2.5 2.8

Dose (Gy)

Figure III. 23.courbe 0¹901TD/e

c) Détermination de facteur de Fading

Pour mettre en évidence le phénomène de fading, ou perte de signal avec le temps, un lot de capsules a été irradié à 2Gy. Les capsules ont étés ensuite gardées et stockées à l?abri de la lumière à température ambiante.

Ces capsules ont été évaluées périodiquement à raison d?une capsule par semaine dans les mêmes conditions. Les résultats sont présentés sur la (Figure III.24)

0,99

0,98

0,97

0,96

0,95

0,94

0,93

1,02

1,01

1,00

fading 2003 fading 2006 fading 2007

Fading 2010 Fading 2011 Notre Travail

Lecture normalisee a 7jours

1 3.4

ad

ad

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

Temps écoulé At aprés irradiation (jours)

Figure III. 24. Courbe de fading

Tous les points de la figure III.25 peuvent être représentés par une courbe de la forme :

_ad = 0.96 95 + 0.0305 . e -(At-7) /40 3.3

Cette courbe illustrée les variations du signal TL, normalisé à 7 jours pour être en conformité avec la procédure d?étalonnage, en fonction du temps écoulé depuis l?irradiation.

Le facteur de correction pour fading est donné par :

UUUUUUUU UU

UosiMtTRiE RELATivE

(11 tTHoDEs ET RtsULTATs)

CHPITRE IV

DOSIMETRIE RELATIVE (METHODE ET MESURES)

IV.1. Introduction :

La dosimétrie relative des faisceaux de photons et d?électrons de haute énergie constitue une étape importante avant utilisation pour le traitement des tumeurs en radiothérapie.

Parmi les paramètres à vérifier, les profils des faisceaux ainsi que les rendements en profondeurs nécessitent plusieurs mesures à l?aide d?une chambre d?ionisation suivies d?un certain nombre de calculs pour la normalisation des valeurs. En absence de fantômes automatiques, ces mesures deviennent onéreuses lorsqu?elles doivent etre effectuées pour plusieurs tailles de champ et profondeurs.

U n système de dosimétrie relative a été conçu et réalisé au Laboratoire Secondaire d?Etalonnage pour la Dosimétrie du Centre de Recherche Nucléaire d?Alger. Ce dernier permet de déterminer expérimentalement les profils des faisceaux et les rendements en profondeurs grâce à une irradiation simultanée de plusieurs capsules remplies de poudre

TLD.Ce dispositif est décrit au chapitre III.

Le présent chapitre présente les résultats des mesures expérimentales effectuées dans l?unité de ⁶⁰Co du LSED.

IV.2. Mesures des Rendements en profondeur

IV.2.1. Méthode de mesure

IV.2.1.1. Avec TLD100

a) Méthode d'irradiation :

ü Un lot de 19 capsules remplies de poudre TLD100 ont été placées le long du
support numéro 1, avec un pas de 2 cm entre chaque capsule figure IV.1(b)

ü Le support a été placé dans la cuve d?eau (Fantôme MED-TEC) avec le dispositif rotatif.

ü Nous avons déterminé l?angle d?inclinaison optimal permettant à toutes les capsules d?être dans le champ d?irradiation.

ü La première capsule a été placée à une profondeur de 0.5cm dans l?eau.

Le schéma expérimental et les figures suivantes illustrent la méthode suivie :

a) Géometrie d'irradiiation des capsules b) Le support incliné avec un angle á

Figure IV. 1. Positionnement du support pendant l'irradiation

b) Calcul de l'inclinaison optimale

Pour la détermination de cet angle optimal, nous avons posé comme hypothèse de départ que toute capsule d?ordre n ne doit pas ~tre cachée par la capsule supérieure (d?ordre n-1) (effet d?ombre). Le schéma de la figure IV.2. Illustre la méthode utilisée pour calculer cet angle minimal.

(a) (b)

Figure IV. 2 Calcul de l'angle minimal d'inclinaison du support porte capsules

D?après la figure IV.3a nous avons :

4 a = ANIE E 1E.1

Par conséquent, pour éviter des problèmes dus à l?effet d?atténuation du faisceau par les capsules supérieures, l?angle d?inclinaison du support porte capsules doit être supérieur ou égal à 14.5°. Dans notre travail, nous avons décidé d?être conservateurs et nous avons pris un angle de manière que les projections des limites des deux capsules s?écartent d?une distance additionnelle de 2 mm (voir figure IV.3b).

Ceci donne comme valeur pour l?angle

IV

4 a = NEM E

En pratique néanmoins, en plaçant le dispositif, l?angle a été trouvé égal à 21.8° à cause des

vis de serrage du support.

Par ailleurs, il faut s?assurer de deux conditions essentielles

1- Pendant l?irradiation, les capsules doivent se trouver dans le champ d?irradiation (matérialisé par le champ lumineux). 2- La capsule la plus profonde doit être placée à une profondeur telle que la marge de 5 cm soit assurée avec le fond du fantôme. Pour vérifier ces conditions, il y?a lieu de calculer la ? distance latérale entre la capsule centrale (capsule numéro 10) et la capsule la plus éloignée (la première capsule placée à z=0.5 cm et la capsule numéro 19) ainsi que la profondeur de la capsule 11oE 19H" IIIEalcul est FI 2 effectué en utilisant le schéma de la figure IV.3. D?après cette figure, nous avons :

Figure IV 3. Calcul des distances latérales et profondeurs des capsules

IV

Ceci nous donne pour la taille du champ de 15 cm X 15 cm

Abscisses de la première et dernière capsule : x = +/- 18 * sin (21.8) = 6.68 cm La profondeur de la dernière capsule : z = 2 x y = 36 * cos (21.8) = 33.4 cm

Nous voyons que les capsules sont effectivement à l?intérieur du champ d?irradiation et une marge suffisante est laissée au-delà de la dernière capsule (le fantôme utilisé est un (40 cm X 40 cm X 40 cm).

C) Détermination de la profondeur des capsules en fonction de l'ange d'inclinaison :

Les capsules sont irradiées à l?aide de leur support dans un fantôme d?eau comme expliqué précédemment avec une inclinaison á = 21.8 ° figure IV.4.

Pour déterminer la profondeur effective de chaque capsule, nous avons procédé de la manière suivante :

ü La cuve d?eau doit ~tre ajustée à 0°

ü Le support ajusté pour un angle á = 21.8°

ü La première capsule est placée à une profondeur de 0.5 cm

ü Sachant que la distance entre deux capsules voisines est de 2 cm, la distance l_n (en cm) entre la première et la niéme capsule est donnée par

en = (n-1) * 2

ü La profondeur Z_n(en cm) de la niéme capsule est alors

Z_n = 0.5 +l_ncos(á)

á étant l?angle d?inclinaison du support

Figure IV. 4. Géométrie utilisée pour l'irradiation

des capsules pour les PDD

porte capsules.

d) Conditions d'irradiation pour: > Champ de 15cm X 15cm

Avec le support incliné d?un angle de 21.8°, cette taille du champ de 15cm x 15cm couvre les 19 capsules sans que aucun chevauchement entre elles (figure IV.2). Les irradiations ont été effectuées dans l?unité de ⁶⁰Co à une DSP de 80 cm pour une dose voisine de 2Gy.

> Champ de 10cm X 10cm

Pour cette taille du champ, nous avons gardé la même position du support (á = 21.8°) sauf que uniquement 11 capsules ont été utilisées pour garantir une irradiation dans le champ. De même manière, la 1^ère capsule a été placée à une profondeur de 0.5cm. L?irradiation a été effectuée dans les mêmes conditions que précédemment.

Une fois l?irradiation effectuées, nous avons placé sur chaque capsule une étiquette avec la

référence correspondante à la géométrie utilisée.

Les capsules ont été évaluées 7 jours après l?irradiation pour etre en conformité avec la procédure d?étalonnage et d?évaluation décrite au chapitre III.

IV.2.1.2. Avec une HOF EUICMINOtion

A des fins de comparaison des résultats de mesures obtenus pour les tailles du champ de 10 cm x 10 cm et 15cm x15cm avec la TLD, nous avons déterminé expérimentalement le rendement en profondeur avec une chambre plate de type MARKUS (figure IV.5) pour les mêmes tailles du champ. Les mesures ont été effectuées en déplaçant la chambre dans l?eau avec un pas de 0.1cm entre 0 et 1 cm et un pas de 0.5cm entre 1 et 10 cm puis par pas de 1cm

a) Matériel utilisé

Instruments/ Equipements Type / Modèle/N°de série

Electromètre PTW UNIDOS T100012-20623

chambre d?ionisation Chambre plate PTW 23343-2733

Source de rayonnement 60C

b) Conditions d'irradiations:

ü DPS à 80 cm

ü Le champ d?irradiation est défini à la surface du fantôme

ü Le point effectif de la chambre plate (située sur la surface interne de la fenêtre d?entrée) doit etre placé à la profondeur considérée

La géométrie d?irradiation est illustrée par la(Figure IV.5)

c) Géométrie d'irradiation a) Positionnement de la chambre plate

Figure IV. 5. Détermination des rendements en profondeur avec une chambre plate IV.2.1.3. Avec le film Gafchromic

Pour la détermination des rendements en profondeur avec les films Gafchromic, Nous avons utilisé le même support TLD positionné verticalement sur lequel le film a été scotché (Figure IV.6). Nous avons vérifié que pendant l?irradiation, le film reste parfaitement vertical et ne présente pas d?ondulations.

a) Géométrie d'irradiation b) Irradiation du film avec le ⁶⁰Co

Figure IV. 6. Détermination des rendements en profondeur avec le film Gafchromic

a) Condition d'irradiation pour les deux champs (10 cm x 10 cm et 15 cm x 15)

ü DSP à 80cm

ü Le film est placé sur l?axe de faisceau (Figure IV. 7)

IV.2.2. Résultats de mesures des rendements en profondeur et interprétation

Pour avoir une idée sur la reproductibilité du signal de thermoluminescence, nous avons tracé sur la (figure IV.7).Les variations de ce signal en fonction de la profondeur. Les barres d?erreur sur cette figure représentent 2d (Deux fois l?écart-type), qui correspond à un intervalle e confiance de 95 %. Nous remarquons que la reproductibilité est meilleure à des profondeurs importantes.

Signa TL (nC)

40000

35000

30000

25000

20000

15000

10000

5000

0

0 5 10 15 20 25 30 35 40

Profodeur dans l'eau (cm)

Figure IV. 7. Reproductibilité du signal de thermoliuminescence

Les résultats des mesures des rendements en profondeur sont illustrés par la figure IV.8. pour la taille du champ de 10 cm x 10 cm et par la figure IV.9. Pour la taille du champ 15 cm x 15 cm. Ces figures montrent clairement que les rendements en profondeur déterminés à l?aide de la TLD, de la chambre d?ionisation et des films Gafchromic sont parfaitement confondus. En raison de disponibilité des films Gafchromic, le rendement en profondeur a été mesure uniquement pour le champ 15 cm x 15 cm. Par ailleurs, les mesures sont parfaitement - concordantes avec les résultats publiés par le British Journal of Radiology pour le même faisceau et pour les mêmes tailles du champ.

IV.2.2.1. Pour le champ 10 cm X 10 cm

TLD nouveau support BJR 25 Chambre d'ionisation

Dose relative (%)

120

100

40

80

60

20

0

0 5 10 15 20 25

profondeur Z (mm)

Figure IV. 8. Rendement en profondeur pour un champ 10 x 10 cm2

IV.2.2.2. Pour le champ 15 cm X 15 cm

Dose relative (%)

120

100

40

80

60

20

0

TLD-nouveau support BJR 25

chambre d'ionisation plate GAFCHROMIC

0 5 10 15 20 25 30 35

Profondeur z (mm)

Figure IV. 8. Rendement en profondeur pour un champ 15 x 15cm2

IV.3. Mesures des Profils IV.3.1. Méthode de mesure IV.3.1.1. Avec TLD100 a) Description de nouveau support LSED Pour la mesure expérimentale du profil du faisceau, le dispositif précédent a montré sa limite au niveau de la pénombre en raison de la distance entre les capsules égale à 1 cm. Un nouveau support analogue au précédent a été conçu (Figure IV.10). Ce support, décrit au chapitre III, est réalisé avec des trous de volume voisin de celui des capsules TLD. La distance entre chaque trou

est de 0.5 cm. Cette conception a pour but d?avoir plus de points dans la zone de pénombre. Par ailleurs, contrairement au support précédent, oil les capsules sont insérées dans les trous correspondant, dans le nouveau support, les trous sont remplis avec la poudre TLD et l?ouverture est bouchée avec des bouchons en plastique (Les mrmes bouchons des capsules utilisées précédemment). Une fois irradié, tout le dispositif est placé dans une enveloppe étanche à la lumière.

b) Méthode et conditions d'irradiation :

Le profil a été mesuré selon l?axe Y.En premier lieu, le support a été placé horizontalement à la surface du fantôme. Le niveau a été vérifié jà l?aide d?un indicateur digital de niveau (Figure IV. 10). Le support est ensuite immergé dans l?eau à une profondeur de 5 cm Dans cette étape, nous avons réalisé deux irradiations avec le même support : une fois avec un champ de 15 x 15 cm^2 en utilisant les dosimètres de droite et une autre avec un champ de 10 x 10 cm^2 , en utilisant les dosimètres de gauche. Les deux plages de capsules

Figure IV. 11. Mise en place du nouveau support TLD

sont séparées par une plage vide (Figure IV.12).

(a) Irradiation avec un champ 15 x 15 cm² (b) Irradiation avec un champ 10 x 10cm²

Figure IV.12. Méthode utilisée pour efILD3131RnATesAdRs1Pq3resALFIcAIesAdWAcIIP Ss La figure suivante illustre la procédure d?irradiation avec le nouveau support :

L?irradiation avec les deux champs a été faite dans les mrmes conditions :

ü DSP = 80 cm

ü Une profondeur de 5 cm

ü Une dose de 2 Gy

ü Pour chaque champ on fixe sur le trou situé sur l?axe central du faisceau une étiquette comme une référence.

IV.3.1.2. $ 11-F LIIFICP EL1- OIIKIIIINFn :

Les profils des faisceaux, selon la même direction y et pour les mêmes tailles du champ ont été déterminés à laide d?une chambre cylindrique étanche de type PTW 30013.

Instruments/ Equipements Type / Modèle/N°de série

Electromètre PTW UNIDOS T100012-20623

chambre d?ionisation Chambre farmer PTW 30013

Source de rayonnement Source de 60Co

a) Procédures d'irradiation

ü Pour chaque étape d?une nouvelle irradiation on ajuste la cuve d?eau à l?aide d?un niveau digital ;

ü La chambre est ensuite placée sur l?axe de faisceau (figure IV.13(b)). La chambre

ü Pour les mesures du profile, la chambre est déplacée avec un pas de 0.5 cm jusqu?à 7 cm et avec un pas de 0.1 cm jusqu'à 10cm. Ce déplacement permet de mesurer avec précision le profile dans la région de la pénombre.

Le positionnement de la cham

(a ) (b) (c)

Figure IV.13. Positionnements de la chambre lors de l'irradiation

b) Conditions d'irradiations

ü DSP = 80cm

ü Une profondeur de 5 cm

ü Champ de 15 cm x 15 cm

IV.3.1.3. Avec le film Gafchromic :

Pour les mesures de profils avec les films Gafchromic, Nous avons utilisé le même support TLD avec une autre plaque de même nature positionnés horizontalement sur lequel le film a été scotché (Figure IV.14). Nous avons vérifié que pendant l?irradiation, le film reste parfaitement horizontal. Nous avons réalisés les memes conditions d?irradiation pour les deux champs (10 cm x 10 cm et 15 cm x 15 cm) :

ü DSP 80 cm

ü La profondeur à 5cm

ü Une dose de 2 Gy Les figures suivantes illustrent la fixation et l?irradiation du film

a) Fixation de film b) irradiation du film avec le ⁶⁰Co

Fig. IV.14. Détermination des profils des faisceaux avec le film gafchromic

Les films, une fois irradiés, sont lus à l?aide d?un scanner de type EPSON PERFECTION V750 PRO en mode transmission. Les images scannées sont traitées à l?aide d?un logiciel spécialisé (FilmQA Pro qui permet de récupérer les données des profils et des rendements en profondeurs. La figure IV.15 représente la photo d?un film irardié obtenu à partir du scanner.

Figure IV.15 71TPDIe71scDTée71EI'un71IiIP 71GDPMRPIc71IIIDEIié

IV.3.2. Résultats expérimentaux et interprétation

Les résultats des mesures des profils, sont illustrés par la figure IV.16 pour la taille du champ de 10 cm X 10 cm et par la figure IV.17 pour la taille du champ 15 cm X 15 cm.

Les deux figures montrent que les profils déterminés avec la chambre d?ionisation, la TLD et le film gafchromix sont parfaitement confondus. Par ailleurs, nous remarquons que les trois techniques mesurent avec précision le profil dans la zone de pénombre.

IV.3.2.1. Champs de 10 cm x 10 cm

10 cm x 10 cm

110

100

40

90

80

70

60

50

30

20

10

0

L(x) / L(0) x 100

Chambre

TLD

gafchromic

-10 -9 -8 -7 -6 -5 -4 3 -2 a 3 -

Drmtance au^-c^lentre du fa^Aisceau (cm) 4 5 6 7 8 9 10

Figure IV.16 13 r12uil1sfl12Q1lIETf1:1S12Xr1XQ 1I+KEPS1101cm x 10 cm

IV.3.2.2. Champs de 10 cm x 10 cm

-15 -14 -13 -12 -11 -10 -9 -8 -7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15

Distance au centre du faisceau (cm)

15 cm x 15 cm Chambre

100

TLD

⁹⁰ Gafchromic

110

80

40

70

60

50

30

20

10

0

L(x) / L(0) x 100

Figure IV.17. Profil selon l'axe Y pour un champ 15cm x 15cm

CONCLUSION

CONCLUSION

Notre travail a été entrepris dans le but de développer le système de dosimétrie relative des faisceaux de photon à l?aide de dosimètre thermolumenescent. Par dosimétrie relative il faut entendre rendements en profondeur et profile des faisceaux.

Pour la réalisation de ces travaux, nous avons utilisé deux supports réalisésau niveau de l?atelier mécanique du CRNA. Le premier support réalisé en 2011, permet d?irradier simultanément 36 capsules remplies de poudre avec des espacements de 1 cm. Ce dernier a été utilisé pour la mesure des rendements en profondeur. Le second support, conçu dans le cadre de notre travail, est identique au précédent, sauf qu?il présente des trous de mêmes dimensions que les capsules TLD, permet d?avoir 73 mesure et de contenir directement la poudre. La distance entre les trous est de 5 mm. Ce support a été utilisé pour la mesure des profils.

Pour la détermination expérimentale des rendements en profondeur, le support 1, dotée de capsules espacées de 2 cm (une capsule sur deux), a été irradié avec une inclinaison, telle que, d?une part toutes les capsules soient située dans la partie homogène du faisceau, et d?autre part, tel que toute capsule inférieure ne soit pas cachée par la capsule supérieure. La profondeur effective de chaque capsule a été calculée en tenant compte de cette inclinaison.

En ce qui concerne la mesure des profils des faisceaux, le second support est plus adapté parcequ?il permet d?effectuer des mesures précises dans la zone de pénombre.

Les rendements en profondeur et les profils ont été mesurés pour deux tailles du champ : 10cm X10cm et 15cm X 15cm. Pour valider nos mesures avec la TLD, nous avons aussi effectués des mesures de ces deux paramètres et pour les mêmes tailles du champ avec une chambre d?ionisation et des films gafchromics. Par ailleurs, les mesures ont été comparés avec ceux publiés par le British Journal of Radiology pour les mêmes conditions.

Les résultats obtenus sont très encourageant, parcequ?ils ont permis de montrer que les profils et les rendements en profondeur sont parfaitement confondus.

Ces résultats montrent clairement que le système que nous avons développé permet de mesurer avec précision les rendements en profondeur et les profils.

Nous proposons d?étendre le travail que nous avons effectué au Laboratoire Secondaire d?Etalonnage pour la Dosimétrie, pour inclure les faisceaux de photons de haute énergie.

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