Caractrisation dune camra Compton compose de deux blocs

Caractérisation d’une caméra Compton composée de deux blocs de Ce. Br 3 couplés à des d. Si. PMs Journées communes du Gd. R Mi 2 B et de la SFPM 2019 SARA DA IZ O, BR AHIM MEH ADJI , MATHIEU DUPONT, CHRISTIAN MOREL Aix Marseille Univ, CNRS/IN 2 P 3, CPPM, Marseille, France 04/03/2021 NANTES 1

Une Caméra Compton (CC) développée dans le cadre du projet Temporal Développer une caméra Compton composée de cristaux à scintillation pour le démantèlement nucléaire avec les spécifications suivantes : Portable et de petite taille Capable d’effectuer de la spectrométrie Un large champ de vue Une haute résolution spatiale Capable de détecter des rayons gamma entre 200 ke. V to 2 Me. V • Capable d’imager simultanément des sources radioactives émettant à des énergies différentes • • • Mais aussi pour le monitoring patient en hadronthérapie (CLa. Ry. S-UFT) 04/03/2021 NANTES 2

Caméra Compton - Principe de fonctionnement 04/03/2021 NANTES 3

Principe de fonctionnement 04/03/2021 NANTES 4

Résolution angulaire FWHM 04/03/2021 NANTES 5

Résolution angulaire et sensibilité • Quand d ↗ : la résolution angulaire Δα ↗ mais la sensibilité S ↘ • La sensibilité S depend de e 1 • Les incertitudes de mesure sont en (∆x 1=∆y 1), (∆x 2=∆y 2), ∆z 1 et ∆z 2, la résolution en énergie ∆E/E lorsque E = 511 ke. V 04/03/2021 NANTES 6

Étude Monte-Carlo pour l’optimisation de la caméra à l’aide de GATE 20 m • Simulations dans l’aire • Surface de detection = 10 x 10 cm Pour estimer la résolution angulaire, les ellipses sont sommées, puis un fit gaussien 2 D est effectué 40 m 04/03/2021 NANTES 7

Étude Monte-Carlo pour l’optimisation de la caméra à l’aide de GATE d = 8 cm, e 2 = 3 cm 04/03/2021 e 1 = 0. 25 cm pour E = 200 ke. V, et 1. 5 cm pour E = 2 Me. V et E = 662 ke. V, (Δx=Δy) = 1 mm, Δz = 5 mm, ΔE/E = 10 % @ 511 ke. V NANTES 8

Développement d’un algorithme de reconstruction d’images Sources de même activité 04/03/2021 NANTES 9

Développement d’un algorithme de reconstruction corrigeant la variation de la sensibilité en fonction de l’énergie des photons Sans incertitudes de mesure Spectre de mesures (bleu) et spectre corrigé par l’algorithme (orange). Données issues d’une simulation Monte-Carlo avec GATE pour des sources de mêmes activités 04/03/2021 Avec incertitudes de mesure Images spectrales reconstruites après simulations Monte-Carlo avec GATE NANTES 10

Diffuseur Ce. Br 3 : 30 mm x 5 mm Absorbeur Ce. Br 3 : 30 mm x 12 mm Distance diffuseur-absorbeur de 27 mm Plan de mesure à 35 cm de la caméra Caractérisation de la caméra Compton développée par Damavan basée sur des Si. PMs digitaux (Stage de Sara Daizo)

Caméra Compton - Principe de fonctionnement Interaction d’un rayon gamma dans le cristal Cristal de Ce. Br 3 Matrice de Si. PMs (collectent les photons optiques) Module de détection 04/03/2021 NANTES 12

Présence d’événements de rétrodiffusion Photon incident Diffuseur Photons de 511 ke. V : 04/03/2021 Absorbeur E 1 = 170 ke. V Énergie du photon rétrodiffusé E 2 = 341 ke. V Énergie cinétique de l’électron NANTES 13

Simulation Monte Carlo des spectres en énergie Diffuseur Absorbeur Spectres en énergie pour le diffuseur et l’absorbeur simulés versus l’expérimental pour une source ponctuelle de 511 ke. V 04/03/2021 NANTES 14

Sélection des diffusions vers l’avant pour estimer la résolution angulaire de la camera Spectre en énergie du diffuseur 04/03/2021 La résolution angulaire est donc au mieux de 10. 6 ° La résolution angulaire mesurée est cohérente avec les estimations effectuées à l’aide de GATE NANTES 15

Calcul de L’ARM (Angular Resolution Mesure) avec les évènements diffusés vers l’avant Point source Cône mesuré Diffuseur Représentation de la distribution de l’ARM des évènements sélectionnés + fit gaussien avec une FWHM de 10. 5° 04/03/2021 NANTES Absorbeur 16

Mesure de la sensibilité de la caméra Reconstruction d’image sans correction de la sensibilité. Erreur relative de 16. 5 % Reconstruction d’image avec correction de la sensibilité. Erreur relative de 7. 5 % Asymétrie due à la présence d’un Peltier sous la caméra 04/03/2021 NANTES 17

Conclusion Un premier prototype de caméra Compton a été caractérisé et l’algorithme de reconstruction d’images développé au CPPM a pu être validé. Pour une distance entre le diffuseur et l’absorbeur de 2. 7 mm, une résolution angulaire de 10. 5° a été mesurée et correspond aux premières estimations effectuées par simulation L’efficacité intrinsèque mesurée est de (0, 33 ± 0, 05)‰ à 511 ke. V pour une distance source-détecteur de 1 m 80 Pour limiter la détection de rétrodiffusions, la distance entre le diffuseur et l’absorbeur devra être augmentée afin de s’appuyer sur le temps de vol pour sélectionner les diffusions Compton vers l’avant aux dépens d’une perte de sensibilité 04/03/2021 NANTES 18

Merci pour votre attention S. Daizo, B. Mehadji, M. Dupont, C. Morel mehadji@cppm. in 2 p 3. fr Centre de Physique des Particules de Marseille (CPPM) Aix Marseille Univ, CNRS/IN 2 P 3, CPPM, Marseille, France 04/03/2021 NANTES 19

Reconstruction d’événements Compton et interactions multiples dans le cristal On calcule la proportion entre le maximum et le nombre total de photons détectées Nombre de photon détecté par Si. PM (matrice 8 x 8 couplé à un crystal de Ce. Br 3 de 0. 5 x 3. 2 cm) 04/03/2021 On garde les évènements pour lesquelles la proportion est élevée NANTES 20

Suppression des évènements avec interactions doubles dans le cristal et reconstruction du pic à 511 ke. V Image avec coupure, spectre recalibré LM-MLEM 10 iterations Image sans coupure, spectre recalibré LM-MLEM 10 itérations 04/03/2021 NANTES 21

Reconstruction sur un mur distant (assez pour considérer xdiff ydiff et zdiff=0) Permet de réduire la taille de la matrice de reprojection dans le cas de MLEM ou SART 04/03/2021 NANTES 22

Reconstruction mutli-énergies LM-MLEM vi 04/03/2021 Proportion d’ellipse présente sur le plan NANTES 23

Measurements uncertainties and angular total uncertainty Δx 1Δy 1 Δθx 1 y 1 Diffusor Absorber • The same reasoning is applied for the other uncertainties in position 04/03/2021 NANTES 24