Projet MONIDIAM 090615 D Dauvergne J Collot A

Projet MONIDIAM 09/06/15 D. Dauvergne, J. Collot, A. Bes, A. Gorecki, J. Y Hostachy, J. F Muraz et M. Yamouni 09/06/2015 Journée Diamant 1

Plan • Contexte – Hadronthérapie – Besoin d’un détecteur diamant • Activités en cours: – Caractérisation des diamants+électroniques • Expériences réalisées : 90 Sr, Genepi. • GANIL • Expériences à mettre en œuvre : Centre Lacassagne, source Am (alpha), ESRF – Développement d’un nouveau banc de test – Design d’un porte échantillon • Perspectives: – Amincissement des diamants – Cahier des charges de l’ASIC et de l’acquisition 09/06/2015 Journée Diamant 2

Contexte Hadrontherapie • Traitement du cancer par irradiations de hadrons: – Technique basée sur la position du pic de Bragg: localisation du dépôt d’énergie • Importance de la balistique: – Mauvais positionnement de quelques mm engendre un sous-dosage tumoral et un surdosage des tissus sains Calcul de dose X-rays - 8 fields 09/06/2015 Carbon - 2 fields Journée Diamant LET (ke. V/µm) Last millimeter p 0. 5 p 10 C 200 3

Contexte Hadronthérapie: Imagerie et Contrôle en ligne du traitement • Objectif: contrôle en ligne et en temps réel – Vérification du parcours des particules – Réduction des marges appliquées • Contexte: collaboration nationale CLARy. S – IPNL, LPC-Clermont, CPPM, LPSC (+CREATIS, LIRIS, CAL-Nice) – Projet Monidiam financé par le cancéropôle CLARA • Différentes solutions – TEP en ligne/hors ligne en carbonethérapie – Rayonnements prompts: Gamma prompts, Protons secondaires en carbone thérapie – Radiographie protons 09/06/2015 Journée Diamant 4

Contexte Hadronthérapie: Imagerie et Contrôle en ligne du traitement • Gamma prompts (détection avec temps de vol) • Imagerie de vertex protons secondaires • Radiographie protons Outil commun d’étiquetage en temps et position du faisceau incident, initialement un hodoscope à fibres scintillantes 09/06/2015 Journée Diamant Hodoscope à fibres a des limitations: • taux de comptage • Resistance aux radiations détecteur diamant 5

Contexte « Cahier des charges » Géométrie: Proton thérapie (Cyclotron IBA/C 230): • Taille de la mosaïque: 15 x 15 cm² • Durée du bunch: 2 ns • Taille des détecteurs: 2 x 2 cm² (pour un • Durée entre les bunchs: 10 ns diamant polycristallin, en stock chez E 6) • 200 protons/bunch → Détection d’un bunch. Ø 56 détecteurs Carbone thérapie (HIT/CNAO): • Nombre de strips par détecteur: 32 de 20 à • Durée du bunch: 20 -40 ns 30 mm² • Durée entre les bunchs: 200 ns Ø≈1800 voies de lecture • 10 ions/bunch. Pour un diamant Taux de comptage: monocristallin de 500μm • 100 MHz pour l’ensemble du détecteur Particules Energie ∆E Nombre Charge • ~10 Mhz par voie (Me. V/u) (Me. V) d’électro (f. C) Résolution temporelle: idéalement quelques centaines ns (ke ) de ps Résolution spatiale: 1 mm Proton 80 1. 36 10. 5 16. 7 11 Résistant au radiations: 10 protons/cm²/traitement, Proton 250 0. 6 4. 6 7. 4 20 séances/jour 1014 protons/cm²/an 12 C 80 50 3. 8 103 616 12 C 09/06/2015 Journée Diamant 400 16. 8 1. 3 103 210 6

Activités en cours Caractérisation des diamants et de l’électronique: Expériences réalisées: • Source de 90 Sr → 90 Zr → 90 Y. Deux spectres β- d’énergie maximale 546 ke. V et 2. 28 Me. V – Théorie: dépôt d’énergie max dans 500μm de diamant monocritallin: 546 ke. V et 283 ke. V resp. → Charges: 3. 5 et 6. 7 f. C resp. (proche des protons de 250 Me. V) – Mesure de l’efficacité de collection de charge: facteur 2. 6 entre le mono- et le polycristallin Préamplificateur de charges+shaper: Temps de montée: 4. 8µs, Durée du signal : 11 µs Simulation Geant 4: Coïncidence Scintillateur-diamant 09/06/2015 Journée Diamant 7

Activités en cours Caractérisation des diamants et de l’électronique: Expériences réalisées • GENEPI: GEnerateur à NEutrons Pulsés Intenses – Accélérateur d’ions deutérium à 250 ke. V. Production de neutrons de 14 Me. V par impact sur une cible de Tritum. • Mesure de protons via la conversion de neutrons en protons dans un plastique scintillant: – Signal diamant corrélé au faisceau – Aucune coïncidence plastique-diamant n’a été observée n 14 Me. V Diamant p Plastique scintillant 8 mm épaisseur 2 mm épaisseur 09/06/2015 Journée Diamant 8

Activités en cours Caractérisation des diamants et de l’électronique: • Expériences au GANIL: – Faisceau d’ions carbone de 95 Me. V/u. • Fréquence: 13. 4 Mhz, Taille faisceau: ~2 mm de diamètre • Théorie: 43 Me. V Charge 530 f. C C 12 95 Me. V/u Diamant Plastique scintillant 2 mm épaisseur – Préampli de courant • Temps de montée: 16 ns, Durée du signal : 40 ns • 2 composantes avec le monocristallin: • Fraction du faisceau traversant le porte échantillon • Faisceau direct (disparition du pic basse énergie lorsque le faisceau est décentré) • Résolution moins bonne pour le polycristallin ! Atténuation d’un facteur 3. 2 pour le monocristallin 09/06/2015 Journée Diamant 9

Activités en cours Caractérisation des diamants et de l’électronique: Monocristallin (500µm) Polycristallin (500µm) Efficacité de détection 0. 8 (géométrique) ~0. 8 Charge mesurée (f. C) 260+-15 35+-10 Résolution temporelle σ (ps) 230 360 / 2 avec la théorie Mono/poly = 7 • Problème de contact (collection des charges) • Endommagement de la surface métallisée 09/06/2015 Journée Diamant 10

Activités en cours Caractérisation des diamants et de l’électronique: Expériences à venir et à mettre en œuvre: • Mesure au Centre Lacassagne à Nice: – Protons de 64 Me. V – Efficacité de détection et de collection de charges • Mesure du temps de transit des charges dans le diamant: – Source d’Am 241 → α(5. 4 Me. V). Les α s’implantent à la surface du détecteur: ~10µm – Mesure de l’efficacité de collection de charges • Mesure à l’ESRF: – Faisceau de photons 12. 4 ke. V. Mode 4 bunchs (un bunch ↔ une particule) sur BM 05: 4. 1 Me. V/bunch/mm. – Mesure de l’homogénéité de l’efficacité de collection de charge sur la surface grâce au faisceau focalisé – Mesures en mode « auto-trigger » et « trigger faisceau » – Demande de test en cours (J. Morse) • Pour toutes ces manips: – Mesure du temps de montée: test de la réponse impulsionnelle des préampli – Comparaison mono et polycristallin 09/06/2015 Journée Diamant 11

Activités en cours Caractérisation des diamants et de l’électronique: • Développement d’un nouveau banc de test pour la source 90 Sr – Tables de translation – Possibilité de tester des diamants de grande surface • Développement d’un nouveau porte échantillon sur PCB – Adapté aux hautes fréquences et d’impédance 50 Ω 09/06/2015 Journée Diamant 12

Perspectives • Amincissement des diamants – Distance de collection de charges < 200 -300µm, donc pas besoin d’avoir des détecteurs épais – Besoin d’un détecteur le plus transparent possible – Polissage ou gravure plasma de la face côté substrat. Problème potentiel d’homogénéité mais pas forcément gênant pour le tagging temporel • ASIC – – Dynamique: 7 f. C (1 proton de 250 Me. V) à 600 f. C (1 carbone de 80 Me. V/u) Mise en forme très rapide (durée de l’impulsion < 10 ns) TDC: Précision sur le temps de montée des signaux ≈ 100 ps Spectroscopie (dans la cadre d’un développement commun avec Monodiam par exemple) • Carte DAQ – 32 strips/détecteur, ~1800 voies de lecture. 09/06/2015 Journée Diamant 13

Merci pour votre attention 09/06/2015 Journée Diamant 14

Electronique • Capacitance: – εr =5. 5 C/V/m , A = 20 x 20 mm², d = 500µm C ≈ 40 p. F – 32 strips Cstrip = 1. 2 p. F – Fringing effect ≈ 1 p. F – Préampli 50Ω τ = RC = 50 x 2 10 -12 = 100 ps – Signal avec Q/C Є [3. 7, 310] m. V par voie • Discussion avec Mircea Ciobanu de GSI: – Propose l’ASIC PADI (100 000 voies, discri sur chaque voie) Ref: http: //ieeexplore. ieee. org/lpdocs/epic 03/wrap per. htm? arnumber=6786378 09/06/2015 Journée Diamant 15

16 hodoscope Hodoscope de faisceau : - fibres scintillantes de section carrées de 1 mm 2 (128*X, 128*Y), - lumière transportée par fibres optiques, - 8 photomultiplicateurs matriciels Hamamatsu H 8500 de 64 voies - lecture des fibres aux deux extrémités 512 voies de lecture Ce détecteur ne participe pas au trigger, Les mesures : - t : résolution <1 ns - Position des fibres touchées (x, y) - charge (uniquement pour le test) - Dose admissible > 1012 carbon ions/cm 2 - Taux de comptage < 4 x 106 Hz par PMT: 8 PMTs → développement d’un ASIC Hodopic: preampli convoyeur courant, comparateur, TDC par DLL CSP IPNL– 16/01/2015 → développement d’une carte de front end spécifique à l’IPNL.

17 Test des performances avec acquisition VME CSP IPNL– 16/01/2015

18 Carte DAQ hodoscope Principales caractéristiques de la carte DAQ hodoscope : - Une carte permet d’acquérir les 64 voies d’un PM, - ASIC « hodopic » - ASIC 32 voies, Intègre un TDC (à base de DLL, résolution = 195 ps) position des fibres touchées. une sortie charge multiplexée pour le test - FPGA stratix II GX - jitter cleaner : LMK 04828 - Mémoire flash (MPF) 1 Mbit : SST 39 LF 020 - transceiver optique d’E/S à 3 Gbits/s - Premier prototype en test CSP IPNL– 16/01/2015

19 Carte testée Firmware en cours (X. Chen) CSP IPNL– 16/01/2015