Soutenance de thèse de Sree Bash Chandra DEBNATH

(Chaque chapitre est doté d’une introduction/état de l’art et d’une conclusion et peut ainsi être lu de façon indépendante). Le premier chapitre est une introduction générale de ce travail. Il en décrit les objectifs initiaux, tant du point de vue scientifique qu’applicatif. Le deuxième chapitre est un rappel sur l’interaction photon de haute énergie-matière et sur la spectroscopie de rayons X, physique de base nécessaire à la compréhension de ce document. Le principe de fonctionnement des sources de rayons X utilisées et les scintillateurs sont aussi décrit. Le procédé de fabrication des dosimètres à fibre optique est décrit dans le chapitre 3. Ce chapitre détaille également un protocole de vérification à chaque étape de fabrication qui pourra être suivi en cas d’industrialisation de la sonde. Ainsi, avant mesures sur instrumentation en environnement complexe (LINAC, sources radioactives…), les sondes sont testées à l’aide de différentes sources de photons : une diode laser rouge (λ = 632 nm, 0,9 mW), un laser UV He-Cd (λ = 380 nm, 10 mW) et une source de rayons X de faible puissance (cible de Rh (Kα = 20 keV), 800 µA, 35 kV) et rayons X à haute énergie (6MV,15MV). Ce chapitre présente également des mesures de profils de ces faisceaux mesurés à l’aide de nos sondes. La métallisation du dosimètre permet d’amplifier de façon significative le signal émis par le dosimètre sous excitation par électrons ou X durs (chapitre 4). Le gain d’amplification augmente avec l’épaisseur et la masse atomique du métal. Un modèle physique à une dimension a permis d’expliquer ce phénomène qui a fait l’objet d’une demande de brevet. Le dosimètre a ensuite été utilisé en radiothérapie pour caractériser le profil de faisceaux de photons X durs (6 et 15 MeV) sur le site du Département de Radiothérapie de l’IPC-Marseille (chapitre 5). Nos profils ont été comparés avec ceux obtenus à l’aide de dosimètres conventionnels, certifiés et utilisés en radiothérapie. Nous avons montré que notre dosimètre offrait une bien meilleure résolution spatiale que les dosimètres concurrents disponibles sur le marché. Notamment, nous avons pu différencier les phénomènes de convolution et de pénombre, très critiques pour la radiothérapie à petit champ. Ce chapitre présente également la caractérisation du profil latéral du faisceau X émis par une source radioactive 192Ir, utilisée par le service en Curiethérapie. Notre détecteur a permis de mesurer précisément la dose disponible à très faible distance de la source radioactive. La spectroscopie de rayons X est un moyen d’analyse très performant donnant la composition et l’environnement atomique de matériaux avec une précision extrême. Malheureusement, faute de pouvoir visualiser la surface en temps réel pendant l’analyse, il n’est pas possible de pointer un endroit particulier de la surface pour en effectuer l’analyse chimique. La microscopie en champ proche permet d’obtenir une image de la surface d’un échantillon avec une résolution spatiale pouvant atteindre la résolution atomique. Cependant ces outils ne permettent pas d’accéder à la composition a priori du matériau. L’idée est donc ici de coupler ces deux techniques de manière à pouvoir imager une surface, repérer un nano-objet particulier et d’en faire l’analyse par spectroscopie de rayons X. Le chapitre 6 présente les résultats préliminaires d’une étude visant l’utilisation de sondes duales, obtenues par collage de nos sondes optiques sur une pointe STM. Sous irradiation X, la sonde optique détecte l’émission locale X ou visible de l’échantillon, permettant une cartographie chimique locale du matériau. Le procédé de fabrication des sondes est présenté dans ce chapitre. Ces sondes ont été utilisées pour imager des réseaux dont les images duales topographie/réflectivité locale sont présentées et discutées. Enfin, le chapitre 7 est une conclusion qui pointe les objectifs initiaux atteints ou en cours de validation. Les perspectives sont également présentées.

(Each chapter includes an introduction/state of the art and a conclusion and thus is self-consistent). The first chapter is a general introduction. It describes the initial targets of this work, both from scientific and application point of views. The second chapter is a reminder of the high-energy photon-matter interaction and X-ray spectroscopy necessary to understand experimental results and discussions. The operating principle of the X-ray sources and scintillators are also described. The fabrication process of fiber optic dosimeters is described in chapter 3. This chapter also details a validation protocol at each step of fabrication that can be followed in future in case of probe industrialization. Thus, before using our dosimeters in complex environments (LINAC, radioactive source, etc.), probes are tested using different photon sources: a red laser diode (λ = 632 nm, 0.9 mW), a UV laser (λ = 380 nm, 10 mW) and a low-power X-ray source (Rh target (Kα =20 keV), 800 µA, 35 kV), and high energy x-ray source (6MV and 15MV). This chapter also presents lateral distribution of these beams measured with our probes. Metallization of our dosimeter significantly increases the signal to noise ratio by signal amplification and noise reduction under electrons or hard X-rays excitation (chapter 4). The amplification gain increases with the thickness and atomic mass of the metal. A one-dimensional model has been used to explain this phenomenon. This result led to a patent application. The dosimeter was then used in radiotherapy to characterize X-ray photon beams (6 and 15 MeV) at the site of the Radiotherapy Department of the IPC-Marseille (chapter 5). Our dosimeter allowed to characterize at high accuracy small beams down to 5 x 5 mm². Results were compared with conventional certified dosimeters commonly used in radiotherapy. We showed that our dosimeter offered much better spatial resolution than concurrent dosimeters available on the market. In particular, we were able to discriminate convolution and penumbra phenomena, which are very critical for beam characterization for small-field radiotherapy. This chapter also presents the characterization of the X-ray beam emitted by a 192Ir radioactive source, used by for treatment in Brachytherapy. Our detector allowed to accurately measure the available dose at a very short distance from the radioactive source X-ray spectroscopy is a very powerful technique of material analysis giving the composition and atomic environment of materials with higher accuracy. Unfortunately, because the surface cannot be visualized in real time during the analysis, it is not possible to point to a peculiar location on the surface to perform a local chemical analysis. Near-field microscopy provides an image of the surface of a sample at high lateral resolution that can achieve the ultimate atomic resolution. However, these tools do not provide a priori composition of the material. The idea is therefore to couple both techniques to image a surface, point a peculiar nano-object and analyse it by X-ray spectroscopy. Chapter 6 presents the preliminary results of the study aimed at using dual probes for surface characterization. Under X-ray irradiation, the optical probe collects the local visible emission of the sample, allowing local chemical mapping of the material. The fabrication process of the probe is presented in this chapter. These probes have been used to image gratings under laser illumination. Dual topography/local reflectivity images are presented and discussed. Chapter 7 is a conclusion pointing out the initial objectives achieved or near validation. The prospects are also presented.