Dosimétrie en temps réel : faisabilité et optimisation de capteurs avec fibres optiques radioluminescentes

Cette thèse explore la faisabilité et l’optimisation des dosimètres à base de fibres optiques, en mettant particulièrement l’accent sur leur application en radiothérapie, y compris la dosimétrie des rayons X et des faisceaux de protons. Les fibres optiques sont des candidates prometteuses pour une dosimétrie en temps réel et à haute résolution spatiale, grâce à leur taille compacte, leur flexibilité mécanique et leur immunité aux interférences électromagnétiques. Dans le cadre du projet ANR FIDELIO, ce travail introduit des fibres de silice dopées issues du procédé sol-gel ainsi que des fibres SPCVD, spécialement conçues pour des applications dosimétriques, représentant une avancée significative dans la dosimétrie par fibres optiques. L’étude se concentre principalement sur les fibres de silice dopées avec divers éléments tels que le cérium (Ce), l’azote (N), le gadolinium (Gd) et une combinaison de Ce et Gd, ainsi que des dopants supplémentaires comme le cuivre (Cu) et le terbium (Tb) sous irradiation protonique. La réponse de ces fibres a été caractérisée sous faisceaux de rayons X et de protons, afin d’évaluer la stabilité, la sensibilité et la reproductibilité du signal de radioluminescence (RIL). Les principaux aspects étudiés sont :1. Effets de la pré-irradiation. La pré-irradiation (jusqu’à 1 MGy) améliore considérablement la réponse en radioluminescence des fibres, augmentant leur sensibilité et leur stabilité. La dépendance au débit de dose devient plus linéaire après pré-irradiation, facilitant l’étalonnage des capteurs. Ces améliorations sont probablement dues au remplissage des pièges profonds, supprimant la recombinaison non radiative et renforçant les processus radiatifs.2. Études d’étalonnage systématique. Cette thèse met en avant l’importance d’un étalonnage systématique, soulignant qu’une approche statistique permet d’estimer les limites de fiabilité et de reproductibilité des dosimètres. Les résultats sont prometteurs pour des applications nécessitant une incertitude maximale de 15-20 %, mais restent insuffisants pour les traitements médicaux, où une précision accrue est essentielle. Cependant, un système spécifiquement conçu et adapté aux capteurs à fibres optiques pourrait réduire ces incertitudes en optimisant des éléments tels que les connexions, les soudures, ainsi que le système de détection et de transport du signal. 3. Mesures de profils de dose en profondeur sous irradiation protonique. Les fibres optiques ont démontré leur capacité à reproduire les courbes du pic de Bragg et du Spread-Out Bragg Peak, les rendant prometteuses pour la dosimétrie en protonthérapie. Les fibres pré-irradiées dopées CeTb ont montré la meilleure correspondance avec les traces de référence. 4. Fibres optiques effilées pour une meilleure résolution spatiale. La réduction du diamètre du cœur des fibres par effilement a augmenté la sensibilité par unité de surface d’un facteur maximal de ~130, rendant ces capteurs adaptés aux applications de microdosimétrie. Cependant, la pré-irradiation des fibres effilées a entraîné une augmentation significative de l’atténuation induite par les radiations (RIA), suggérant la formation de centres précurseurs absorbant le rayonnement, ce qui pourrait limiter les performances à long terme. Les simulations Monte Carlo ont confirmé que la géométrie réduite n’impacte pas l’absorption de dose sous irradiation X, bien que les conditions d’équilibre soient perdues pour les rayons gamma au-delà de 500 keV.5. Dépendance énergétique sous irradiation protonique. La réponse en radioluminescence des fibres optiques a montré une faible dépendance (~15 %) à l’énergie des protons, en particulier pour les fibres pré-irradiées. Cela suggère qu’un étalonnage unique pourrait être utilisé sur une large gamme d’énergies (19–73 MeV). Les simulations Geant4 ont confirmé que les protons dans cette gamme d’énergie pénètrent entièrement la fibre, garantissant ainsi des mesures dosimétriques précises.