GaN detector array for proton therapy

Le nitrure de gallium (GaN) est un semi-conducteur à large bande interdite, chimiquement et mécaniquement stable, et technologiquement mature. Plus résistant que la plupart des autres matériaux à l'irradiation par protons, il a déjà servi à réaliser des détecteurs de rayons X, de neutrons et de particules alpha. En 2019, il a été montré qu'une diode Schottky à base GaN détecte des protons de 65 MeV avec une réponse linéaire au courant du faisceau. Ainsi, les diodes en GaN apparaissent comme une plateforme prometteuse pour la dosimétrie, la calibration de faisceaux et l'imagerie à protons. Actuellement, l'imagerie par rayons X est utilisée avant chaque traitement par protonthérapie afin d'ajuster précisément le faisceau de protons et de planifier les séances, mais la conversion entre photons et protons introduit une erreur pouvant atteindre 3%, erreur qui pourrait être réduit en recourant à l'imagerie protonique. À ce jour, aucun dispositif d'imagerie à protons n'est disponible sur le marché. Le silicium, bien que largement utilisé dans la technologie des détecteurs, présente une tolérance limitée aux irradiations à forte dose. Ce projet visait à démontrer l'usage de réseaux de diodes GaN pour la dosimétrie et l'imagerie. Grâce à plusieurs laboratoires, il a dépassé ses objectifs initiaux. La première phase a permis de déterminer l'architecture optimale des diodes. Des essais au Centre Antoine Lacassagne (65 MeV) ont montré que les diodes pin en GaN sur saphir offrent le meilleur compromis. À 0 V, elles répondent linéairement au courant et détectent dès 100 fA /cm². Sous faible polarisation positive, une meilleure sensibilité (quelques protons/s/diode) est atteinte, mais avec une réponse lente et fortement non-linéaire. La deuxième phase a porté sur l'imagerie. Les premières images de faisceau ont été obtenues avec des diodes et des petites matrices linéaires, lus séquentiellement par multiplexeur et déplacés mécaniquement. La résolution, d'abord limitée à 1.2 mm, a été améliorée par micro-balayage. Des matrices plus grandes ont ensuite été lues via un circuit 128 canaux d'AMS-OSRAM. Avec l'IPHC (Strasbourg), la connexion matrice-circuit a été développée. Des réseaux linéaires de 128 diodes (pas 0.5 mm) ont permis, à CYRCE (24 MeV), d'obtenir une résolution spatiale à l'état de l'art pour des protons. Des petites matrices 2D (0.5 ou 1 mm) ont fourni des images et des vidéos en temps réel, adaptées aux besoins de la protonthérapie. La troisième phase a concerné des matrices 2D de 32 x 128 diodes couvrant 6.4 x 1.6 cm. L'électronique, basée sur un multiplexeur de lignes et lecture de colonnes, est en développement, avec des mesures prévues avant fin 2025.Enfin, une dégradation limitée des diodes a été observée après irradiation par protons de 65 MeV, à des doses de plusieurs centaines de Gy et une fluence de 10¹⁵ protons/cm².