CE42 - Capteurs, instrumentation

Instrumentation DIAMant pour le MONItorage de faisceaux pulsés – DIAMMONI

DIAMMONI

Instrumentation DIAMant pour le MONItorage de faisceaux pulsés

Monitorage faiceau pulsés en technologie diamant

DIAMMONI vise à développer des détecteurs innovants à base d’un matériau semi-conducteur, le diamant, utilisé comme une chambre d’ionisation solide avec une électronique de lecture (FE) et une acquisition de données. L’objectif principal est le monitorage de faisceaux pulsés de protons et de particules alpha, produits par le cyclotron ARRONAX, dans la gamme d'énergie jusqu'à 70 MeV. Le cyclotron peut en effet fonctionner en mode pulsé continu (paquets d’une durée de 4 ns à la fréquence de 30.45 MHz) ou en mode discontinu. Le faisceau est alors constitué de trains de paquets d’une durée, et d’un inter-train, ajustables par l’opérateur.

Les diagnostics de faisceau opérables par DIAMMONI sont les suivants :
• compter chaque particule individuelle à faible courant, lorsque le nombre de particules détectées sur un canal de lecture est de 0 ou 1 (intensité moyenne du faisceau < 100 pA sur diamant), mesurer la distribution temporelle des particules au sein des paquets pour étudier l'impact des paramètres d'injection, évaluer la gigue des paquets vis-à-vis des buckets RF (signaux des capteurs et du générateur),
• mesurer le courant crête et le flux lorsque le taux de comptage des particules est élevé, entre 100 pA et 1 µA en intensité moyenne mesuré sur diamant. Cela nécessite que toutes les charges générées par un nombre de protons N par paquet avec N<2x10^5 soient collectées en moins de 30 ns,
• mesurer le « start » et le « stop » d'un paquet-train de quelques µs, en 30 ns (un paquet), et la fluence correspondant à ce paquet.
• mesurer les caractéristiques transversales (directions x et y) à partir de faisceaux plus petits que le moniteur. Ici, la position et les dimensions partielles du faisceau peuvent être évaluées en échantillonnant le signal à différentes intensités.

Les performances obtenues sous faisceaux à ARRONAX des développements électroniques en composants discrets, pour l’intégration de charges dans le train avec marquage en temps début et fin de train valident i) non seulement les développements proposés mais aussi ii) l’utilisation du diamant, en tant que volume actif pour l’instrumentation faisceaux en tant que dispositif de diagnostic. Cette première étape dans DIAMMONI, par rapport aux objectifs initiaux du projet, est donc franchie.

La simulation de la collecte de charges dans le matériau diamant en fonction de l’intensité faisceau est un travail ambitieux et original. Les résultats obtenus confirment les mesures expérimentales pour les faibles intensités faisceaux où les mécanismes mis en jeu sont plus simples et attendus (publications dans la littérature, expériences en laboratoire avec des sources ou en faisceau par les membres du consortium). En revanche le travail d’interprétation et de modélisation de la collecte de charges par le diamant à haute intensité faisceau (causes, nature et effets du champ interne lié à la densité locale de charges, cinématiques associées, phénomène de recombinaisons, …) est un défi que nous nous sommes lancé qui aura un impact majeur en physique des détecteurs (pas uniquement pour les chambres d’ionisation solides car similitude aussi avec les chambres d’ionisation gazeuses). Les premiers résultats sont prometteurs. Les prochains tests seront déterminants pour la validation des modèles. Ce travail va donner lieu à une publication à échéance de fin 2023. C’est le jalon que nous nous sommes fixé dans le cadre de la thèse de R. Molle

Publication

S. Curtoni, M.-L. Gallin-Martel, L. Abbassi, A. Bes, G. Bosson, J. Collot, T. Crozes, D. Dauvergne, W. De Nolf, P. Everaere, L. Gallin-Martel, A. Ghimouz, F. Haddadd, J.-Y. Hostachy, C. Koumeird, A. Lacoste, S. Marcatili, V. Métivier, J. Morse, J.-F. Motte, J.-F. Muraz, F. Poirier, F. E. Rarbi, O. Rossetto, M. Salomé, N. Servagent, E. Testa, M. Yamouni,
“Performance of CVD diamond detectors for single ion beam-tagging applications in hadrontherapy monitoring”,
Nuclear Inst. and Methods in Physics Research, A, Volume 1015, 2021, 165757, arxiv.org/abs/2105.05053

International conference

Very High Energy Electron Radiotherapy Workshop (VHEE2020), octobre 2020 CERN, ML Gallin-Martel (conf invité)
NDNC 2020-2021 Japon Novembre 2021 ML Gallin-Martel (oral)
Hassel Diamond Workshop ML Gallin-Martel Mars 2022 (conf invité)
HIAT 2022 F. Poirier juin 2022 (conf invité)

Conference France

Journées instrumentation détecteur à l’IN2P3 juin 2021 IJClab JF Muraz (oral)
Journées R&T IN2P3 IJClab octobre 2021 ML Gallin-Martel (oral)
Journée Instrumentation faisceaux IN2P3 avril 2022 R. Molle (oral + poster))
Journée réseau semi-conducteur IN2P3 juin 2022 R. Molle (oral)
GDR MI2B journée annuelle juin 2022 C. Koumeir (oral)

Le développement de nouvelles générations d'accélérateurs d'ions, pour la physique (nucléaire - hautes énergies) ou pour les applications médicales (radiothérapies « flash »), implique une surveillance précise du faisceau avec un comptage rapide dans un environnement fortement radiatif. Les qualités intrinsèques du diamant (rapidité, faible courant de fuite, excellent rapport signal sur bruit, résistance aux radiations) en font un excellent candidat pour répondre à de telles exigences. DIAMMONI est un détecteur diamant innovant pour le contrôle en ligne de faisceaux pulsés. Il a pour objectif d’atteindre une résolution spatiale de l’ordre du millimètre (métallisation par pistes des diamants), un comptage rapide des particules (conception d’un préamplificateur courant) dans chaque nano-impulsion de chaque micro-train d’impulsion (résolutions en temps ~100 ps) ainsi qu’une surveillance continue de l'intensité du faisceau (conception d’un QDC) sur toute la dynamique (fraction de pA à µA)

Coordination du projet

Marie-Laure Gallin-Martel (Laboratoire de Physique Subatomique et de Cosmologie)

L'auteur de ce résumé est le coordinateur du projet, qui est responsable du contenu de ce résumé. L'ANR décline par conséquent toute responsabilité quant à son contenu.

Partenaire

SUBATECH LABORATOIRE DE PHYSIQUE SUBATOMIQUE ET DES TECHNOLOGIES ASSOCIEES
LPSC Laboratoire de Physique Subatomique et de Cosmologie
ARRONAX Accélérateur pour la Recherche en Radiochimie et Oncologie à Nantes Atlantique

Aide de l'ANR 285 772 euros
Début et durée du projet scientifique : septembre 2020 - 48 Mois

Liens utiles

Explorez notre base de projets financés

 

 

L’ANR met à disposition ses jeux de données sur les projets, cliquez ici pour en savoir plus.

Inscrivez-vous à notre newsletter
pour recevoir nos actualités
S'inscrire à notre newsletter