Soutenance de thèse de Laurie CAPPELLUGOLA

La tomographie par émission de positrons (TEP) est une modalité d'imagerie de la médecine nucléaire, qui permet d'obtenir une image fonctionnelle grâce à la détection en coïncidence de paires de photons d'annihilation issus de la désintégration d'un radiotraceur fixé sur la zone d'intérêt. L'amélioration de la résolution temporelle de la coïncidence (CTR) est crucial pour optimiser la qualité de l'image reconstruite en TEP à temps-de-vol. C'est l'objectif que c'est fixé le projet ClearMind financé par l'ANR, qui est porté par l'Irfu du CEA à Saclay et auquel participe le CPPM et IJCLab à Orsay, deux laboratoires de l'IN2P3. Ce projet, dans lequel s'inscrit ma thèse de doctorat, vise à améliorer la résolution temporelle de la détection du rayon gamma grâce à un détecteur composé d'un cristal de PWO, sur lequel est directement déposée une photocathode d'indice de réfraction supérieur à celui du cristal, ce qui permet de maximiser la transmittance vers la photocathode de la lumière générée dans le cristal. Ce cristal dit scintronique sert de fenêtre d'entrée à un tube multiplicateur à galette à micro-canaux (MCP-PMT), dont le temps de transit des électrons très court offre une excellente résolution temporelle. La détection de photons de lumière Tcherenkov, émis de manière pratiquement instantanée lors de l'interaction des rayons gamma dans le cristal, et les constantes de temps rapides de scintillation du PWO permettent de s'attendre à une bonne résolution temporelle du module de détection développé dans le cadre du projet ClearMind. L'évaporation de la photocathode directement sur une face du cristal nécessite de déposer au préalable une couche de passivation sur le cristal afin de protéger la photocathode. Cette couche de passivation a les caractéristiques d'une couche mince, ce qui induit des phénomènes d'interférences et de transmission frustrée, dont la modélisation est indispensable à la simulation Monte Carlo du module de détection. Ce travail présente l'implémentation d'une nouvelle méthode dans le logiciel de simulation Monte Carlo Geant4, appelée CoatedDielectricDielectric, qui permet de modéliser le transport optique des photons à travers une interface composée d'une couche mince. L'étude de la transmittance à travers cette interface nous permet d'évaluer l'impact de la transmission frustrée sur les performances du module de détection, dont nous avons montré qu'elle contribue pour moitié à la CTR. Nous avons vérifié par simulation Monte Carlo que l'utilisation d'une couche mince avec un indice de réfraction supérieur à celui du cristal permet d'optimiser la transmittance des photons vers la photocathode, et donc la résolution temporelle de notre détecteur. Ainsi, nous avons obtenu une CTR de 405 ± 6 ps FWHM pour une couche mince de 100~nm d'oxyde d'aluminium, dont l'indice de réfraction est inférieur à celui du PWO, contre une CTR de 290 ± 3 ps FWHM pour une couche mince de 100~nm d'oxyde de titane, dont l'indice de réfraction est supérieur à celui du PWO. De la même manière, une étude sur l'épaisseur de la couche de passivation montre qu'une couche de 20 nm d'oxyde d'aluminium permet d'améliorer la CTR de 26 % par rapport à une couche de 100 nm. La caractérisation de cellules tests illuminées par un faisceau de lumière délivré par un monochromateur et la comparaison avec les résultats de la simulation Monte Carlo nous ont permis de valider l'implémentation du module optique dans Geant4 et d'en déduire les caractéristiques de notre cristal scintronique, comme l'indice de réfraction et la longueur d'absorption des différents composants, ainsi que l'épaisseur des couches minces. Une discussion critique des résultats obtenus nous mène à suggérer quelques axes de développement possibles pour améliorer les performances du module de détection et tendre vers une CTR inférieure à 100 ps FWHM.

Positron emission tomography (PET) is an imaging modality in nuclear medicine, which allows to obtain a functional image thanks to the detection in coincidence of pairs of annihilation photons resulting from the decay of a radiotracer fixed on the area of interest. The improvement of the the coincidence time resolution (CTR) is crucial to optimize the quality of the reconstructed image in time-of-flight (TOF)-PET. This is the objective of the ClearMind project funded by the ANR, which is led by the Irfu of the CEA in Saclay and in which the CPPM and IJCLab in Orsay, two laboratories of the IN2P3, are participating. This project, in which my PhD thesis is included, aims at improving the temporal resolution of gamma ray detection thanks to a detector composed of a PWO crystal, on which is directly deposited a photocathode with a refractive index higher than that of the crystal, which allows to maximize the transmittance towards the photocathode of the light generated in the crystal. This so-called scintronic crystal is used as an input window for a micro-channel plate multiplier tube (MCP-PMT), whose very short electron transit time provides excellent time resolution. The detection of Cherenkov light photons, emitted almost instantaneously upon interaction of gamma rays in the crystal, and the fast scintillation time constants of the MCP-PMT allow to expect a good temporal resolution of the detection module developed in the ClearMind project. The evaporation of the photocathode directly on a face of the crystal requires to deposit beforehand a passivation layer on the crystal in order to protect the photocathode. This passivation layer has the characteristics of a thin film, which induces interference and frustrated transmission phenomena, whose modeling is essential to the Monte Carlo simulation of the detection module. This work presents the implementation of a new method in the Monte Carlo simulation software Geant4, called CoatedDielectricDielectric, which allows to model the optical transport of photons through an interface composed of a thin layer. The study of the transmittance through this interface allows us to evaluate the impact of the frustrated transmission on the performance of the detection module, which we have shown to contribute half of the CTR. We have verified by Monte Carlo simulation that the use of a thin layer with a refractive index higher than that of the crystal allows to optimize the transmittance of the photons towards the photocathode, and thus the temporal resolution of our detector. Thus, we obtained a CTR of 405 ± 6 ps FWHM for a 100~nm aluminum oxide thin film, whose refractive index is lower than that of PWO, against a CTR of 290 ± 3 ps FWHM for a 100 nm titanium oxide thin film, whose refractive index is higher than that of PWO. Similarly, a passivation layer thickness study shows that a 20 nm layer of aluminum oxide improves the CTR by 26 % compared to a 100 nm layer. The characterization of test cells illuminated by a beam of light delivered by a monochromator and the comparison with the results of the Monte Carlo simulation allowed us to validate the implementation of the optical module in Geant4 and to deduce the characteristics of our crystal, such as the refractive index and the absorption length of the various components, as well as the thickness of the thin layers. A critical discussion of the obtained results leads us to suggest some possible development axes to improve the performances of the detection module and to tend towards a CTR lower than 100 ps FWHM.