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Procédé de fabrication d'une tête d'irradiation d'une cible avec un faisceau
de
particules chargées
[001] L'invention concerne un procédé de fabrication d'une tête d'irradiation
d'une
cible avec un faisceau de particules chargées, ainsi que la tête d'irradiation
fabriquée par ce procédé.
[002] De telles têtes d'irradiation sont utilisées dans de nombreux domaines
comme
en radiothérapie, en protonthérapie, en imagerie médicale, dans le domaine de
la
sécurité ou autres.
[003] Ces têtes d'irradiation comportent :
- un canon à particules chargées qui émet un faisceau primaire de
particules
chargées,
- du matériel de mise en forme du faisceau primaire pour obtenir en sortie
un
faisceau secondaire qui diffère du faisceau primaire par son homogénéité et/ou
son
angle d'ouverture.
[004] Le matériel de mise en forme comporte à. cet effet typiquement :
- un ou plusieurs dispositifs égalisateurs, tels que des cônes
égalisateurs, pour
accroître l'homogénéité des particules dans une section transversale du
faisceau
secondaire, et
- un ou plusieurs collimateurs pour augmenter ou, au contraire, diminuer
l'angle
d'ouverture du faisceau secondaire.
[005] C'est le faisceau secondaire qui im pacte directement la cible à
irradier.
[006] Pour contrôler la dose de particules chargées appliquée sur la cible, la
tête
d'irradiation comporte aussi un capteur qui mesure l'intensité du faisceau
secondaire.
[007] Le matériel de mise en forme absorbe des particules chargées et diminue
donc l'intensité du faisceau secondaire. De plus, le matériel de mise en forme
est
volumineux, ce qui augmente l'encombrement de la tête d'irradiation.
[008] De l'état de la technique est également connu de W02017/198630A1,
FR2379294A1 et US2019/269940A1.
[009] L'invention vise à proposer une tête d'irradiation dans laquelle
l'absorption
des particules chargées par le matériel de mise en forme est limitée et/ou
dans
lequel l'encombrement du matériel de mise en forme est diminué.
[0010] Elle a donc pour objet un procédé de fabrication d'une telle tête
d'irradiation
conforme à la revendication 1.
[0011] L'invention a également pour objet une tête d'irradiation fabriquée à
l'aide du
procédé ci-dessus.
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[0012]L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va
suivre,
donnée uniquement à titre d'exemple non limitatif et faite en se référant aux
dessins
sur lesquels :
- la figure 1 est une illustration schématique de l'architecture d'une tête
d'irradiation ;
- la figure 2 est un diagramme en perspective d'une distribution spatiale de
la densité
des particules chargées dans un faisceau primaire ;
- la figure 3 est une illustration en coupe de la distribution spatiale
représentée sur la
figure 2 ;
- la figure 4 est un diagramme en perspective d'une distribution spatiale
de la densité
de particules chargées dans un faisceau secondaire ;
- la figure 5 est une illustration schématique et en coupe verticale, d'un
capteur
d'intensité mis en oeuvre dans la tête d'irradiation de la figure 1 ;
- la figure 6 est un organigramme d'un procédé de fabrication de la tête
d'irradiation
de la figure 1 ;
- les figures 7 à 9 sont des diagrammes illustrant différentes distributions
spatiales
de la densité de particules chargées dans un faisceau secondaire.
[0013]Dans la suite de cette description, les caractéristiques et fonctions
bien
connues de l'homme du métier ne sont pas décrites en détail.
[0014] Dans cette description, des exemples détaillés de modes de réalisation
sont
d'abord décrits dans le chapitre I en référence aux figures. Ensuite, dans le
chapitre
Il suivant, des variantes de ces modes de réalisation sont présentées. Enfin,
les
avantages des différents modes de réalisation sont présentés dans un chapitre
III.
[0015] Dans ce texte, l'expression faisceau de particules chargées désigne
un
rayonnement ionisant, c'est-à-dire un faisceau capable de produire directement
ou
indirectement des ions lors de son passage à travers la matière.
[0016]Chapitre I : Exemples de modes de réalisation.
[0017]La figure 1 représente une tête 2 d'irradiation d'une cible 4 avec un
faisceau
secondaire 8 de particules chargées.
[0018]La cible 4 peut être un objet inerte ou une partie d'un corps humain à
traiter à
l'aide du faisceau 8.
[0019]Entre la tête 2 et la cible 4, le faisceau 8 se propage le long d'un axe
10 de
propagation dirigé vers la cible 4. L'axe 10 est parallèle à une direction
horizontale Z
d'un repère orthogonal XYZ. Ici, la direction Y de ce repère est verticale.
Les figures
1 et suivantes sont orientées par rapport à ce repère XYZ.
[0020]En sortie de la tête 2, l'essentiel des particules chargées sont
comprises à
l'intérieur d'un cône qui s'étend le long de l'axe 10. Par l'essentiel des
particules
chargées sont comprises à l'intérieur de ce cône , on désigne le fait que 90%
ou
95% des particules chargées émises par la tête 2 sont comprises à l'intérieur
de ce
cône. Par exemple, ce cône est un cône de révolution dont l'axe de révolution
est
confondu avec l'axe 10.
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[0021]Ce cône présente un sommet A situé, ici, à l'intérieur de la tête 2.
L'angle
solide au niveau du sommet A est par la suite appelé angle d'ouverture et
noté
az.
[0022]Le faisceau 8 est un faisceau dit à haute énergie , c'est-à-dire un
faisceau
dont l'énergie est supérieure ou égale à 1 MeV ou 10 MeV. Ici, à titre
d'illustration,
l'énergie du faisceau 8 est de 6 MeV.
[0023]La suite de cette description est faite dans le cas particulier où le
faisceau 8
est un faisceau d'électrons (rayonnement r3-). Dans ce cas, les particules
chargées
sont des électrons. Toutefois, comme indiqué dans le chapitre III, de nombreux
autres faisceaux de particules chargées sont possibles. Ici, le faisceau 8 est
un
faisceau pulsé à haute fréquence, c'est-à-dire un faisceau qui est formé par
des
salves d'impulsions répétées à intervalles réguliers à une fréquence fp. Par
exemple,
la fréquence fp est supérieure à 1 kHz ou à 1 MHz ou à 100 MHz. Chaque salve
d'impulsions est formée d'une successions de courtes impulsions de particules
chargées répétées à une fréquence fz. Par haute fréquence , on désigne le
fait
que la fréquence fz est supérieure à 1 GHz ou 3 GHz et, généralement,
inférieure à
100 GHz ou 10 GHZ.
[0024]La tête 2 comporte un boîtier 20 à l'intérieur duquel sont logés et
fixés
ensemble les différents composants nécessaires pour générer le faisceau 8. Le
boîtier 20 est aussi conçu pour isoler l'intérieur du boîtier vis-à-vis des
perturbations
électromagnétiques provenant de l'extérieur de ce boîtier. A cet effet, par
exemple, le
boîtier 20 comporte une enveloppe en matériaux conducteurs raccordée
électriquement à la masse.
[0025]Le boîtier 20 comporte une ouverture 22 par laquelle est émis le
faisceau 8.
Ici, l'espace traversé par le faisceau 8 entre l'ouverture 22 et la cible 4,
est dépourvu
de tout matériel susceptible de modifier l'homogénéité ou l'angle d'ouverture
du
faisceau 8. En absence de tel matériel, les caractéristiques du faisceau 8
restent
constantes sur des distances inférieures à 1 m ou 50 cm.
[0026]La tête 2 comporte :
- un canon 24 à particules chargées qui génère un faisceau primaire 26 de
particules
chargées,
- du matériel 30 de mise en forme du faisceau 26 pour le transformer en
faisceau 8,
et
- une unité 32 de commande du canon 24.
[0027]La tête 2 diffère des têtes d'irradiation connues essentiellement par le
matériel 30. Ainsi, par la suite, les autres composants de la tête 2 ne sont
pas décrits
en détail.
[0028]Le canon 24 comporte :
- une source 40 de particules chargées qui produit les particules chargées,
- une chambre 42 d'accélération qui accélère les particules chargées produites
par
la source 40, et
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- une fenêtre 44 de tir à travers laquelle est émis le faisceau 26.
[0029]La quantité de particules chargées produites par la source 40 est
commandable. Cela permet notamment d'ajuster la dose de particules chargées
délivrée sur la cible 4.
[0030]Typiquement, la chambre 42 accélère les particules chargées produites en
utilisant pour cela des champs électromagnétiques. Par exemple, le canon 24
est un
canon connu sous l'acronyme LINAC ( Linear Particule Accelerator ).
[0031]Le faisceau 26 est un faisceau identique au faisceau 8 sauf que :
- son sommet B est, par exemple, situé à l'intérieur du canon 24,
- son angle ai d'ouverture est différent de l'angle az, et
- la distribution spatiale des particules chargées dans une section
transversale du
faisceau 26 est différente de la distribution spatiale des particules chargées
dans
une section transversale du faisceau 8.
[0032]Les particules chargées du faisceau 26 sont les mêmes que celles du
faisceau 8.
[0033]Par exemple, l'angle ai est deux, quatre ou six fois plus petit que
l'angle az.
[0034]Un exemple de distribution spatiale 46 des particules chargées dans une
section transversale du faisceau 26 est représenté sur la figure 2. Une
section
transversale du faisceau est une section du faisceau le long d'un plan
perpendiculaire à son axe de propagation. Ici, la distribution spatiale 46
correspond
à la distribution spatiale des particules chargées dans un plan P1 situé à
l'intérieur du
boîtier 20 entre le sommet B et l'entrée du matériel 30 de mise en forme.
Typiquement, ce plan P1 est situé à moins de 50 cm ou à moins de 10 cm de la
fenêtre 44 de tir. Ici, le plan P1 est situé à 5 cm de la fenêtre 44.
[0035] La distribution spatiale 46 représente la densité de particules
chargées en
chaque point du plan P1. A cet effet, les axes x et y de la distribution
spatiale 46
correspondent aux axes, respectivement, des abscisses et des ordonnées. Ces
axes
x et y sont contenus dans le plan P1. Ici, les axes x et y sont parallèles,
respectivement, aux directions X et Y du repère XYZ. Sur la figure 2, ces axes
x et y
sont gradués en centimètre. L'axe 10 traverse le plan Pi au niveau du point de
coordonnées 0 cm en abscisse et 0 cm en ordonnée. L'axe z de la figure 2, qui
est
perpendiculaire aux axes x et y, représente la densité de particules chargées
par
cm2. Ici, l'axe z est gradué dans une unité arbitraire "ua" proportionnelle à
la densité
de particules chargées par cm2. Cette unité ua est la même dans toutes les
figures
représentant une distribution spatiale de particules chargées.
[0036]Comme illustré par la distribution spatiale 46, la densité de particules
chargées présente un maximum, noté Dmaxi, au niveau de l'axe 10. Ensuite,
cette
densité diminue progressivement et continûment au fur et à mesure que l'on
s'éloigne de l'axe 10 jusqu'à atteindre une valeur nulle ou pratiquement nulle
en
dehors du cône à l'intérieur duquel sont contenues l'essentiel des particules
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chargées du faisceau. Par exemple, dans le cas du faisceau 26, la densité
Dmaxi
est égale à 16 ua.
[0037] La distribution spatiale 46 est symétrique par rapport à l'axe 10.
Ainsi, la façon
dont la densité des particules chargées diminue lorsque l'on s'éloigne de
l'axe 10 en
5 suivant une direction prédéterminée contenue dans le plan P1 est la même
quelle
que soit cette direction prédéterminée.
[0038] Classiquement, la distribution spatiale 46 présente une géométrie
gaussienne. Autrement dit, lorsqu'on observe une coupe de la distribution
spatiale
46 le long d'un plan contenant l'axe 10, on obtient une courbe 48 (figure 3)
en forme
de cloche. Sur la figure 3, la courbe 48 est celle obtenue le long d'un plan
de coupe
perpendiculaire à l'axe x des abscisses. Plus précisément, la courbe 48 est
ici, par
exemple, une fonction gaussienne.
[0039] La courbe 48 montre l'homogénéité de la distribution spatiale des
particules
chargées dans le plan P1. Plus précisément, dans ce texte, l'homogénéité de la
distribution spatiale des particules chargées est représentée par une grandeur
physique appelée "distance" et notée d1 dans le plan P1. La distance dl est la
distance, exprimée en centimètre, qui sépare l'axe 10 du point du plan P1 où
la
densité des particules chargées est égale à Dmedi. La densité Dmedi est la
densité
médiane des particules chargées, c'est-à-dire la densité égale à Dmax1/2. Plus
la
distance d1 est importante, meilleure est l'homogénéité de la distribution
spatiale des
particules chargées dans le plan P1. De plus, plus la distance dl est
importante, plus
l'angle ai est important. Classiquement, l'homogénéité du faisceau 26 est
médiocre.
Par exemple ici, la distance d1 est inférieure à 0,5 cm et l'angle ai est
faible.
[0040]Le matériel 30 est interposé, le long de l'axe 10, entre la fenêtre 44
et
l'ouverture 22, pour modifier l'homogénéité et l'angle d'ouverture du faisceau
26 de
manière à obtenir le faisceau 8 qui présente une homogénéité souhaitée et
l'angle
d'ouverture a2. L'homogénéité souhaitée et l'angle d'ouverture a2 sont des
caractéristiques prédéterminées et imposées par l'utilisateur de la tête 2.
Ces
caractéristiques sont donc des données connues à l'avance et donc même avant
la
conception de la tête 2.
[0041.]A titre d'illustration, la figure 4 représente une distribution
spatiale 50 des
particules chargées pour le faisceau 8. La distribution spatiale 50 est
identique à la
distribution spatiale 46 sauf que :
- la densité maximale au niveau de l'axe 10 est notée Dmax2,
- la densité médiane est notée Dmed2, et
- la distance qui sépare l'axe 10 du point où la densité de particules
chargées est
égale à Dmed2, est notée d2.
[0042]Autrement dit, la distance d2 est définit comme la distance d1 sauf
qu'elle est
mesurée dans la distribution spatiale du faisceau 8. Sur la figure 4, Dmax2
est de
l'ordre de 0,0008 ua.
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[0043] Ici, l'homogénéité du faisceau 8 est au moins deux fois ou quatre fois
ou dix
fois supérieure à l'homogénéité du faisceau 26. Ainsi, la distance d2 est deux
fois,
quatre fois ou dix fois supérieure à la distance dl
[0044]Dans ce premier mode de réalisation, pour mettre en forme le faisceau 26
afin
d'obtenir le faisceau 8, le matériel 30 comporte uniquement un capteur 60 de
l'intensité du faisceau 8. Autrement dit, entre la fenêtre 44 du canon 24 et
le capteur
60 et entre le capteur 60 et l'ouverture 22, la tête 2 est dépourvue de tout
autre
matériel de mise en forme tel qu'un dispositif égalisateur ou un collimateur,
capable
de modifier l'homogénéité et/ou l'angle d'ouverture du faisceau 8.
[0045] L'architecture et la conception du capteur 60 sont décrites plus en
détail en
référence aux figures 5 et 6 suivantes.
[0046]Le capteur 60 transmet l'intensité mesurée du faisceau 8 à l'unité 32 de
commande. Par exemple, pour cela, le capteur 60 est raccordé, par
l'intermédiaire
d'une liaison filaire, à l'unité 32.
[0047]L'unité 32 commande le canon 24 en fonction de l'intensité du faisceau 8
mesurée par le capteur 60. Typiquement, l'unité 32 commande le canon 24 de
manière à maintenir la dose de particules chargées appliquée sur la cible 4
égale ou
pratiquement égale à une consigne Cd préenregistrée. Par exemple, pour cela,
l'unité 32 commande la source 40 en fonction d'un écart entre l'intensité
mesurée du
faisceau 8 et une consigne d'intensité. A cet effet, l'unité 32 comporte un
microprocesseur 62 et une mémoire 64. La mémoire 64 comporte les instructions
exécutées par le microprocesseur 62 afin de commander le canon 24.
[0048] La figure 5 représente plus en détail un exemple possible d'agencement
du
capteur 60. Dans cet exemple de réalisation, l'architecture du capteur 60 est
identique à celle décrite en référence à la figure 2 de la demande
W02017198630.
Ainsi, pour plus de détail sur l'architecture du capteur 60, le lecteur peut
consulter
cette demande.
[0049] Le capteur 60 est un capteur à semi-conducteur. Plus précisément, le
capteur
60 comporte une zone active 70 apte à générer des charges électriques
lorsqu'elle
est traversée par des particules chargées. A cet effet, la zone 70 est située
sur l'axe
10. Ici, elle est centrée sur l'axe 10. Plus précisément, dans ce mode de
réalisation,
la zone 70 est un cylindre de révolution dont l'axe de révolution est confondu
avec
l'axe 10.
[0050] La zone 70 présente une face 72 d'entrée située dans le plan P1 et
directement exposée au faisceau 26. La zone 70 comporte aussi une face 74 de
sortie située dans un plan P2 perpendiculaire à l'axe 10. Le faisceau 26
ressort du
capteur 60 par la face 74 et forme le faisceau 8. Dans le plan P2, la
distribution
spatiale des particules chargées est, par exemple, celle représentée sur la
figure 4.
[0051] La zone 70 comporte une région 76 de déplétion également appelée zone
de charge d'espace . Cette région 76 produit des porteurs de charge d'un
premier
type et des porteurs de charge d'un second type lorsqu'elle est traversée par
les
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particules chargées du faisceau 26. Cette région 76 est située entre la face
72 et
une limite représentée par un trait en pointillés parallèle à la direction Y
dans la
figure 5.
[0052]A cet effet, dans cet exemple, la zone 70 comporte une couche semi-
conductrice 78 et une couche conductrice 80 directement déposées sur la face
de la
couche 78 tournée vers le canon 24. La face 72 est ici formée par la face
extérieure
de la couche 80 tournée vers le canon 24. La face 74 de la zone 70 est formée
par
la face de la couche 78 tournée vers la cible 4. L'épaisseur ei de la couche
78 est la
distance, le long de l'axe 10, entre ses deux faces opposées. Ici, cette
épaisseur est
constante à l'intérieur de toute la zone 70.
[0053] La région 76 est située dans la région de la couche 78 en contact avec
la
couche conductrice 80. L'association des couches 78 et BO forme une jonction à
effet redresseur et plus précisément une diode Schottky dans ce mode de
réalisation.
[0054] Le matériau semi-conducteur utilisé pour réaliser la couche 78 comporte
deux
bandes d'énergie connues sous les termes, respectivement, de bande de
valence et bande de conduction . Dans le cas des matériaux semi-
conducteurs,
ces deux bandes d'énergie sont séparées l'une de l'autre par une bande
interdite
plus connue sous le terme anglais de gap . De préférence, le matériau semi-
conducteur utilisé pour réaliser la couche 78 est un matériau semi-conducteur
à
grand gap, c'est-à-dire un matériau semi-conducteur présentant un gap dont la
valeur est au moins deux fois supérieure à la valeur du gap du silicium.
Typiquement, le gap du matériau semi-conducteur utilisé pour la couche 78 est
donc
supérieur à 2,3 eV.
[0055]Ici, la couche 78 est réalisée en carbure de silicium SiC-4H. Dans cette
description, l'expression un élément réalisé en matériau X signifie que le
matériau X représente au moins 70% ou 80 % ou 90% de la masse de cet élément.
Ici, la couche semi-conductrice 78 est en plus dopée. Par exemple, lorsque la
couche semi-conductrice 78 est réalisée en carbure de silicium, un dopage P
peut
être obtenu par implantation d'atonies de bore et, alternativement, un dopage
N peut
être obtenu par implantation d'atomes d'azote.
[0056] La couche conductrice 80 est par exemple réalisée en métal telle que du
cuivre, du zinc ou de l'or.
[0057] Dans ce mode de réalisation, les couches 78 et 80 s'étendent
transversalement au-delà de la zone 70 pour former une partie périphérique 84
qui
entoure complètement la zone active 70. Contrairement à la zone 70, la partie
périphérique 84 n'est pas traversée par le faisceau de particules chargées. La
portion 86 de la couche conductrice 80 qui s'étend au-delà de la zone 70 forme
une
première électrode qui collecte les porteurs de charge du premier type produit
par la
région 76.
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[0058] Ici, l'épaisseur de la couche semi-conductrice 78 dans la partie
périphérique
84 est supérieure à l'épaisseur eõ de sorte qu'elle forme les parois latérales
d'un trou
borgne 88 dont le fond est confondu avec la face 74. La projection orthogonale
de la
paroi latérale du trou 88 sur le plan P2 entoure complètement la face 74.
[0059] Enfin, uniquement dans la partie périphérique 84, la face de la couche
semi-
conductrice 78 qui est tournée vers la cible 4 est recouverte d'une couche
conductrice 90. La couche conductrice 90 est par exemple réalisée dans le même
matériau conducteur que la couche conductrice 80. La couche conductrice 90
forme
une seconde électrode qui collecte les porteurs de charge du second type
produit
par la région 76.
[0060] Par exemple, la face 74 est structurée comme décrit dans la demande
W02017198630A1. De même, des billes de métal peuvent être introduites dans la
couche semi-conductrice 78 comme décrit dans cette même demande de brevet.
[0061] Le procédé de fabrication de la tête 2 va maintenant être décrit en
référence à
la figure 6.
[0062] Initialement, lors d'une étape 100, les différentes caractéristiques du
faisceau
8 qui doivent être générées par la tête 2 sont acquises. Ces caractéristiques
comportent notamment le type de particules chargées et la gamme d'énergie du
faisceau 8.
[0063] Ensuite, lors d'une étape 102, un canon 24 capable de générer un
faisceau
avec les mêmes particules chargées et sur une plage d'énergie qui englobe la
gamme d'énergie souhaitée pour le faisceau 8 est fourni. Par exemple, ce canon
24
est construit ou acheté. Dès lors, à ce stade, les différentes
caractéristiques du
faisceau 26 sont connues. En particulier, son angle ai et la distance d1 sont
alors
connus ou déterminables.
[0064] Débute alors une phase 104 de conception et de fabrication du capteur
60
pour que celui-ci remplisse à lui seul à la fois :
- la fonction de mesure de l'intensité du faisceau 8, et
- la fonction de matériel de mise en forme pour transformer le faisceau 26
en
faisceau 8.
[0065] A ce stade, il est précisé que dans l'état de l'art, il n'a jamais été
imaginé
qu'un capteur à semiconducteur peut modifier substantiellement et à lui seul
l'homogénéité et l'angle d'ouverture du faisceau de particules chargées qui le
traverse. Ici, par substantiellement modifié , on désigne une modification
qui
permet d'obtenir une distance d2 au moins deux fois et, de préférence, au
moins
quatre ou dix fois supérieure à la distance d1. Au contraire, dans l'état de
l'art,
l'épaisseur ei est systématiquement choisie aussi faible que possible pour
maximiser
le taux de transmission du capteur. Le taux de transmission d'un capteur est
égal au
ratio loudlin, ou 'out et lin sont les intensités des faisceaux,
respectivement, sortant et
entrant du capteur. Or, un tel capteur à semi-conduteur avec une très faible
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épaisseur ei ne modifie pas substantiellement l'homogénéité du faisceau qui le
traverse.
[0066]1ci, cette idée est exploitée pour concevoir un capteur 60 qui, à lui
seul,
permet de transformer le faisceau 26 en faisceau 8 sans l'aide de matériel
additionnel de mise en forme du faisceau.
[0067]A cet effet, lors d'une étape 110, le matériau semi-conducteur dans
lequel doit
être réalisé la couche semi-conductrice 78 est d'abord sélectionné dans la
liste des
matériaux semi-conducteurs qui sont de bons candidats pour fabriquer la zone
active 70. Ici, ce matériau semi-conducteur est le carbure de silicium SiC-4H.
A ce
stade, les différentes caractéristiques du matériau semi-conducteur choisi
sont donc
connues. En particulier, la densité du matériau choisi est connue.
[0068] Ensuite, lors d'une étape 112, l'épaisseur e, de la couche semi-
conductrice 78
est ajustée pour que la distribution spatiale des particules chargées du
faisceau 8
dans le plan P2 soit substantiellement modifiée par rapport à la distribution
spatiale
46 du faisceau 26 dans le plan P1. Ainsi, ici, a minima, l'épaisseur ei est
ajustée pour
que la distance dz soit au moins deux fois supérieure à la distance d1.
[0069] Pour cela, il est procédé par essais successifs de plusieurs valeurs
possibles
de l'épaisseur ei jusqu'à obtenir une ou plusieurs épaisseurs ei qui satisfont
différents
critères de sélection. Parmi ces différents critères de sélection, au moins
l'un d'entre
eux conduit systématiquement à sélectionner une valeur pour l'épaisseur ei
telle que
la distance dz soit supérieure à deux fois la distance dl. Ici, ce premier
critère de
sélection est le suivant :
- Critère 1) : l'épaisseur ei sélectionnée correspond à une distance dz
supérieure à
un seuil dminz, où le seuil dm inz est supérieur à deux fois la distance d1.
[0070]Par exemple, lors d'une opération 116, plusieurs valeurs possibles de
l'épaisseur ei sont choisies. Les valeurs sont choisies comprises dans un
intervalle
[emini ; emaxi] et sont espacées les unes des autres d'un pas, par exemple,
régulier.
La valeur emini est par exemple supérieure ou égale à l'épaisseur minimale que
doit
avoir la couche semi-conductrice 78 de manière à permettre la mesure de
l'intensité
du faisceau 8. La valeur emaxi est cinq, ou dix ou cinquante fois plus grande
que la
valeur emini. Généralement, la valeur emaxi est inférieure à 1 cm ou 5 mm. Par
exemple, ici, la valeur emin, est égale à 50 pi.m, alors que la valeur
minimale de
l'épaisseur e, qui permet de mesurer l'intensité du faisceau 8 est plutôt de
l'ordre de
10 m. Ici, la valeur emaxi est égale à 1 mm.
[0071] Le pas régulier est choisi pour que le nombre d'essais à réaliser soit
raisonnable. Par exemple, le pas choisi est de 50 pm.
[0072] Ensuite, lors d'une opération 118, la valeur de la distance dz
correspondant à
chacune des valeurs de l'épaisseur ei choisies lors de l'opération 116, est
déterminée. Ici, de plus, lors de l'opération 118, la valeur de l'angle az et
du taux T2
de transmission du capteur 60 correspondant à chacune des valeurs choisies de
l'épaisseur el sont également déterminées.
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[0073]A cet effet, pour chaque valeur de l'épaisseur ei choisie, la
distribution spatiale
des particules chargées du faisceau dans le plan P2 est d'abord construite par
simulation numérique. Par exemple, une telle simulation numérique est réalisée
en
utilisant le logiciel MCNP (Monte-Carlo N-Particules transport code) ou le
logiciel
5 Geant (GEometry ANd Tracking). Ces logiciels permettent de modéliser le
faisceau
26 et la zone active 70. Ensuite, en mettant en oeuvre des simulations de
Monte-
Carlo, ils construisent la distribution spatiale des particules chargées dans
un plan
quelconque dont l'emplacement le long de l'axe 10 est spécifié. Ainsi, pour
obtenir la
distribution spatiale dans le plan P2, la position et les différentes
caractéristiques du
10 faisceau 26 et des couches 78 et 80 sont modélisées et introduites dans ce
logiciel.
Les caractéristiques du faisceau 26 sont celles choisies lors des étapes 100
et 102.
Les positions des plans P1 et P2 sont aussi spécifiées. Lors de la simulation,
les
caractéristiques suivantes sont également introduites dans le logiciel de
simulation :
- les caractéristiques du matériau semi-conducteur utilisé pour réaliser la
couche
semiconductrice 78 et notamment sa densité et son épaisseur ei,
- éventuellement, les caractéristiques du matériau conducteur utilisé pour
réaliser la
couche conductrice 80 et notamment sa densité et son épaisseur, et
- la position du capteur 60 par rapport à la fenêtre 44 telle que
précédemment
décrite au regard de la figure 1.
[0074]Enfin, en plus de la distribution spatiale des panicules chargées dans
les
plans P1 et P2, ces logiciels permettent aussi de déterminer en même temps :
- les intensités l et lout du faisceau de particules chargées au niveau des
plans,
respectivement, Pi et P2,
- l'angle d'ouverture du faisceau 8.
[0075] Une fois que la distribution spatiale du faisceau dans le plan P2 est
construite,
la valeur de la distance d2 est ensuite déterminée. Pour cela, par exemple :
- la densité maximale Dmax2 est relevée au niveau du point de coordonnées
(0 cm;
0 cm), puis
- la densité médiane Dmed2 est calculée à l'aide de la relation suivante :
Dmed2
Dmax2/2, puis
- les coordonnées d'un point où la densité de particules chargées est égale
à la
densité Dmed2 sont relevées, et enfin,
- la distance entre ce point relevé et le point de coordonnées (0 cm; 0 cm)
est
calculée.
[0076]Cette distance calculée est la distance d2 de la distribution spatiale
du
faisceau dans le plan P2.
[0077]Une telle simulation numérique permet aussi de déterminer le nombre de
particules chargées qui traverse les plans P1 et P2 pendant un intervalle de
temps
prédéterminé. Les intensités lin et Inut sont alors déduites de ces
informations.
[0078] L'angle d'ouverture du faisceau 8 simulé qui ressort par la face 74 est
aussi
déterminé.
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[0079] A chaque fois qu'une valeur spécifique de l'épaisseur e1 est simulée,
cette
valeur spécifique est enregistrée sur une ligne d'une table de résultat et les
valeurs
de la distance d2, du taux T2 et de l'angle 02 correspondantes à cette
épaisseur sont
enregistrées sur la même ligne.
[0080]La figure 4 est un premier exemple de distribution spatiale obtenue par
simulation numérique lorsque l'épaisseur e, est prise égale à 200 m. Les
figures 7 à
9 représentent des distributions spatiales identiques sauf que celles-ci sont
obtenues
pour des épaisseurs e, égales à, respectivement, 50 m, 100 lm et 300 m.
Comme
le montrent les figures 4 et 7 à 9, la distance d2 augmente fortement en
fonction de
l'épaisseur e,.
[0081]Ensuite, lors d'une opération 120, la valeur de l'épaisseur e, à
utiliser pour
fabriquer le capteur 60 est sélectionnée parmi les différentes valeurs
simulées lors
de l'opération 118. Pour cela, ici, en plus du critère 1) de sélection, des
critères
supplémentaires de sélection sont utilisés. Plus précisément, les deux
critères
supplémentaires de sélection suivants sont utilisés :
- Critère 2) : l'épaisseur a doit correspondre à un taux T2 de transmission
supérieur à
un seuil et
- Critère 3) : l'épaisseur e, doit correspondre à une valeur de l'angle 02
supérieure à
un seuil amin2.
[0082]Par exemple, le seuil Tr11112 est supérieur à 0,4 ou 0,5 et, de
préférence,
supérieur à 0,7 ou 0,9. Le seuil aminzest par exemple supérieur à deux ou
quatre ou
dix fois l'angle ai.
[0083] L'ordre de priorité entre les trois critères 1) à 3) est ici le suivant
: le critère 1)
est plus important que le critère 2), le critère 2) est plus important que le
critère 3).
[0084] Dès lors, les différentes valeurs de l'épaisseur ei de la table de
résultat qui
satisfont le critère 1) sont d'abord sélectionnées. Ensuite, s'il existe
plusieurs valeurs
de l'épaisseur e, qui satisfont le critère 1), seules les valeurs de
l'épaisseur e, qui
satisfont en plus le critère 2) sont sélectionnées.
[0085]Si à ce stade, il existe toujours plusieurs valeurs possibles de
l'épaisseur ei
qui satisfont à la fois les critères 1) et 2), alors parmi l'ensemble de ces
valeurs
possibles, seules les valeurs de l'épaisseur e1 qui satisfont en plus le
critère 3) sont
sélectionnées.
[0086]Enfin, si à ce stade, il existe toujours plusieurs valeurs possibles de
l'épaisseur e, qui satisfont à la fois les critères 1) à 3), une seule d'entre
elles est
sélectionnée. Par exemple, c'est la plus petite de ces valeurs qui est
sélectionnée.
[0087]L'ajustement de l'épaisseur e, est alors terminé. Les autres opérations
de
conception du capteur 60 sont, par exemple, conventionnelles et ne sont pas
décrites ici.
[0088] La phase 104 de conception du capteur 60 est alors terminée. Par
exemple,
ici, c'est l'épaisseur e, égale à 200 lm qui a été sélectionnée pour fabriquer
la tête 2.
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[0089] Lors d'une étape 130, le capteur 60 conçu lors de la phase 104 est
fabriqué.
Lors de cette étape, la couche semi-conductrice 78 est réalisée de manière à
présenter l'épaisseur el sélectionnée lors de l'étape 120.
[0090] Ensuite, lors d'une étape 132, la tête 2 d'irradiation est fabriquée.
Pour cela,
le canon 24 fourni lors de l'étape 102 et le capteur 60 fabriqué lors de
l'étape 130
sont assemblés et fixés à l'intérieur du boîtier 20 pour obtenir l'agencement
décrit en
détail en référence à la figure 1.
[0091]Chapitre II : Variantes.
[0092]Variantes du capteur :
[0093] De nombreux autres modes de réalisation du capteur 60 sont possibles.
Par
exemple, la région 76 de déplétion peut aussi être formée sous la forme d'une
diode
PN ou d'une diode PiN ou par la région de déplétion d'un transistor à effet de
champ. En particulier, les différentes architectures d'un capteur à semi-
conducteur
décrit dans la demande VV02017198630A1 peuvent être mises en oeuvre pour
concevoir un capteur à semi-conducteur susceptible d'être utilisé à la place
du
capteur 60 et remplissant les mêmes fonctions.
[0094] En variante, le trou borgne 88 est omis.
[0095] D'autres matériaux que le carbure de silicium sont possibles pour
réaliser la
couche semiconductrice 78. Par exemple, en variante, la couche semiconductrice
78
est réalisée en diamant ou en alliage semi-conducteur composé d'éléments de la
colonne I II-V ou II-VI.
[0096]Les couches conductrices 80, 90 peuvent être réalisées dans d'autres
matériaux conducteurs qu'un métal. Par exemple, en variante, elles sont
réalisées
en graphène mono ou multicouches. Elles peuvent aussi être réalisées dans
d'autres métaux comme le nickel, l'aluminium, le titane ou le tungstène. Les
couches
80 et 90 ne sont pas nécessairement réalisées dans les mêmes matériaux
conducteurs.
[0097] La structuration de la face 74 peut être omise. De même,
l'incorporation de
billes métalliques dans la couche semi-conductrice 78 peut aussi être omise.
[0098]Variantes du procédé de fabrication :
[0099]La couche 80 a peu d'influence sur la distribution spatiale des
particules
chargées dans le plan P2. Ainsi, dans une variante simplifiée, seule la couche
78 est
modélisée dans le logiciel de simulation. De même, il n'est pas nécessaire de
modéliser les parties du capteur 60 qui ne sont pas traversées par le faisceau
comme, par exemple, la partie périphérique 84.
[00100]En variante, les distributions spatiales ne sont pas déterminées par
simulation numérique mais expérimentalement. Par exemple, pour cela, une
grille de
capteurs est placée dans le plan P1. Ces capteurs sont par exemple disposés à
intervalles réguliers dans les directions X et Y. Chaque capteur mesure
localement
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l'intensité du faisceau de particules chargées à l'emplacement où il se
trouve.
L'intensité du faisceau de particules chargées à un emplacement particulier
dépend
du nombre de particules chargées reçues pendant un intervalle de temps à cet
emplacement et donc de la densité de particules chargées à cet emplacement.
Cette
grille de capteur permet donc de mesurer la distribution spatiale des
particules
chargées dans le plan contenant cette grille de capteurs. Ensuite, une couche
semiconductrice 78 d'une épaisseur e, choisie est placée entre les plans P1 et
P2 et
la grille de capteurs est placée dans le plan P2, c'est-à-dire juste derrière
la couche
semiconductrice testée. Aucune grille de capteurs n'est placée dans ce cas en
amont de la couche semiconductrice, c'est-à-dire du côté tourné vers le canon
24.
Dans cette configuration, la grille de capteurs permet de mesurer la
distribution
spatiale des particules chargées dans le plan P2 en présence de la couche semi-
conductrice. Ensuite, il est procédé comme décrit précédemment, c'est-à-dire
que
différentes épaisseurs de la couche semiconductrice sont successivement
essayées
jusqu'à trouver l'épaisseur qui convienne. Il est aussi possible d'utiliser un
seul
capteur au lieu d'une grille de plusieurs capteurs. Dans ce dernier cas, cet
unique
capteur est déplacé dans le plan où l'on souhaite relever la distribution
spatiale des
particules chargées afin de mesurer l'intensité du faisceau à différents
emplacements de ce plan.
[00101] D'autres modes de réalisation de l'opération de sélection de
l'épaisseur e1 à
utiliser pour fabriquer le capteur 60 sont possibles. En variante, des
critères
supplémentaires peuvent être pris en compte pour sélectionner la valeur de
l'épaisseur el à utiliser. Par exemple, un critère supplémentaire peut être
d'imposer
que la valeur de l'épaisseur e, soit inférieure à un seuil maximum afin de
prendre en
compte des contraintes de fabrication.
[00102] A l'inverse, le nombre de critères de sélection peut aussi être
réduit. Par
exemple, en variante, l'un des critères 2) et 3) est omis ou remplacé par un
autre
critère. Lorsque les critères 2) et 3) sont omis, la détermination lors de
l'opération
118 du taux T2 de transmission et/ou de la valeur de l'angle (12 peut alors
être omise.
[00103] L'ordre de priorité entre les différents critères de sélection peut
aussi être
modifié. Par exemple, la priorité du critère 3) peut être plus importante que
celle du
critère 1) ou 2).
[00104] Le critère 3) peut être remplacé ou complété par un critère qui impose
une
valeur maximale à l'angle a2.
[00105] D'autres grandeurs physiques que la distance d1 ou d2, peuvent être
utilisées
en tant que mesure de l'homogénéité d'une distribution spatiale de particules
chargées. Toutefois, quelle que soit la grandeur physique utilisée, celle-ci
est
représentative d'une distance dl ou d2. Typiquement, il existe une
correspondance
biunivoque ("one-to-one correspondence" en anglais) entre les valeurs de cette
grandeur physique et les valeurs de la distance dl ou d2. Par exemple, une
grandeur
physique représentative de la distance d1 ou d2 est l'écart type ou la
variance de la
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distribution spatiale. L'écart type de la distribution spatiale est, par
exemple, calculé
à partir des données d'une coupe transversale de la distribution spatiale
telle que
celle représentée sur la figure 3. Le rapport Dmax2/Dmax1 est aussi une
grandeur
physique représentative de l'homogénéité de la distribution spatiale. En
effet, plus ce
rapport est petit, plus l'homogénéité de la distribution spatiale secondaire
est
importante par rapport à la distribution spatiale primaire. De même, d'autres
distances que la distance d1 ou d2 sont utilisables. Par exemple, il est
possible
d'utiliser une distance d2' entre l'axe 10 et un point où la densité de
particules
chargées est égale à une densité prédéterminée D2, où la densité D2 est
inférieure à
la densité Dmax2 et différente de la densité Dmed2. Il est aussi possible
d'utiliser une
distance entre deux points correspondant à deux densités prédéterminées
différentes, respectivement, D2 et D3, où la densité D3 est différente de la
densité D2.
[00106] Autres variantes :
[00107] En variante, la section transversale du faisceau 8 n'est pas
nécessairement
circulaire. Autrement dit, le cône qui délimite le faisceau 8 en sortie de la
tête 2 n'est
pas nécessairement un cône de révolution.
[00108] Le procédé de fabrication décrit ici s'applique aussi pour la
fabrication de
têtes d'irradiation de faisceaux de particules chargées de plus faible énergie
et
notamment pour des faisceaux de particules chargées dont l'énergie est
inférieure à
1 MeV ou 100 keV ou 10 keV.
[00109] Le faisceau n'est pas nécessairement un faisceau d'électrons. Le
procédé
de fabrication décrit ici s'applique à tout type de faisceau de particules
chargées. Par
exemple, les particules chargées appartiennent au groupe composé des
électrons,
des positons, des protons et des particules lourdes chargées. Les particules
lourdes
chargées comportent toutes les particules comportant un noyau. Par exemple, il
s'agit de particules a, des ions de carbone, des ions de cuivre ou des ions
d'or.
[00110] En fait, pour toutes particules chargées choisies, pour tout matériau
semi-
conducteur choisi pour la couche 78 et pour toute énergie choisie du faisceau
26, il
existe au moins une épaisseur el qui permet de modifier substantiellement la
distribution spatiale du faisceau 26. Toutefois, si l'étape 112 conduit à
sélectionner
une épaisseur e, qui n'est pas compatible avec d'autres contraintes de
fabrication,
comme par exemple l'encombrement du capteur 60, alors l'un des choix
précédents
peut être modifié puis l'étape 112 réitérée. Par exemple, un autre matériau
semiconducteur est sélectionné pour la couche 78.
[00111] Dans un autre mode de réalisation, le faisceau 8 n'est pas un faisceau
pulsé
mais un faisceau continu.
[00112] L'unité 32 de commande peut aussi être placée en dehors du boîtier 20.
[00113] En variante le matériel 30 comporte, en plus du capteur 60, un
dispositif
égalisateur et/ou un collimateur. Dans ce cas, de préférence, ce dispositif
égalisateur
et/ou ce collimateur est placé en amont du capteur 60. Dans cette variante,
puisque
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le capteur est conçu pour faire une partie du travail de mise en forme du
faisceau, le
dispositif égalisateur et/ou le collimateur sont plus simples et moins
encombrant.
[00114] Chapitre III : Avantages des modes de réalisation décrits :
5 [00115] Le choix d'une épaisseur e, de la couche semiconductrice qui permet
d'améliorer l'homogénéité du faisceau de particules chargées par un facteur
d'au
moins deux permet de simplifier la tête d'irradiation. Par exemple, lorsque le
capteur
à semiconducteur permet d'atteindre l'homogénéité souhaitée du faisceau 8 sans
aucun autre dispositif égalisateur que le capteur lui-même, alors cela limite
10 l'encombrement de la tête d'irradiation. En effet, aucun dispositif
égalisateur
supplémentaire n'est nécessaire. De plus, lorsqu'un dispositif égalisateur
autre que
le capteur est utilisé dans une tête d'irradiation, il absorbe une partie des
particules
du faisceau 8. Ainsi, la tête d'irradiation décrite ici, en éliminant tout
dispositif
égalisateur supplémentaire, limite aussi le problème d'absorption des
particules
15 chargées par ces dispositifs égalisateurs supplémentaires.
[00116] Dans le cas où l'épaisseur de la couche semi-conductrice du capteur ne
permet pas d'atteindre l'homogénéité souhaitée ou l'angle d'ouverture souhaité
pour
le faisceau 8, un dispositif égalisateur supplémentaire ou un collimateur
supplémentaire peut être utilisé en complément du capteur. Toutefois, même
dans
ce cas, l'utilisation du capteur décrit ici permet de simplifier ce dispositif
égalisateur
ou ce collimateur, car une partie substantielle du travail de mise en forme du
faisceau de particules chargées est réalisée par le capteur. Ainsi, le nombre
et/ou la
structure du dispositif égalisateur supplémentaire et/ou du collimateur
supplémentaire sont simplifiés. Dès lors, même dans ce dernier cas, le capteur
décrit ici permet de simplifier la tête d'irradiation et donc d'en limiter
l'encombrement
tout en limitant en même temps le problème d'absorption de particules chargées
par
le matériel de mise en forme.
[00117] La détermination par simulation numérique de la distribution spatiale
simplifie la mise en oeuvre du procédé de fabrication de la tête
d'irradiation.
[00118] La sélection de l'épaisseur de la couche semi-conductrice de manière à
augmenter le taux de transmission du capteur permet d'obtenir à la fois un
capteur
fortement transparent au faisceau de particules chargées tout en étant capable
de
substantiellement homogénéiser ce faisceau de particules chargées.
[00119] La sélection de l'épaisseur de la couche semi-conductrice de manière à
augmenter substantiellement l'angle d'ouverture du faisceau de particules
chargées
permet d'obtenir à la fois un capteur qui augmente substantiellement l'angle
d'ouverture tout en étant capable, en même temps, de substantiellement
homogénéiser le faisceau de particules chargées.
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