Autoradiographie β

Introduction

L'autoradiographie β est une technique d'imagerie d'émission réalisée à partir d'une source radioactive incluse dans l'échantillon. Elle est dénommée ainsi car la source de rayonnement n’est pas externe comme dans le cas d’une radiographie classique, mais interne. Elle est notamment utilisée pour le marquage et le suivi de molécules impliquées dans des mécanismes biologiques.
Notre projet a pour objet d'étudier s'il est possible d'effectuer une micro-autoradiographie β grâce aux capteurs CMOS du marché.

Bases

Imagerie β

L'imagerie β est une technique pemettant de suivre la répartition d’un élément dans un organisme ou dans l’environnement. Elle se base sur la radioactivité β. Cette radioactivité provient de la transformation d'un neutron en proton (ou d'un proton en neutron) décrite par la théorie de la force nucléaire faible. Cette transformation conduit à l'émission d'un électron et d'un anti-neutrino, dans le cas d'une émission β^-, ou d'un positon et d'un neutrino dans le cas d'une émission β⁺.

Émission β^-: le neutron est converti en proton, une particule β^- et un anti-neutrino sont émis.

Émission β⁺: le proton est converti en neutron, une particule β⁺ et un neutrino sont émis.

Le gros inconvéniant de cette technique vient du fais que le spectre en énergie associé à l'émetteur β est continu

Spectre en énergie de l’émission β du potassium 32.

Le capteur CMOS

Semi-conducteur

Les capteurs CMOS sont des semi-conducteurs. Ils ont la particularité d’être, au niveau de la conductivité électrique, entre les métaux et les isolants. On représente souvent ces different matériaux à l'aide de la théorie des bandes (image).
À titre d'exemple, le silicium Si a une Eg=1.12 eV et le germanium Ge une Eg=0.67 eV.

Géométrie

Les détecteurs CMOS sont composés d’une matrice de photosites chacuns possédant trois couches distinctes. Une couche supérieure anticorrosion, une couche de silicium dopée n (négative, excès d’électrons), une couche inférieure dopée p (positive, lacune d'électrons), et entre les couches dopées p et n se créé une zone appelée zone de déplétion. Cette dernière zone contient une concentration en porteurs libres quasi-nulle, ne laissant pas passer le courant.

Fonctionnement

Ils fonctionnent, dans le cas d'une utilisation classique, grâce à l'effet photoélectrique. Cette effet permet d'obtenir un courant électrique grâce à l'énergie d'une onde électromagnétique (photon) au sein du détecteur. Dans le cas de l'imagerie β, c'est l'électron (ralenti lors de la traversé du capteur) qui est à l'origine de la variation de courant dans le détecteur.

Théories

Pour savoir s'il est possible de capter un rayonnement β^- à l'aide d'un capteur CMOS classique, il nous a fallu étudier le comportement d'un électron dans un matériau.

Interaction élastique

L'électron incident interagit avec un noyau des atomes du matériau, il ne perd pas d'énergie ou peu, mais il subit une diffusion élastique c'est à dire que sa direction est modifiée

Interaction inélastique

L’électron incident interagit avec les électrons des atomes du matériau. L’électron incident transfère une partie de son énergie. Plus le transfert est important, plus l’angle de diffusion est important.

Rayonnement de freinage

L'électron incident est dévié dans le champ coulombien de l'atome. Ce changement de trajectoire s'accompagne de l'émission d'un rayonnement X appelé rayonnement de freinage. Ce phénomène ne concerne que les électrons de très fortes énergies (plusieurs MeV). Lors de ce phénomène l'élctron perd de l’énergie et ralenti. Ainsi, l’électron peut être piégé dans la zone de déplétion du capteur.

Interaction élastique.

Interaction inélastique.

Rayonnement de freinnage.

Parcours moyen

Le parcours moyen est la distance moyenne parcourue par une particule se déplaçant entre deux impacts successifs. On l'obtient en intégrant la formule de Bethe par rapport au pouvoir d’arrêt et à l’énergie de la particule.

Portée

La portée est la pénétration maximum de la particule dans la matière. Elle se calcule avec les formules de Katz et Penfoldn pour des énergies comprises entre 10Kev et 2,5Mev

Trajet d’un électron (en blanc), son parcours moyen (flèche jaune) et sa portée dans la matière (flèche rouge).

Dans le cadre d'une émission β^- d'un potassium 40 et d'un capteur essentiellement composé de silicium, on obtient une portée de 2,45 mm. Ètant donné qu'en moyenne l'épaisseur d'un capteur CMOS est de l'ordre de 3-4 mm, on peut considérer que l'électron ne traversera pas le capteur, et que son maximum d'énergie sera dans la zone de déplétion.
Par conséquent on devrait expérimentalement être capable de détecter le β^-.

Expérience

L'expérience a pour but de corroborer la théorie. Pour ce faire nous avons pris une caméra CMOS du commerce, nous lui avons ôté les composant optique qui ne nous interesse pas, dans notre cas. Ensuite nous avons pris une pastille de carbonte de potassium (K₂CO₃), émétteur β^-, que nous avons déposé sur directement sur le détecteur. Pour obtenir les informations collectées par le capteur, nous avons dû créer deux programme informatique, codés en python, le premier enregistre ce que capte le détecteur et le second fais l'histogramme de chacune des images obtenues.

Afficher programme: CapCam

Afficher programme: Hist

Les histogrammes obtenus ne nous ont pas permis de détecter les particules β^-, et les images associées aux histogrammes nous semblaient très étranges. Nous avons décidé de remplacer la pastille K₂CO₃, sans aucune modification, puis nous avons changer de capteur. Sans succès. Les raisons de ces images nous sont inconnus, ce n'est pas du bruit, ne viens pas d'un problème de la caméra. Ils ne peuvent venir à priori que du programme (qui fonctionne pourtant bien en capture photonique), mais il est difficile de savoir sans un programmeur averti et sans les spécificités des détecteurs utilisés.

Conclusion

L'objetif de ce projet était de montrer qu'il est possible de détecter un β^- dans le cadre d'une micro-autoradiographie avec un capteur CMOS, que l'on peut acquérir dans le commerce public. La physique et les calculs théoriques que nous avons effectués, nous ont montré que cela était possible. Malheureusement nous n'avons pas pu le mettre en évidence de manière expérimentale. Une durée plus longue d'acquisition, et une optimisation des performances des programmes pourraient améliorer l'expérience, et nous permettre de confirmer cette possibilité. Les caractéristiques exactes du capteur entre aussi en jeu, aucune de ces caractéristiques (en particulier l'épaisseur des photosites) nous étaient connues.