La curiethérapie est une méthode pour traiter les tumeurs cancéreuses qui consiste à placer à leur proximité des sources radioactives dont les rayonnements endommagent les cellules et mènent éventuellement à leur destruction. En curiethérapie conventionnelle, les sources utilisées sont scellées et seuls des rayonnements bêta et gamma s’en échappent. Dans une méthode de curiethérapie récemment commercialisée, la source n’est pas scellée et permet à des radionucléides, situés à quelques nanomètres sous sa surface, de s’échapper par mouvement de recul lors de leur désintégration. Ces radionucléides se diffusent par la suite dans la tumeur tout en poursuivant une chaîne de désintégration au cours de laquelle ils émettent principalement des particules alpha. L’énergie déposée par les particules alpha par unité de masse de tissu tumoral constitue la dose alpha. Les outils numériques de la curiethérapie conventionnelle ne tiennent pas compte de la diffusion des émetteurs et sont de ce fait inaptes à calculer correctement la distribution spatiale de la dose alpha. Le travail présenté ici avait pour but de développer des outils numériques incluant la modélisation de la diffusion, permettant ainsi un calcul adéquat de la distribution de dose. La méthode des volumes fnis a été utilisée pour développer des modèles en une, deux et trois dimensions, en coordonnées cylindriques et cartésiennes. Ces modèles déterminent où et quand se produisent les désintégrations, une information clé dans ce travail qui pourra aussi être utilisée dans des travaux futurs comme donnée d’entrée des outils numériques de la curiethérapie conventionnelle pour calculer les doses bêta et gamma. / Brachytherapy is a method for treating cancerous tumors which consists of placing near them radioactive sources whose radiation damages cells which eventually leads to their destruction. In conventional brachytherapy, the sources are sealed and only beta and gamma radiations escape. In a recently commercialized method of brachytherapy, the source is not sealed and allows radionuclides, located a few nanometers below its surface, to be released by recoil during their decay. These radionuclides then diffuse into the tumor while continuing to follow a decay chain during which they mainly emit alpha particles. The energy deposited by alpha particles per unit mass of tumor tissue constitutes the alpha dose. The numerical tools of conventional brachytherapy do not take into account the diffusion of emitters and are therefore unable to correctly calculate the spatial distribution of the alpha dose. The work presented here aimed at developing numerical tools including diffusion modeling, thus allowing an adequate calculation of the dose distribution. The finite volume method was used to develop models in one, two and three dimensions, in cylindrical and Cartesian coordinates. These models determine where and when radioactive decays occur, a key information in this work having also the potential of being used in future work as an input data for conventional brachytherapy numerical tools to calculate beta and gamma doses.

Neste trabalho são apresentados os estudos das condições de resposta de um diodo de Si, com estrutura de múltiplos anéis de guarda, na detecção e espectrometria de partículas alfa. Este diodo foi fabricado por meio do processo de implantação iônica (Al/p+/n/n+/Al) em um substrato de Si do tipo n com resistividade de 3 kohm•cm, 300 mícrons de espessura e área útil de 4 mm2. Para usar este diodo como detector, a face n+ deste dispositivo foi polarizada reversamente, o primeiro anel de guarda aterrado e os sinais elétricos extraídos da face p+. Estes sinais eram enviados diretamente a um pré-amplificador desenvolvido em nosso laboratório, baseado no emprego do circuito híbrido A250 da Amptek, seguido da eletrônica nuclear convencional. Os resultados obtidos com este sistema na detecção direta de partículas alfa do Am-241evidenciaram excelente estabilidade de resposta com uma elevada eficiência de detecção (= 100 %). O desempenho deste diodo na espectrometria de partículas alfa foi estudado priorizando-se a influência da tensão de polarização, do ruído eletrônico, da temperatura e da distância fonte-detector na resolução em energia. Os resultados mostraram que a maior contribuição para a deterioração deste parâmetro é devida à espessura da camada morta do diodo (1 mícron). No entanto, mesmo em temperatura ambiente, a resolução medida (FWHM = 18,8 keV) para as partículas alfa de 5485,6 keV (Am-241) é comparável àquelas obtidas com detectores convencionais de barreira de superfície freqüentemente utilizados em espectrometria destas partículas. / In this work are presented the studies about the response of a multi-structure guard rings silicon diode for detection and spectrometry of alpha particles. This ion-implanted diode (Al/p+/n/n+/Al) was processed out of 300 micrometers thick, n type substrate with a resistivity of 3 kohm•cm and an active area of 4 mm2. In order to use this diode as a detector, the bias voltage was applied on the n+ side, the first guard ring was grounded and the electrical signals were readout from the p+ side. These signals were directly sent to a tailor made preamplifier, based on the hybrid circuit A250 (Amptek), followed by a conventional nuclear electronic. The results obtained with this system for the direct detection of alpha particles from Am-241 showed an excellent response stability with a high detection efficiency (= 100 %). The performance of this diode for alpha particle spectrometry was studied and it was prioritized the influence of the polarization voltage, the electronic noise, the temperature and the source-diode distance on the energy resolution. The results showed that the major contribution for the deterioration of this parameter is due to the diode dead layer thickness (1 micrometer). However, even at room temperature, the energy resolution (FWHM = 18.8 keV) measured for the 5485.6 MeV alpha particles (Am-241) is comparable to those obtained with ordinary silicon barrier detectors frequently used for these particles spectrometry.

Neste trabalho são apresentados os estudos das condições de resposta de um diodo de Si, com estrutura de múltiplos anéis de guarda, na detecção e espectrometria de partículas alfa. Este diodo foi fabricado por meio do processo de implantação iônica (Al/p+/n/n+/Al) em um substrato de Si do tipo n com resistividade de 3 kohm•cm, 300 mícrons de espessura e área útil de 4 mm2. Para usar este diodo como detector, a face n+ deste dispositivo foi polarizada reversamente, o primeiro anel de guarda aterrado e os sinais elétricos extraídos da face p+. Estes sinais eram enviados diretamente a um pré-amplificador desenvolvido em nosso laboratório, baseado no emprego do circuito híbrido A250 da Amptek, seguido da eletrônica nuclear convencional. Os resultados obtidos com este sistema na detecção direta de partículas alfa do Am-241evidenciaram excelente estabilidade de resposta com uma elevada eficiência de detecção (= 100 %). O desempenho deste diodo na espectrometria de partículas alfa foi estudado priorizando-se a influência da tensão de polarização, do ruído eletrônico, da temperatura e da distância fonte-detector na resolução em energia. Os resultados mostraram que a maior contribuição para a deterioração deste parâmetro é devida à espessura da camada morta do diodo (1 mícron). No entanto, mesmo em temperatura ambiente, a resolução medida (FWHM = 18,8 keV) para as partículas alfa de 5485,6 keV (Am-241) é comparável àquelas obtidas com detectores convencionais de barreira de superfície freqüentemente utilizados em espectrometria destas partículas. / In this work are presented the studies about the response of a multi-structure guard rings silicon diode for detection and spectrometry of alpha particles. This ion-implanted diode (Al/p+/n/n+/Al) was processed out of 300 micrometers thick, n type substrate with a resistivity of 3 kohm•cm and an active area of 4 mm2. In order to use this diode as a detector, the bias voltage was applied on the n+ side, the first guard ring was grounded and the electrical signals were readout from the p+ side. These signals were directly sent to a tailor made preamplifier, based on the hybrid circuit A250 (Amptek), followed by a conventional nuclear electronic. The results obtained with this system for the direct detection of alpha particles from Am-241 showed an excellent response stability with a high detection efficiency (= 100 %). The performance of this diode for alpha particle spectrometry was studied and it was prioritized the influence of the polarization voltage, the electronic noise, the temperature and the source-diode distance on the energy resolution. The results showed that the major contribution for the deterioration of this parameter is due to the diode dead layer thickness (1 micrometer). However, even at room temperature, the energy resolution (FWHM = 18.8 keV) measured for the 5485.6 MeV alpha particles (Am-241) is comparable to those obtained with ordinary silicon barrier detectors frequently used for these particles spectrometry.

La curiethérapie par diffusion d’émetteurs alpha (DaRT) est un nouveau type de grain interstitiel dont le potentiel thérapeutique pour les tumeurs solides est élevé en raison de l’utilisation de particules alpha. Cette modalité se distingue de la curiethérapie conventionnelle par une contamination des tissus à un niveau thérapeutique. Les radionucléides filles pénètrent la tumeur grâce à l’énergie de recul acquise lors de l’émission d’une particule alpha, puis ils se dispersent par diffusion dans les tissus avoisinants créant un nuage d’émetteurs alpha. Présentement, le \(^{224}\)Ra est la source radioactive utilisée par la modalité car la synergie de ses descendants de courte demi-vie permettent de produire une zone où la mort cellulaire est élevée. De plus, sa longue demie-vie permet de produire des sources thérapeutiques de faible activité. Le modèle de planification dosimétrique Diffusion-Leakage ne permet pas de déterminer la dose livrée à une zone qui seraient étanche aux radionucléides diffusants. Les particules possédant une longue portée, comme les particules beta et gamma, ne sont pas évaluées par le modèle. Pourtant, ces particules secondaires sont les seules qui déposent de l’énergie dans les zones non-traitées par les particules alpha. Le projet cadre est de simuler la distribution de la dose livrée par ces particules à l’aide de la méthode Monte Carlo. Deux distributions sont recherchées. Une première est la dose associée aux descendants du \(^{224}\)Ra qui se sont dispersés autour du grain et la deuxième est associée au \(^{224}\)Ra et à ses descendants distribués quelques nanomètres sous la surface du grain. Ce mémoire présente une méthode permettant de modéliser la distribution interne de la source de \(^{224}\)Ra sous la surface d’un grain DaRT. Des mesures de spectrométrie alpha ont permis de tester le diagramme de flux de travail et de confirmer la faisabilité de l’extraction de la distribution interne pour trois émetteurs alpha. Les distributions permettront d’évaluer la dose provenant exclusivement du grain en plus d’aider à concevoir des simulations du taux de désorption par recul atomique. Ce travail pourrait permettre d’aider à la conception de nouveaux grains et à l’évaluation de la dose beta et gamma entourant un grain DaRT au \(^{224}\)Ra. / Diffusion alpha-emitter Radiation Therapy (DaRT) is a new type of interstitial brachytherapy seed with high therapeutic potential for solid tumors due to the use of alpha particles. This modality differs from conventional brachytherapy by contaminating tissues to a therapeutic level. The daughters penetrate the tumor using the recoil energy acquired when an alpha particle is emitted and they then scatter by diffusion into the surrounding tissue, creating a cloud of alpha emitters. Currently, \(^{224}\)Ra is the radioactive source used by the modality because the synergy of its short half-life progeny allow to produce a zone where cell death is significant. In addition, its long half-life allows the production of therapeutic sources of low activity. The dosimetric planning model Diffusion-Leakage does not allow the determination of the dose delivered to an area that would be impenetrable by diffusing radionuclides. Particles with a long range, such as beta and gamma particles, are not evaluated by the model. However, these secondary particles are the only ones that deposit energy in areas not treated by alpha particles. The framework project is to simulate the dose distribution delivered by these particles using the Monte Carlo method. Two distributions are pursued. The first is the dose associated with the \(^{224}\)Ra progeny that are dispersed around the seed and the second is associated with radium and its progeny distributed a few nanometers below the surface of the seed. This thesis presents a method enabling the modelisation of the internal distribution of the \(^{224}\)Ra source below the surface of a DaRT seed. Alpha spectrometry measurements were used to test the workflow diagram and confirm the feasibility of extracting the internal distribution for three alpha emitters. The distributions will enable an assessment of the dose coming exclusively from the seed, in addition to helping in designing simulations of the desorption rate by atomic recoil. This work could assist in the design of new seeds and in the evaluation of the beta and gamma dose surrounding a \(^{224}\)Ra DaRT seed.

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La matière sombre est un mystère dans le domaine de l’astrophysique depuis déjà plusieurs années. De nombreuses observations montrent que jusqu’à 85 % de la masse gravitationnelle totale de l’univers serait composée de cette matière de nature inconnue. Une théorie expliquant cette masse manquante considérerait les WIMPs (Weakly Interacting Massive Particles), particules stables, non chargées, prédites par des extensions du modèle standard, comme candidats. Le projet PICASSO (Projet d’Identification des CAndidats Supersymétriques à la matière Sombre) est une expérience qui tente de détecter directement le WIMP. Le projet utilise des détecteurs à gouttelettes de fréon (C4F10) surchauffées. La collision entre un WIMP et le noyau de fluor crée un recul nucléaire qui cause à son tour une transition de phase de la gouttelette liquide à une bulle gazeuse. Le bruit de ce phénomène est alors capté par des senseurs piézoélectriques montés sur les parois des détecteurs. Le WIMP n’est cependant pas la seule particule pouvant causer une telle transition de phase. D’autres particules environnantes peuvent former des bulles, telles les particules alpha où même des rayons gamma . Le système d’acquisition de données (DAQ) est aussi en proie à du bruit électronique qui peut être enregistré, ainsi que sensible à du bruit acoustique extérieur au détecteur. Finalement, des fractures dans le polymère qui tient les gouttelettes en place peut également causer des transitions de phase spontanées. Il faut donc minimiser l’impact de tous ces différents bruit de fond. La pureté du matériel utilisé dans la fabrication des détecteurs devient alors très importante. On fait aussi appel à des méthodes qui impliquent l’utilisation de variables de discrimination développées dans le but d’améliorer les limites d’exclusion de détection du WIMP. / Dark matter has been a mystery for astrophysicists for years now. Numerous observations have shown that up to 85 % of the gravitation mass of the universe is made of this unknown type of matter. One of the theories explaining this missing mass problem considers WIMPs (Weakly Interacting Massive Particles), neutral stable particles predicted by extensions of the standard model, as possible candidates. The PICASSO experiment (Project In Canada to Search for Supersymetric Objects) tries to detect this particle directly. The technique uses superheated droplet detectors, with freon (C4F10) as the active medium. When a WIMP hits the fluorine nucleus, it creates a nuclear recoil, which in turn triggers a phase transition from a liquid droplet to a gaseous bubble. The acoustic noise of this event is then recorded by piezoelectric transducers mounted on the walls of the detector. There are however other particles than the WIMPs that can trigger this phase transition. Alpha particles, or even gamma rays can create bubbles. The Data Acquisition System (DAQ) is also subject to electronic noise that can be picked up, and to acoustic noise coming from an exterior source. Fractures in the polymer holding the droplets in place can also trigger spontaneous phase transitions. There is therefore a need to minimize the impact of these background noises. The level of purity of the ingredients used in detector fabrication then becomes very important. Digital processing methods are also used to develop discrimination variables that improve the limits of detection of the WIMP.

Le cancer de l’ovaire est la première cause de décès par cancer gynécologique en France et il présente un fort taux de récidive justifiant la recherche de nouvelles thérapeutiques. Notre projet consiste à développer et à explorer sur des modèles expérimentaux précliniques de carcinose péritonéale de nouveaux agents thérapeutiques radiopharmaceutiques et des voies d’administration innovantes ciblant plus particulièrement la maladie résiduelle micro-métastatique présente après chirurgie de cytoréduction. Nous utilisons des anticorps monoclonaux internalisants spécifiques d’un récepteur membranaire surexprimé dans le cancer de l’ovaire et d’autres cancers gynécologiques, le récepteur de type 2 de l’hormone anti-müllerienne (AMHR2). Ces anticorps sont couplés à des radionucléides aux propriétés thérapeutiques : le Lutecium-177 (un émetteur de particules beta moins) et le Bismuth-213 (un émetteur de particules alpha) réalisant un traitement de radioimmunothérapie. Ils sont évalués après injection intrapéritonéale mais également en utilisant la technique RadioImmunoThérapie Intrapéritonéale Brève (BIP-RIT) consistant à instiller de fortes activités d’anticorps radiomarqués dans le péritoine avant d’en réaliser un rinçage abondant, à l’image de la chimiothérapie hyperthermique intrapéritonéale (CHIP). Sont étudiés sur différents modèles la biodistribution, la dosimétrie, la toxicité et l’efficacité thérapeutique des différentes combinaisons de radionucléides et de voies d’administration. La BIP-RIT présente un profil de biodistribution et de dosimétrie toujours favorable, quel que soit le radionucléide utilisé même si l’utilisation du Bismuth-213 apparait plus particulièrement adaptée à cette technique (bonne efficacité thérapeutique avec absence de toxicité). L’imagerie PET/CT de la biodistribution in-vivo de ces anticorps a été réalisée à l’aide de l’émetteur de positrons Zirconium-89 ouvrant la voie à une approche théragnostique du traitement des cancers gynécologiques AMHR2+ par (radio)immunothérapie. Les mécanismes d’action thérapeutique d’une version humanisée de l’anticorps anti-AMHR2 sont également étudiés. Ce travail ouvre des perspectives cliniques intéressantes dans la prise en charge du cancer de l’ovaire. / Ovarian cancer is the first cause of cancer death from gynaecologic malignancy in France and it has high rate of recurrence justifying the development of new therapeutic tools. Our project aims at developing new radiopharmaceuticals and innovative route of administration to target the small volume residual disease after complete cytoreductive surgery of peritoneal carcinomatosis on preclinical models. We use internalising monoclonal antibodies specific of the anti-müllerian hormone type 2 receptor (AMHR2), overexpressed in ovarian cancer and gynaecologic malignancies. Antibodies are radiolabelled with Lutecium-177, a beta minus emitter, and Bismuth-213, an alpha emitter, to perform radioimmunotherapy. Radiolabelled antibodies are injected intraperitoneally but also after Brief IntraPeritoneal RadioImmunoTherapy (BIP-RIT), a technique delivering high activities in the peritoneal cavity for a short time before washing, like Hyperthermic IntraPEritoneal Chemotherapy (HIPEC). We studied biodistribution, dosimetry, toxicity and therapeutic efficacy on various models and combinaison of radionuclides and route of administration. BIP-RIT appears to be always favourable in term of biodistribution and dosimetry (especially for the tumour-over-blood ratio) whatever the radionuclide used. Bismuth-213 is particularly adapted for radioimmunotherapy of small residual tumours, showing therapeutic efficacy with no toxicity. PET/CT imaging of radiolabelled antibodies with Zirconium-89 was performed and may be used as a theranostic tool for (radio)immunotherapy with anti-AMHR2 antibodies. The anti-tumour efficacy mechanisms of a humanized version of anti-AMHR2 antibody are also presented. This work may lead to realistic theranostic options in ovarian cancer in clinic.

La matière sombre est un mystère dans le domaine de l’astrophysique depuis déjà plusieurs années. De nombreuses observations montrent que jusqu’à 85 % de la masse gravitationnelle totale de l’univers serait composée de cette matière de nature inconnue. Une théorie expliquant cette masse manquante considérerait les WIMPs (Weakly Interacting Massive Particles), particules stables, non chargées, prédites par des extensions du modèle standard, comme candidats. Le projet PICASSO (Projet d’Identification des CAndidats Supersymétriques à la matière Sombre) est une expérience qui tente de détecter directement le WIMP. Le projet utilise des détecteurs à gouttelettes de fréon (C4F10) surchauffées. La collision entre un WIMP et le noyau de fluor crée un recul nucléaire qui cause à son tour une transition de phase de la gouttelette liquide à une bulle gazeuse. Le bruit de ce phénomène est alors capté par des senseurs piézoélectriques montés sur les parois des détecteurs. Le WIMP n’est cependant pas la seule particule pouvant causer une telle transition de phase. D’autres particules environnantes peuvent former des bulles, telles les particules alpha où même des rayons gamma . Le système d’acquisition de données (DAQ) est aussi en proie à du bruit électronique qui peut être enregistré, ainsi que sensible à du bruit acoustique extérieur au détecteur. Finalement, des fractures dans le polymère qui tient les gouttelettes en place peut également causer des transitions de phase spontanées. Il faut donc minimiser l’impact de tous ces différents bruit de fond. La pureté du matériel utilisé dans la fabrication des détecteurs devient alors très importante. On fait aussi appel à des méthodes qui impliquent l’utilisation de variables de discrimination développées dans le but d’améliorer les limites d’exclusion de détection du WIMP. / Dark matter has been a mystery for astrophysicists for years now. Numerous observations have shown that up to 85 % of the gravitation mass of the universe is made of this unknown type of matter. One of the theories explaining this missing mass problem considers WIMPs (Weakly Interacting Massive Particles), neutral stable particles predicted by extensions of the standard model, as possible candidates. The PICASSO experiment (Project In Canada to Search for Supersymetric Objects) tries to detect this particle directly. The technique uses superheated droplet detectors, with freon (C4F10) as the active medium. When a WIMP hits the fluorine nucleus, it creates a nuclear recoil, which in turn triggers a phase transition from a liquid droplet to a gaseous bubble. The acoustic noise of this event is then recorded by piezoelectric transducers mounted on the walls of the detector. There are however other particles than the WIMPs that can trigger this phase transition. Alpha particles, or even gamma rays can create bubbles. The Data Acquisition System (DAQ) is also subject to electronic noise that can be picked up, and to acoustic noise coming from an exterior source. Fractures in the polymer holding the droplets in place can also trigger spontaneous phase transitions. There is therefore a need to minimize the impact of these background noises. The level of purity of the ingredients used in detector fabrication then becomes very important. Digital processing methods are also used to develop discrimination variables that improve the limits of detection of the WIMP.

Le noyau est un objet quantique complexe formé de protons et neutrons. Dans l'approche champ moyen, les nucléons sont considérés comme des particules indépendantes évoluant dans un potentiel moyen. Cependant dans certaines conditions, des nucléons peuvent se regrouper pour former des amas ou « clusters ».Pour comprendre ce phénomène de « clusters » dans les noyaux, nous avons étudié la structure dans l'état fondamental du 40Ca et de l'40Ar. En effet, des calculs théoriques tendent à montrer que les noyaux N = Z pourraient plus facilement adopter une structure en « clusters » que les noyaux N ≠ Z en raison d'un plus grand recouvrement des fonctions d'onde des neutrons et protons. Dans ce cas, l'émission de particules α par les noyaux N = Z sous l'effet du potentiel nucléaire attractif d'un noyau projectile, appelée « Towing-Mode » sera plus important que pour un noyau N ≠ Z. Dans ce but, nous avons réalisé une expérience au GANIL utilisant un faisceau d'40Ar à 35 MeV/A et une cible de 40Ca. Le spectromètre SPEG a permis d'identifier avec une très bonne résolution les ions lourds produits durant la réaction. Les détecteurs silicium MUST2 furent placés tout autour de la cible pour mesurer les particules α émises par la cible et le projectile et le prototype de calorimètre EXL fut utilisé pour la détection des photons de décroissance des noyaux résiduels d'36Ar et de 36S.Un modèle théorique basé sur la résolution de l'équation de Schrödinger dépendante du temps (TDSE) a été utilisé pour reproduire certains résultats expérimentaux comme les distributions angulaires. L'analyse des données a permis de reconstruire des spectres d'énergies d'excitation et des sections efficaces différentielles. De la comparaison entre ces distributions expérimentales et celles calculées par le modèle théorique, nous avons pu extraire des facteurs spectroscopiques Sα pour les deux noyaux d'intérêt. Les taux de « clusterisation » observés pour ces deux noyaux semblent indiquer que la structure en « clusters » n'est pas plus favorisée dans le 40Ca que dans l'40Ar. / Nuclei are complex self-bound systems formed by nucleons. Conjointly to a mean-field picture in which nucleons can be regarded as independent particles, few nucleons might self-organize into compact objects, called clusters, inside the nucleus. It is theoretically predicted that it should manifest itself most strikingly for N = Z nuclei close to the emission thresholds and has been studied extensively in this region. We propose to study α-clusterization in the ground state of the N = Z 40Ca nucleus and the N ≠ Z 40Ar nucleus. We have studied the nuclear break-up of 40Ca when the 40Ar projectile passes by. If α clusters are preformed in 40Ca, the probability of α-emission through nuclear break-up will be enhanced as compared to 40Ar N ≠ Z nuclei. The nuclear break-up of 40Ca was studied with an 40Ar beam produced at GANIL at 35 MeV/A. The SPEG spectrometer was used to detect the heavy projectile with accurate resolution. The MUST2 Silicon detectors were placed around the target to measure the emitted α and the EXL calorimeter prototype was used to identify the γ rays from the decay of the residual 36Ar and 36S.A theoretical approach based on Time-Dependent Schrödinger Equation (TDSE) theory has been used to reproduce some experimental results like angular distributions.From the data analysis, we reconstructed excitation energy spectra and angular distributions which are compared to TDSE theory to extract some spectroscopic factors Sα. These factors show that there is no more clusterization state in the ground state of the 40Ca than in the ground state of 40Ar.