Optimisation de détecteurs de rayonnement gamma pour l’imagerie médicale. Tomographie par émission de positrons temps de vol // Optimization of gamma radiation detectors for medical imaging. Time-of-flight positron emission tomography

Introduction
Les technologies innovantes d’imagerie fonctionnelles contribuent à la priorité sur les Médecines du Futur du CEA. La tomographie par émission de positrons (TEP) est une technique d'imagerie médicale nucléaire largement utilisée en oncologie et en neurobiologie.
La désintégration du traceur radioactif émet des positrons, qui s'annihilent en deux photons de 511 keV. Ces photons sont détectées en coïncidence et utilisées pour reconstituer la distribution de l'activité du traceur dans le corps du patient.
Nous vous proposons de contribuer au développement d’une technologie ambitieuse et brevetée : ClearMind. Le premier prototype est à nos laboratoires. Ce détecteur de photons gamma utilise un scintillant cristal monolithique de haute densité et grand Z, dans lequel sont produits des photons Cherenkov et de scintillation. Ces photons optiques sont convertis en électrons par une couche photo-électrique et multipliés dans une galette à microcanaux. Les signaux électriques induits sont amplifiés par des amplificateurs gigahertz et numérisés par les modules d'acquisition rapide SAMPIC. La face opposée du cristal sera équipée d'une matrice de photo-détecteur en silicium (SiPM).
Aujourd’hui nous disposons d’un premier prototype. Nous travaillons a en construire deux supplémentaires.

Le travail proposé
Vous travaillerez dans un laboratoire d’instrumentation avancé dans un environnement de physique des particules.
Il s’agira d’abord d’optimiser les « composants » des détecteurs ClearMind, pour parvenir à des performances nominales. Nous travaillerons sur les cristaux scintillants, les interfaces optiques, les couches photo-électriques et les photo-détecteurs rapides associés (MCP-PMT et SiPM), les électroniques de lectures.
Il s’agira ensuite de caractériser les performances des détecteurs prototypes sur nos bancs de mesure en développement continu. Les données acquises seront interprétées au moyen de logiciels d’analyse « maison » écris en langage C++ et/ou Python.
Il s’agira enfin de confronter les propriétés mesurées de nos détecteurs à des simulations dédiées (Monté-Carlo sur logiciels Geant4/Gate).
Un effort particulier sera con-sacré au développement de cristaux scintillants ultra-rapides dans le contexte d’une collaboration européenne.
Supervision
Le candidat retenu travaillera sous la supervision conjointe de Dominique Yvon et Viatcheslav Sharyy DRF/ IRFU & BIOMAPS. Le groupe CaLIPSO de l'IRFU & BIOMAPS est spécialisé dans le développement et la caractérisation de détecteurs TEP innovant. Dans le cadre du projet, nous avons une étroite collaboration avec le l’IJCLabs d’Orsay, qui développe nos électroniques de lecture et d’acquisition, le CEA/DM2S qui travaille notamment sur des algorithmes d'IA de confiance, le CPPM de Marseille, qui évalue nos détecteurs dans des conditions d’acquisition d’imagerie TEP et l’UMR BIOMAPS (CEA/SHFJ), travaillant sur les algorithmes de calculs d’image.
Exigences
Des connaissances en physique de l’interaction particules-matière, de la radioactivité et des principes des détecteurs de particules sont indispensables. Un goût prononcé pour l’instrumentation et le travail de laboratoire est recommandé. Il est important d'avoir des compétences de base en programmation, par exemple C++, logiciel de simulation physique Gate/Geant4.
Compétences acquises
Bonne connaissance des technologies de pointe des détecteurs de particules et des tomographes à émission de positrons. Principes et techniques de simulation de l'interaction des particules-matière et les systèmes de détection. Analyse de données complexes.
Contact
Dominique Yvon, dominique.yvon@cea.fr
Viatcheslav Sharyy, viatcheslav.sharyy@cea.fr


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Introduction
Innovative functional imaging technologies are contributing to the CEA's ‘Medicine for the Future’ priority. Positron emission tomography (PET) is a nuclear medical imaging technique widely used in oncology and neurobiology. The decay of the radioactive tracer emits positrons, which annihilate into two photons of 511 keV. These photons are detected in coincidence and used to reconstruct the distribution of tracer activity in the patient's body.
We're proposing you to contribute to the development of an ambitious, patented technology: ClearMind. The first prototype is in our laboratories. This gamma photon detector uses a monolithic scintillating crystal of high density and atomic number, in which Cherenkov and scintillation photons are produced. These optical photons are converted into electrons by a photoelectric layer and multiplied in a MicroChannel plate. The induced electrical signals are amplified by gigahertz amplifiers and digitized by SAMPIC fast acquisition modules. The opposite side of the crystal will be fitted with a matrix of silicon photomultiplier (SiPM).
Today we have our first prototype, and we are preparing two more.

The proposed work
You will work in an advanced instrumentation laboratory in a particle physics environment .
The first step will be to optimize the "components" of ClearMind detectors, in order to achieve nominal performance. We'll be working on scintillating crystals, optical interfaces, photoelectric layers and associated fast photodetectors (MCP-PMT and SiPM), and readout electronics.
We will then characterize the performance of the prototype detectors on our measurement benches, which are under continuous development. The data acquired will be interpreted using in-house analysis software written in C++ and/or Python.
Finally, we will compare the physical behavior of our detectors to Monté-Carlo simulation software (Geant4/Gate).
A particular effort will be devoted to the development of ultra-fast scintillating crystals in the context of a European collaboration.

Supervision
The successful candidate will work under the joint supervision of Dominique Yvon and Viatcheslav Sharyy (DRF/IRFU & BIOMAPS). The CaLIPSO group at IRFU & BIOMAPS specializes in the development and characterization of innovative PET detectors, including detailed detector simulation. As part of the project, we are working closely with IJCLabs in Orsay, which is developing our readout and acquisition electronics, CEA/DM2S, which is working in particular on trusted AI algorithms, CPPM in Marseille, which is evaluating our detectors under PET imaging acquisition conditions, and UMR BIOMAPS (CEA/SHFJ), working on image calculation algorithms.

Requirements
Knowledge of the physics of particle-matter interaction, radioactivity and the principles of particle detectors is essential. A strong interest in instrumentation and laboratory work is recommended. Basic programming skills, e.g. C++, Gate/Geant4 physics simulation software, are important.

Skills acquired
Good knowledge of state-of-the-art particle detector and positron emission tomography technologies. Simulation principles and techniques for particle-matter interaction and detection systems. Analysis of complex data.

Contact
Dominique Yvon, dominique.yvon@cea.fr
Viatcheslav Sharyy, viatcheslav.sharyy@cea.fr
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Pôle fr : Direction de la Recherche Fondamentale
Département : Institut de recherche sur les lois fondamentales de l’univers
Service : Service de Physique des Particules
Laboratoire : Groupe Santé et Energie (GSE)
Date de début souhaitée : 01-09-2026
Ecole doctorale : Physique et Ingénierie: électrons, photons et sciences du vivant (EOBE)
Directeur de thèse : SHARYY Viatcheslav
Organisme : CEA
Laboratoire : DRF/IRFU
URL : https://irfu.cea.fr/Pisp/dominique.yvon
URL : rfu.cea.fr/Phocea/Vie_des_labos/Ast/ast_technique.php?id_ast=3937&id_groupe=3923

Public/private mixed funding

Pôle fr : Direction de la Recherche Fondamentale
Département : Institut de recherche sur les lois fondamentales de l’univers
Service : Service de Physique des Particules

Master2 Physique Subatomique. Master 2 Radiophysique. Ingé instrumentation avancée