Ultra-high dose rate (UHDR) radiation therapy (RT) has recently gained significant interest. Studies, mostly carried out in proton beams, show that UHDR reduces healthy tissue damage in comparison to conventional dose rates. The rise in UHDR-RT has highlighted the need for cost-effective proton acceleration methods. Proton RT is still relatively inaccessible due to high costs and the large size of the proton accelerators and gantries. One solution to address these issues is the development of novel proton acceleration methods. In terms of UHDR dosimetry, the measurement of absorbed dose in UHDRs beams is compromised by ion recombination in commercial ionization chambers. Hence, it is relevant to revisit the theory of ion recombination to expand its applicability to the UHDR regime. Previous theoretical investigations and methods used to measure the ion recombination correction factor in the clinic do not hold above 10 mGy dose-per-pulse (DPP). The main goal of this thesis is to address these two needs that arise from the introduction of UHDR radiation therapy, including proton therapy. The Dielectric Wall Accelerator (DWA) is a compact, cost-effective proton acceleration method. The DWA accelerates protons with high accelerating gradients that are formed by injecting high voltage (HV) pulses into radial waveguides. The HV pulses are formed by a pulser with a semiconductor switch. The pulse width must be on the order of ns and should operate above 1 kHz to achieve UHDRs. The drift step recovery diode (DSRD) is a Silicon opening switch that can withstand HV and operate in the ns scale, which makes it a suitable candidate for the switch. In order to determine if a DSRD-based pulser is suitable for the DWA in terms of the pulse requirements, two pulser designs were built and tested; a magnetic saturation transformer (MST)-DSRD-based pulser and a MOSFET-DSRD-based multi-module pulser. The MOSFET-DSRD-based pulser consistently generated pulses with shorter widths, the shortest being 3 ns. The largest amplitude pulse (10.9 kV, rise time 1.66 ns, pulse width 3.48 ns) was also generated by the MOSFET-DSRD-based pulser with six modules. Both pulsers were able to be run at 1 kHz and up to 10 kHz for the MOSFET-DSRD-based pulser. The pulse stability of the MOSFET-DSRD-based pulser was within 1% up to 10 kHz. It was shown that parasitic coupling between the modules of the MOSFET-DSRD-based pulser affects the pulse through the MOSFET on-time. Simulations with Sentaurus TCAD by Synopsys studied the influence of the DSRD doping profile and material on the pulse. To reduce the pedestal effect, the width of the p doped region should be larger than the width of the n doped region. Silicon carbide DSRDs result in lower amplitude pulses and longer pulse widths, due to incomplete ionization. In order to solve the partial differential equations (PDEs) describing the charge carrier transport and space charge, a semi-analytical solution method based on the homotopy perturbation method (HPM) is employed. The resulting analytical expression for the ion recombination correction factor was used in a fit procedure with published measured data. The estimate of the charge collection efficiency obtained with this fit procedure were within 6% of the published values for (1) values below 1 Gy DPP for a 1 mm plate separation parallel-plate chamber and (2) below 3 Gy DPP for a 0.5 mm plate separation. A fit based on a general equation consisting of a constant term and a 1/V^2 term (V is the chamber voltage) performed just as well. The work carried out in this thesis addresses two needs brought about by UHDR radiation therapy. The investigations into the MOSFET-DSRD-based pulser and its driving conditions pave the way for the development of the DWA system and achieving low-cost, accessible UHDR proton RT. The method presented for determining the ion recombination correction factor allows for its determination in UHDR beams in the clinical setting

La radiothérapie à ultra-haut débit de dose (UHDR) est devenue un sujet d'intérêt majeur en raison de son potentiel pour réduire les dommages aux tissus sains par rapport aux débits de dose conventionnels. Cette approche, étudiée principalement avec des faisceaux de protons, a suscité un besoin urgent de technologies rentables et compactes pour l'accélération des protons. En effet, la protonthérapie reste inaccessible à grande échelle en raison des coûts élevés des infrastructures, notamment la taille et la complexité des accélérateurs et des portiques. L'une des solutions à ces problèmes consiste à mettre au point de nouvelles méthodes d'accélération des protons. En termes de dosimétrie UHDR, la mesure de la dose absorbée dans les faisceaux UHDR est compromise par la recombinaison des ions dans les chambres d'ionisation commerciales. Il est donc important de revoir la théorie de la recombinaison des ions afin d'étendre son applicabilité au régime UHDR. Les études théoriques précédentes et les méthodes utilisées pour mesurer le facteur de correction de la recombinaison des ions en clinique ne sont pas valables au-delà de 10 mGy de dose par impulsion (DPP). L'objectif principal de cette thèse est de répondre à ces deux besoins qui découlent de l'introduction de la radiothérapie UHDR, y compris la protonthérapie. Le DWA est une méthode d'accélération innovante qui exploite des gradients d'accélération élevés, générés par des impulsions haute tension (HV) injectées dans des guides d’ondes radiaux. Ces impulsions, formées par un pulseur doté d’un commutateur à semi-conducteur, doivent présenter une largeur temporelle de quelques nanosecondes et une fréquence d’au moins 1 kHz pour répondre aux critères UHDR. La diode de récupération de l'étape de dérive (DSRD), un commutateur silicium, se distingue par sa capacité à fonctionner à haute tension et à l’échelle du nanoseconde, faisant d’elle un choix idéal. Deux prototypes de pulseurs basés sur la DSRD ont été conçus et testés : un à transformateur magnétique à saturation (MST) et un multi-modules MOSFET-DSRD. Les tests ont révélé que le modèle MOSFET-DSRD générait systématiquement des impulsions plus courtes, avec une largeur minimale de 3 ns, et des amplitudes plus élevées, atteignant 10,9 kV avec un temps de montée de 1,66 ns. Ce prototype a fonctionné de manière stable jusqu'à 10 kHz, avec une variation de l'ordre de 1%. Les simulations TCAD ont permis d’optimiser le profil de dopage des DSRD et d’évaluer les performances des matériaux alternatifs. Les résultats ont montré que l'élargissement de la région dopée en p réduisait l'effet de piédestal. Les DSRD en carbure de silicium généraient des impulsions plus longues et moins intenses, en raison d’une ionisation incomplète. Une méthode semi-analytique, basée sur la perturbation homotopique (HPM), a été développée pour résoudre les équations différentielles décrivant le transport des charges et la charge d'espace. L’expression analytique obtenue pour le facteur de correction de la recombinaison des ions a été confrontée à des données expérimentales publiées. Cette approche a démontré une précision de l'ordre de 6%, pour des doses inférieures à 1 Gy DPP dans une chambre à plaques parallèles avec une séparation de 1 mm. Une méthode alternative, basée sur une équation générale comprenant un terme constant et un terme en 1/V^2 (où V est la tension de la chambre), a produit des résultats similaires. Ces avancées permettent une application fiable des chambres d'ionisation en clinique, même dans le régime UHDR. Les travaux présentés dans cette thèse apportent des contributions significatives à deux besoins majeurs de la radiothérapie UHDR. Le développement de pulseurs basés sur la DSRD ouvre la voie à des systèmes DWA compacts et économiques pour une protonthérapie UHDR plus accessible. Parallèlement, l'amélioration des techniques de dosimétrie garantit une meilleure précision dans les environnements cliniques exigeants

Enger, Shirin Abbasi Nejad (Supervisor1)

Seuntjens, Jan (Supervisor2)