Brevet FR2054433A1 — publié le 19710423

La présente invention, due à Messieurs Robert Allemand et Christian Brey du Commissariat à l'Energie Atomique et à Monsieur Jean Jacobé de l'Institut Max von Laiie, a pour objet un dispositif détecteur de localisation de rayonnement électromagnétique (rayonnement X ou gamma) ou de particules char-5 gées (rayonnement bêta). Une application importants,bien que non exclusive, de ce dispositif, consiste dans la localisation angulaire et la mesure de l'intensité du rayonnement diffracté par un échantillon de faible dimension à analyser, irradié par un pinceau de rayons X : La méthode classique d'analyse de la répartition 10 spatiale du rayonnement électromagnétique X ou gamma provenant d'un échantillon de faible dimension, méthode pratiquement seule utilisée jusqu'à présent, consiste à explorer l'espace au moyen d'un détecteur approprié placé sur le bras d'un goniomètre mobile angulairement autour de l'échantillon. Etant donné que la quantité de charge correspondant à chaque particule à détecter est 15 trop faible pour pouvoir être directement mesurée par un préamplificateur (inférieure à un seuil de l'ordre de 4 x 10-^^ coulomb) il est nécessaire, 'd'utiliser un détecteur fonctionnant en régime proportionnel de façon à profiter du coefficient de multiplication des charges que fournit ce mode de fonctionnement. Cette méthode d'exploration est longue et présente de nombreux 20 inconvénients dus à la non simultanéité des mesures pour toutes les orientations . Un problème similaire se pose pour établir une cartographie X ou gamma d'un échantillon de grande dimension (cartographie X d'organe par exemple) : on a surtout utilisé jusqu'à présent un procédé de balayage (scanndng en ter-25 minologie anglo-saxonne) suivant lequel on effectue un balayage de l'espace devant l'échantillon avec un détecteur muni d'un système de collimation approprié au type de rayonnement. Cette méthode présente également les inconvénients mentionnés ci-dessus et notamment celui d'être longue. La présente invention vise à fournir un dispositif détecteur de 30 rayonnements électromagnétiques et notamment de rayonnements X et gamma permettant de déterminer la répartition spatiale d'un faisceau de rayonnement et répondant mieux que ceux antérieurement proposés aux exigences de la pratique, notamment en ce qu'il fournit des informations simultanées sur l'ensemble de 1'e space examiné. 35 Dans ce but l'invention propose un dispositif qui comprend., daïïa me enceinte unique d'épaisseur constante occupée par un gaz, une pluralité de cellules semblables disposées à intervalles réguliers, comportant chacune une anode filaire et deux demi-cathodes, et des moyens pour prélever sur les deux fcg 17042 2 2054433 demi-cat&ecfes, lors die la. dêeeetîm d'un rayonnement, deux impulsions électriques qui sont appliquées à un dispositif de localisation qui fait correspondre de façon biunivoque chaque cellule à l'association de deux voies de prélèvement de ces impulsions électriques une différence de potentiel conti-5 nue telle que la cellule fonctionne en régime proportionnel étant appliquée entre l'anode et les deux demi-cathodes de chaque cellule. De préférence les deux demi-cathodes présentent sensiblement la même surface et sont situées à la même distance de l'anode filaire, ce qui permet d'utiliser pour elles des moyens identiques de prélèvement d'impulsions élec-10 triques. Ledit dispositif de localisation est avantageusement constitué d'un réseau matriciel, les deux impulsions électriques étant appliquées l'une sur une ligne, l'autre sur une colonne de ce réseau, et d'un dispositif d'adressage d'une impulsion résultante à un point de ce réseau. 15 La totalité des signaux étant prélevée sur les demi-cathodes, il est évidemment préférable de porter celles-ci au potentiel continu de la masse, ce qui simplifie beaucoup les problèmes de sortie de signaux, et de porter les anodes filaires au potentiel positif par rapport à la masse, nécessaire au fonctionnement en régime proportionnel. 20 Dans un mode d'exécution préféré de l'invention, les anodes sont constituées par une ou plusieurs nappes, de fils, les fils d'une nappe étant tous parallèles entre eux, et les demi-cathodes d'une même cellule appartiennent l'une à un premier groupe constitué par des bandes parallèles situées dans un même plan et l'autre à un second groupe constitué également de bandes 25 parallèles situées dans un plan parallèle au premier, les bandes du premier et du second groupes étant placées de part et d'autre de la nappe de fils d'anodes et à égale distance de celle-ci. Les bandes parallèles du premier et du second groupes sont, dans un premier mode de réalisation parallèles à une même direction, dans un second 30 mode de réalisation, parallèles respectivement à deux directions perpendiculaires. La première disposition décrite ci-dessus est utilisée dans le cas où l'on recherche une exploration suivant un seul plan (plan méridien dansX'-étude du spectre de diffraction du rayonnement X ou gamma). 35 Dans un autre mode d'exécution de l'invention, les demi-cathodes d'une même cellule sont situées dans le même plan et imbriquées l'une dans l'autre.' Il est évidemment nécessaire dans la majeure partie des cas d'analyser les signaux prélevés sur les demi-cathodes pour en effectuer une sélection en 69 17042 3 2054433 amplitude et éviter les erreurs liées à l'action d'un même événement sur plusieurs cellules adjacentes. Il faut également supprimer les erreurs que provoque l'apparition sur deux cellules de signaux séparés par un intervalle de temps inférieur au tenqps de résolution des circuits d'entrée des compteurs 5 associés aux cellules. Dans ce but, on peut avantageusement prévoir des circuits d'inhibition interdisant l'enregistrement de deux événements séparés par un intervalle de temps inférieur au temps de rétablissement de ces circuits. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui 10 suit de modes de mise en oeuvre donnés à titre d'exemples non limitatifs et qui se réfèrent aux dessins qui 1'acconçagnent et dans lesquels ; La Fig. 1 montre schématiquement, en perspective, un détecteur destiné à localiser en azimut et en site la répartition d'un rayonnement X ou gamma provenant d'une source sensiblement ponctuelle ; 15 La Fig. 2 est un schéma montrant une fraction du réseau de circuits à coïncidence et du réseau matriciel de localisation associés au détecteur ' de la Fig. 1 ; La Fig. 3j similaire à la Fig. 1, montre un détecteur de localisation suivant un plan méridien de symétrie, qui peut par exemple être un plan azi-20 mutai ; La Fig. 4 est une vue de détail montrant les deux demi-cathodes d'une cellule appartenant à un détecteur suivant une variante de mise en oeuvre de l'invention. Le dispositif représenté en Fig. 1 et 2 est destiné à déterminer la 25 répartition angulaire en azimut et en site de l'intensité d'un rayonnement X ou gamma. Il est également utilisable pour dresser la cartographie X ou gamma d'un échantillon de dimension du même ordre que la surface en plan du détecteur, à condition que soit interposé entre celui-ci et l'échantillon un colli-30 mateur convenable, constitué par exemple par une plaque de matériau lourd percée d'orifices convenablement orientés. De tels collimateurs sont déjà utilisés couramment pour-la cartographie gamma ou X à l'aide de détecteurs tels que les chambres à étincelles ou les caméras scintigraphiques. Avant de donner une description complète du dispositif suivant l'in-35 vention, il peut être utile de rappeler quelques données sur les détecteurs d'ionisation fonctionnant en régime proportionnel et sur les conséquences qu'en ont dégagé les inventeurs. On sait que, lorsque la quantité de charge délivrée par une particule 69 17042 4 2054433 à détecter dans une chambre d'ionisation est trop faible pour pouvoir être directement mesurée par un préamplificateur, c'est-à-dire est inférieure à une valeur de l'ordre de 4 x 10-1^ coulomb, il est nécessaire de faire fonctionner le détecteur en régime proportionnel pour profiter du coefficient de 5 multiplication des charges dues au champ électrique intense autour de l'anode : on obtient ainsi une grande efficacité de détection. En contrepartie, ce mode de fonctionnement a imposé jusqu'à présent de donner aux tubes compteurs en régime proportionnel une géométrie bien déterminée ; ces tubes compteurs se présentent généralement sous forme d'un cylindre métallique de quelques 10 centimètres de diamètre formant la cathode et d'un fil de quelques dizaines de microns de diamètre disposé suivant l'axe du cylindre et formant l'anode du tube compteur. La zone de multiplication des charges se limite à un mince volume cylindrique (de quelques dizaines de microns d'épaisseur) autour du fil d'anode, espace dans lequel le chanç électrique est suffisant pour que 15 les électrons primaires créés par le rayonnement acquièrent assez d'énergie entre deux collisions pour ioniser de nouvelles molécules du gaz occupant l'enceinte du détecteur. Ainsi, quel que soit l'endroit dans le détecteur où se produit l'ionisation initiale, tout se passe comme si les charges étaient créées en totalité au voisinage du fil d'anode. La quantité de charges par 20 unité de surface (densité de charges) engendrée par influence sur le cylindre constituant la cathode est donc sensiblement constante pour une section droite donnée du cylindre, bien qu'elle varie le long du cylindre et présente un maximum au niveau de la section droite où s'est produite la multiplication des charges autour de l'anode. En conséquence, si l'on partage le 25 cylindre constituant la cathode d'un tube-compteur proportionnel classique en deux demi-cylindres, la même quantité de charges sera créée par influence sur chaque demi-cylindre. Dans ces conditions, il est apparu aux inventeurs, possible de prélever les deux informations, nécessaires pour localiser un événement dû à un 30 rayonnement, sur deux demi-cathodes. De préférence ces deux demi-cathodes sont de même surface et présentent une disposition par rapport à l'anode telle que les charges créées par influence sur ces deux demi-cathodes soient sensiblement les mêmes, donc que les chaînes de traitement des signaux recueillis puissent être identiques, mais ces caractéristiques n'ont évidemment aucun carac-35 tère limitatif. On voit que grâce à cette disposition, on peut ne faire jouer à l'anode portée à haute ter.cr.6n positive qu'un rôle d'amplification et prélever la totalité des informations nécessaires sur des demi-cathodes portées au 69 17042 5 2054433 potentiel continu de la masse, ce qui simplifie beaucoup la technologie du détecteur. En particulier il devient inutile de prévoir des anneaux de garde, et les passages étanches des sorties d'informations n'ont plus à supporter la haute tension continue de fonctionnement du système et les préamplificateurs 5 peuvent être démunis de filtres à très haute tension. Le détecteur, représenté en Fig. 1, comprend une enceinte étanche 10 de faible épaisseur en matériau à faible absorption. Dans le mode d'exécution représenté, l'enceinte étanche 10, (représentée en traits mixtes) est plate. En fait la meilleure forme théorique à lui donner pour étudier le rayonnement 10 à partir d'un point est celle d'une calotte sphérique mais sa réalisation est en général trop complexe pour se justifier. Par contre, on peut aisément cintrer l'enceinte en portion de cylindre. L'enceinte 10, dont 1'épaisseur peut varier de quelques millimètres à quelques centimètres, est occupée par une atmosphère choisie en fonction de 15 l'énergie du rayonnement à détecter. Pour un rayonnement X, on utilisera en général du xénon, du krypton, de l'argon ou un mélange de ces gaz. L'enceinte 10 est occupée par un nombre N x n de cellules de détection, n étant avantageusement égal à N. Chacune de ces cellules comprend une première demi-cathode portée par un isolant 12 qui tapisse l'une des parois 20 de grande surface (paroi placée face à la source) ou qui constitue cette paroi et une seconde demi-cathode portée par m isolant 14 tapissant ou constituant la face opposée. Dans le mode d'exécution représenté en Fig. 1, les premières demi-cathodes de N cellules disposées suivant une même colonne sont constituées par une seule et même bande métallique disposée sur le support 25 isolant 12, toutes ces bandes métalliques l61, l60, ... 16 étant parallèles J. 2t H entre elles et séparées par des intervalles égaux. De même, les secondes demi-cathodes des n cellules groupées sur une même ligne, sont également formées par une bande métallique sur le support isolant opposé, les bandes 18^, l8jj ... l8^ étant disposées perpendiculairement aux bandes 16^, 162, ••• 30 l6n- Les bandes métalliques appartenant aux deux groupes sont avantageusement de même largeur et disposées suivant un même écartement. Les anodes sont disposées dans le plan médian entre les bandes de cathode. Dans le mode d'exécution représenté en Fig. 1, ces anodes sont cons-35 tituées par une nappe de fils 19j, 1^2^ •°• 19n parallèles aux bandes 16^, l6„, ... 16 et placés dans le plan médian de ces bandes. Il va sans dire £t II qu'on pourrait utiliser deux nappes de fils superposées formant une grille, chaque nappe étant constituée de fils placés dans le plan médian des bandes 69 17042 6 2054433 d'un des groupes» Une haute tension continue choisie pour que les cellules fonctionnent en régime proportionnel est appliquée à chacun des fils constituant les anodes par l'intermédiaire d'une résistance commune 22 ; de façon similaire, chacune des bandes 16^, 162, .«. constituant les premières demi-cathodes est reliée à la masse par l'intermédiaire d'une résistance 24^, 24-2 st chacune des bandes 18^., l8jp ... est reliée à la masse par l'intermédiaire d'une résistance 25-j-, 25jjj • On a réalisé suivant ce schéma un détecteur de rayonnement X dans lequel les bandes de demi-cathodes étaient constituées par des feuilles souples de circuit imprimé (métallisafion de 15 yu d'épaisseur sur 100 yu de tétrafluoroéthylène). La distance entre les deux plans de demi-cathodes était de 3 cm, le pas des cellules de 8 mm„ Le diamètre des fils d'anode était de 30 microns et la haute tension continue de 4000 volts environ pour une atmosphère d'argon, sous 5 bars. Pour détecter un rayonnement bêta dur, on serait amené à utiliser de préférence un mélange d'argon et d'anhydride carbonique sous quelques bars et une haute tension de l'ordre de 4000 volts pour les conditions indiquées ci-dessus. Au détecteur de la Fig. 1 sont associés par N + n voies de mesure (groupées en matrice à n lignes et N colonnes) des cellules de conçtage au nombre dé N x n, chacune d'elles correspondant à la coïncidence entre les informations reçues sur une ligne et une colonne de matrice. Un dispositif d'adressage 26 permet d'effectuer cette correspondance. Les numéros d'ordre 1 de la ligne et c de la colonne sont codés, en système binaire codé décimal par exemple, et on élabore en combinant 1 et c l'adresse, y = 1 + ^c par exemple, à laquelle une impulsion correspondant à la coïncidence ligne 1, colonne c, est envoyée, A est de préférence une puissance entière de 2. Comme il est indiqué plus haut, il est nécessaire d'éliminer les fausses informations ayant pour origine soit l'action d'un même événement nucléaire sur plusieurs cellules, soit la succession de deux événements sur deux cellules différentes dans un intervalle de temps très bref, inférieur au temps de résolution des circuits à coïncidence d'entrée des compteurs ; ce dernier cas aurait pou: conséquence d'enregistrer deux événements qui ne sont pas effectivement produits, en plus des deux événements réels, le système étant incapable de distinguer celui des quatre points disposés suivant un rectangle, au voisinage duquel s'est produit l'événement nucléaire. 69 17042 7 2054433 Pour éliminer la première cause d'erreur (un même événement nucléaire influence en général deux ou trois cellules), on peut utiliser le fait que les charges recueillies sur les demi-cathodes sont les charges produites par l'influence électrique du déplacement des électrons dans le gaz et que la 5 quantité de charges recueillies dépend donc de l'angle sous lequel les demi-cathodes sont soumises au déplacement d'électrons provoqué par l'événement. En conséquence, l'élimination des informations erronées peut s'effectuer par discrimination d'amplitude. Le montage illustré en Fig. 2, comporte dans ce but des discriminait) teurs d'amplitude ainsi que des circuits d'inhibition destinés à supprimer la seconde cause d'erreurs. Pour plus de simplicité, seuls sont représentés sur la Fig. 2, les circuits d'inhibition associés à quatre bandes 16^, l62, 16^ et 16.. 4- Une impulsion provenant de la bande 16^ est appliquée, après amplifi-15 cation par un préamplificateur 29j, à un discriminâteur d'amplitude 30^ dont le seuil est choisi en fonction de l'énergie du rayonnement à détecter. La • sortie du discriminateur 30^ attaque l'une des entrées d'un circuit ET 32^ dont la sortie commande un monostable 34^• G'est la sortie de ce monostable qui est appliquée au circuit 26 d'adressage sur l'un des compteurs ou icto-20 mètres associés à la bande 16^. Les sorties de tous les circuits ET 32^, 322,. sont également reliées à un circuit NI 36 qui commande le basculement d'un monostable 38 dont la sortie est appliquée à la seconde entrée de chacun des circuits ET 32p 322, 32^^ ••• On voit ainsi que, lorsqu'une impulsion se présente sur l'une des bandes 16^, l62, la sortie du circuit ET 32^ 322, ... 25 correspondant déclenche par l'intermédiaire du circuit NI 36 le monostable 38 qui bloque tous les circuits ET 32 pendant un intervalle de tençs convenable (2 microsecondes par exemple). Ce blocage des voies de transfert vers tous les conçteurs 28^ ^ , 28^ par le circuit d'adressage 26 après appari tion d'une impulsion sur l'une d'elles se produit au bout de 20 nanosecondes 30 environ lorsqu'on utilise des circuits intégrés classiques 2 le risque de fausse information est donc limité à la très faible probabilité pour que deux voies reçoivent deux informations pendant un intervalle de temps inférieur à 20 nanosecondes. Les monostables 34-p 342, 34^, permettent de maintenir sur le circuit d'adressage 26, une impulsion de longueur suffisante pour assu- 35 rer l'aiguillage et l'enregistrement- de l'impulsion par le compteur 28 T 1 correspondant. Un second circuit NI (non représenté) remplit la même fonction que le circuit 36 en ce qui concerne les bandes l8T, 18^-, ... 18^. Le détecteur montré en Fig. 1 permet de déterminer la répartition 69 17042 8 2054433 de faisceaux dans l'espace : lorsqu'il suffit d'explorer un plan méridien, on peut adopter la disposition représentée en Fig. 3j sur laquelle les organes correspondant à ceux déjà représentés en Fig. 1 portent le même numéro de référence affecté de l'indice prime. 5 Le dispositif de la Fig. 3 comprend une enceinte 10' cintrée en arc de cercle, prévue pour être placée de façon que son plan médian coïncide avec le plan azimutal à étudier. Les parois cylindriques opposées sont revêtues de couches isolantes 12' et 14' qui portent respectivement les demi-cathodes 16'^, 16'2s ••• lô'ç et les demi-cathodes 18'p • ^'ix" ^es aJtl0^es 10 19'19' 2> 19'g, sont constituées par me nappe de neuf fils parallèles jouant uniquement le rôle d'amplificateurs de charge et équidistant des deux demi-cathodes correspondantes. Ces fils sont portés à la haute tension par l'intermédiaire d'une résistance 22'. Ce dispositif à neuf cellules alignées est associé à me matrice comportant n = 3 lignes et N = 3 colonnes. 15 Les deii-cathodes iB'j. à l8'IX, sont groupées par trois cathodes suc cessives interconnectées entre elles et reliées à l'une des N colonnes d'un réseau matriciel similaire à celui de la Fig. 2. Les trois demi-cathodes successives interconnectées entre elles peuvent évidemment être rémies en me seule sur la demi-cathode commune à trois cellules. 20 Au lieu de placer les deux demi-cathodes d'une même cellule de part et d'autre du fil d'anode, il est possible de les imbriquer suivant la disposition illustrée en Fig. 4 qui montre me seule cellule ; les deux demi-cathodes 42 et 44 sont imbriquées l'me dans l'autre et à même distance de l'anode 46 de façon que les phénomènes de création d'un signal soient sensiblement 25 les mêmes pour les deux demi-cathodes d'me même cellule. L'me des demi- cathodes 42, par exemple, alimente me colonne, tandis que l'autre demi-cathode 44 alimente une ligne. Un dispositif de traitement de signal et d'adressage 48 analogue à celui de la Fig. 2 est connecté aux lignes et colonnes et alimente les compteurs 50 associés à chaque cellule. 30 On voit que l'invention permet, comme indiqué plus haut, d'explorer en même temps la totalité de l'espace étudié ou d'm plan méridien, d'où me diminution sensible du temps d'expérience par rapport aux dispositifs classiques. Le nombre de voies de mesure pour N x n cellules n'est que de N + n : pour me mosaïque de 10 000 cellules, on a 200 voies de mesure seulement en 35 utilisant me matrice carrée. Bien que les détecteurs fonctionnent en régime proportionnel, les géométries possibles sont très variées car l'anode filaire ne joue qu'un rôle d'amplificateur de charges. 69 17042 9 2054433 Dans la description ci-dessus, les induisions correspondant à un événement nucléaire localisé dans une cellule du détecteur sont envoyées dans un compteur ou ictomètre associé a la cellule ; il est évidemment possible de les envoyer également sur un dispositif de visualisation, un oscillo-5 graphe par exemple, au point défini par les coordonnées de la cellule, sous la forme d'un spot lumineux, et d'intégrer l'intensité lumineuse ainsi produite soit en utilisant un écran à grande rémanence, soit en effectuant une photographie de l'écran avec un temps de pose suffisant. 69 17042 10 2C .4433 RF.VBSDTCATIONlS 1°) Dispositif détecteur de rayonnements X et gamma, utilisable notamment pour déterminer la répartition spatiale d'un faisceau de rayonnement, caractérisé en ce qu'il comprend, dans une enceinte unique d'épaisseur constante, une pluralité de cellules 5 semblables disposées à intervalles réguliers, comportant chacune une anode filaire et deux demi-cathodes planes et parallèles et des moyens pour prélever sur les deux demi-cathodes, lors de la détection d'un rayonnement, deux impulsions électriques simultanées qui sont appliquées à un dispositif de localisation qui fait correspon-10 dre de façon biunivoque chaque cellule à l'association de deux voies de prélèvement de ces impulsions électriques, une différence de potentiel continue telle que la cellule fonctionne en régime proportionnel étant appliquée entre l'anode et les deux demi-cathodes de chaque cellule. I5 2°) Dispositif suivant la revendication 1, caractérisé en ce que ledit dispositif de localisation comprend un réseau matriciel, les deux impulsions électriques étant appliquées, l'une sur une ligne, l'autre sur une colonne de ce réseau, et un dispositif d' adressage d'une impulsion résultante à un point de ce réseau. 20 3°) Dispositif suivant la revendication 1 ou 2, caractéri sé en ce que les demi-cathodes sont portées au potentiel continu de la masse tandis que l'anode, en forme de fil, est portée à la haute tension continue. 4°) Dispositif suivant l'une quelconque des revendications 25 1> 2 et 3> caractérisé en ce que les deux demi-cathodes présentent sensiblement la même surface et sont situées à la même distance de l'anode filaire. 5°) Dispositif suivant l'une quelconque des revendications 1, 2, 3 et 4, caractérisé en ce que les anodes sont constituées par 2o au moins une nappe de fils. 6°) Dispositif suivant la revendication 5j caractérisé en ce que les fils d'une même nappe sont tous parallèles entre eux. 7°) Dispositif suivant l'une quelconque des revendications 2, 3) 4) 5 et 6, caractérisé en ce que les demi—cathodes d'une 35 même cellule appartiennent chacune à un groupe constitué de bandes parallèles à une direction donnée, les bandes du premier et du second groupes étant placées de part et d'autre de l'anode filaire. 8°) Dispositif suivant la revendication 7, caractérisé en ce que les bandes de chacun des groupes sont parallèles à une même 40 direction. 69 17042 11 2054433 9°) Dispositif suivant la revendication 7, caractérisé en ce que les bandes de chacun des groupes sont parallèles à deux directions perpendiculaires. 10°) Dispositif suivant la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que 5 les demi-cathodes d'une même cellule sont situées dans le même plan et imbriquées l'une dans l'autre.