Brevet FR2132044A1 — publié le 19721117

La présente invention est relative aux dispositifs capables de détecter les rayonnements électromagnétiques de haute énergie ou pénétrants qui comprennent: les rayons X d'énergie intermédiaire, les rayons X de grande énergie et les rayons gsuama. 5 les chambres d'ionisation à gaz, les compteurs de scintillation et les détecteurs à jonction semi-conductrice sont actuellement utilisés pour détecter et compter des impulsions de rayonnements électromagnétiques de grande énergie tels que les rayoïs X d'énergie intermédiaire et d'énergie supérieure. Dans le premier 4e 10 ces dispositifs le rayonnement traverse une chambre remplie de gaz dans laquelle il interagit avec les molécules de gaz et en ionise au moins quelques-unes. Le rayonnement provoque aussi l'émission d'un rayonnement secondaire et d'électrons à partir des parois de la chambre qu'il traverse. Ce rayonnement secondaire et ces électrons 15 provoquent une ionisation secondaire du gaz. Les ions gazeux sont collectés pour être mesurés par un électromètre qui fournit un signal de sortie indiquant que le rayonnement a traversé la chambre. L'absorption du rayonnement d'énergie élevée ou l'interaction entre le rayonnement et la matière constituent des processus dépendant de 20 la masse. Par conséquent, les chambres d'ionisation à gaz sont si massives qu'elles sont d'une utilisation délicate. Elles sont également lentes. Les compteurs de scintillation comprennent une substance à base de fluor telle que de 1'enthracène ou du styrène pour recevoir le rayonnement et fournir en échange* un- signal, lumineux de sortie. 25 Ce signal lumineux est transmis à une photocathode qui fournit un signal électronique. Ce signal électronique est amplifié par multiplication puis transmis à un circuit collecteur et compteur. Les compteurs de scintillation sont relativement compliqués par le fait qu'ils réclament deux conversions de signaux avant d'obtenir 30 un signal de sortie mesurable. De plus, les photocathodes ont des caractéristiques qui sont indésirables dans de tels dispositifs. Par exemple, elles peuvent être facilement endommagées si elles ne sont pas dans un vide parfait. Elles sont très sujettes aux dommages causés par les rayonnements. Elles sont en outre d'une construction 35 délicate et coûteuse. Dans un détecteur à jonction semiconductrice, le rayonnement frappe la substance semiconductrice, est absorbé par elle et provoque un écoulement de charges dans la jonction. Cet é-coulement de charges est mesuré par un circuit de comptage et de mesure. De tels dispositifs ne fonctionnent qu'à des températures 40 basses, souvent en dessous de 100°K. Ils doivent donc être maintenus 72 09978 2 2132044 pendant leur fonctionnement dans une enceinte refroidie à l'azote liquide. De plus, ils fournissent des signaux de sortie d'amplitude relativement faible qu'il est souvent difficile de distinguer du "bruit. 5 la présente invention permet d'éviter ces inconvénients. Le rayonnement X est généralement défini comme étant le rayonnement compris dans la gamma allant de 1 kilovolt à 250 kilo-volts et le rayonnement gamme correspond à des énergies supérieures à 250 kilovolts. Le dispositif de la présente invention est prévu 10 pour détecter des rayonnements X ayant une énergie supérieure à 10 kilovolts et les rayonnements gamma. Le dispositif de l'invention est constitué par un faisceau d'un nombre relativement élevé de passages formés de voies multi-plicatrices à paroi mince. Le rayonnement est dirigé de façon à 15 tomber sur les parois des voies. Du fait de son énergie élevée, le rayonnement pénètre dans les parois. Le rayonnement entre en interaction avec les électrons et les atomes des parois et perd ainsi de l'énergie qui peut être déterminée d'une manière statistique. Le rayonnement perd de l'énergie dans ces interactions et l'énergie est 20 transmise aux électrons ce qui leur permet de traverser les parois. Le nombre d'interactions et la quantité d'énergie qui est perdue par le rayonnement peuvent être déterminés statistiquement en fonction de la masse de la substance dans laquelle pénètre le rayonnement. Les parois des voies sont réalisées de façon à être aussi fines que 25 possible pour maximaliser la probabilité que les électrons qui ont reçu de 1'énergie du rayonnement électromagnétique ne seront pas capturés par un atome de la paroi, mais au contraire pourront quitter cette paroi. Les électrons émis par les parois sont multipliés par le faisceau de voies multiplicatrices puis transmis à un appareil 30 de détection et de comptage pour fournir un signal de sortie indiquant qu'une impulsion de rayonnement a été reçue. Le faisceau multiplicateur fournit, en réponse à chaque signal reçu, une impulsion électrique de sortie ayant une amplitude suffisante pour être sûr que l'impulsion peut être aisément détectée et comptée par un 35 appareil électronique classique. Le faisceau multiplicateur comporte un nombre suffisamment élevé de voies pour, fournir une probabilité sensiblement égale à l'unité que le rayonnement électromagnétique reçu par le faisceau provoquera l'émission d'au moins un électron par les parois et d'un 40 signal pour l'appareil de détection ét de comptage. Si un grand 72 09978 3 2132044 nombre, par exemple un million de rayons X différents frappent une paroi ou une membrane à différents instants et que la paroi émette en réponse un million d'électrons, soit un électron pour chaque rayon X, la probabilité qu'un rayon X frappant la paroi ou la mem-5 brane produise un électron, est de un sur un million. En présence d'un million de membranes différentes et en supposant qu'un rayon X a une énergie suffisante pour les traverser toutes, il y a une probabilité de Ulx que le rayon X produise un électron. S'il y a neuf cents membranes et que le rayon X ait une énergie suffisante pour 10 les pénétrer toutes, il y a Une probabilité sensiblement de un, plus précisément de 90% que le rayon X cause l'émission d'un électron. Le faisceau de voies suivant l'invention comporte donc un nombre suffisant de voies individuelles ayant des parois suffisamment minces pour fournir une probabilité d'émission d'un électron sensiblement 15 de un pour être sûr que les signaux de rayonnement reçus par le faisceau de voies seront détectés et ne seront pas perdus. Le faisceau de voies peut comprendre un nombre de voies suffisantes pour être sûr que plus d'un électron sera émis par les parois des voies et qu'aucun signal confus ou ambigu ne sera fourni par le faisceau. Un 20 tel faisceau fournira simplement un signal de sortie plus fort en réponse au rayonnement reçu qu'un faisceau assurant simplement une probabilité que seulement un électron sera émis. D'autres caractéristiques ressortiront de la description qui va suivre et qui n'est donnée 411'à-titre d'exemple. A cet effet 25 on se reportera aux dessins joints dans lesquels : - la figure 1 illustre une vue en perspective avec arrachement partiel d'un faisceau de voies multiplicatrices assurant la détection d'un rayonnement de forte énergie suivant l'invention disposé à l'intérieur d'une enceinte vidée d'air ; 30 - la figure 2 illustre une représentation tri-dimensionnelle en perspective d'une des voies du faisceau de là figure 1 ; - la figure 3 illustre une représentation schématique d'un circuit détecteur de rayonnement de forte énergie incorporant l'appareil de la figure 1 ; et, 35 - la figure 4 illustre une représentation schématique d'un autre mode de réalisation d'un circuit détecteur. A la figure 1 , un système détecteur de rayonnement 10 comprend un faisceau 12 de tubes multiplicateurs droits ou voies 14 disposé^ dans une enceinte 16 vidée d'air. Le système 10 est pré-40 vu pour détecter un rayonnement électromagnétique d'énergie élevée 72 09978 4 2132044 capable de pénétrer à l'intérieur d'une masse de substance solide, les parois 18 de chaque tube 14 sont aussi minces que possible pour minimiser la distance entre chaque atome de la substance constituant les parois du faisceau et la surface de la paroi correspondante. 5 Ceci maximalise la probabilité que un électron recevant de 1'énergie pendant une interaction avec un rayonnement électromagnétique de forte énergie quittera la paroi du tube et ne sera pas capturé par un atome de cette paroi, les parois 18 doivent être faites en une substance bonne émettrice d'électrons, c'est à dire en une substance 10 ayant un nombre atomique élevé, si bien que le rayonnement électromagnétique reçu subira un nombre élevé d'interactions avec les électrons et les atomes de la substance et communiquera de l'énergie à un grand nombre d'électrons. Des tubes multiplicateurs ayant une épaisseur de paroi comprise entre un et dix microns peuvent être 15 facilement réalisés à partir d'une telle substance. Toutefois, un fàisceau réalisé à partir d'une telle substance et ayant des parois d'épaisseur inférieure à un micron serait si faible, qu'il n'est pas possible de lui assurer une rigidité structurelle suffisante. Par conséquent, afin de maximaliser la probabilité que les électrons 20 seront émis par les parois des voies, comme on le voit mieux à la figure 2, chaque tube 14 comprend une couche support 20 qui a une épaisseur d'environ 1 micron et qui est'formée de verre à la chaux et à la soude et une couche émettrice 22 de verre au plomb qui à une épaisseur d'environ 0, 2 micron. Le verre à la chaux et à la sou-25 de a un nombre atomique faible et est par conséquent très transparent au rayonnement électromagnétique de forte énergie. Le verre au plomb a un nombre atomique élevé et par conséquent aussi un coefficient d'absorption élevé pour le rayonnement électromagnétique de forte énergie. En fait, le coefficient d'absorption du verre au 30 plomb est tellement plus élevé que celui du verre à la chaux et à la soude, que la couche fine de verre au plomb absorbe une plus grande partie du rayonnement que ne le fait la couche plus épaisse de verre à la chaux et à la soude. Cette solution multicouch.es maximalise donc la probabilité que le rayonnement fournira de l'éner-35 gie aux électrons qui sont vraiment près de la surface extérieure d'une voie. Ces électrons de la couche de verre au plomb sont plus à même de s'échapper que ne le sont les électrons de la couche de verre à la chaux et à soude parce que les premiers n'ont qu'une vraiment faible distance à parcourir pour parvenir à la surface ex-40 térieure des parois et s'échapper. Il n'y a donc qu'une faible pro 72 09978 5 2132044 habilité pour que ces électrons soient capturés par les atomes du verre. La réalisation à couches multiples fournit donc une probabilité extrêmement élevée que le rayonnement électromagnétique amène tin électron à être émis par les parois. Les faisceaux de voies à coucaes aul-5 tiples sont rigides, durables et sont des détecteurs de rayonnement efficaces. Chaque faisceau comprend un nombre de tubes suffisant pour assurer une probabilité sensiblement égale à un que le rayonnement reçu provoquera l'émission d'un électron par les parois des tubes qui sera 10 ensuite multiplié par le faisceau multiplicateur 12. Le signal électronique résultant de la multiplication est détecté et compté ou enregistré par un appareil électronique 24 illustré à la figure 3• Le nombre approprié de tubes ou, autrement dit, la masse appropriée de substance de paroi qui doit être fournie pour détecter un rayonnement 15 d'une énergie particulière peut être déterminé soit par le calcul, soit expérimentalement. Le rayonnement perd de l'énergie dans son interaction avec les électrons et les atomes. La quantité de matière nécessaire pour être sûr que le rayonnement va provoquer un nombre particulier d'interactions et perdre par conséquent une quantité d'éner-20 gie déterminée peut être calculé en utilisant les équations de la théorie de l'émission photoélectrique pour un rayonnement ayant une énergie inférieure à 250 kilovolts et en utilisant les équations de la théorie de la dispersion de Compton pour les énergies supérieures à 250 kilovolts.L'efficacité du systêffie de-détection est maximale quand 25 les parois des tubes sont aussi fines que possible et que le faisceau comprend un nombre de voies suffisant pour absorber une très large proportion de l'énergie du rayonnement incident. Il est généralement souhaitable que le nombre de voies soit suffisant pour absorber toute ' 2 l'énergie reçue excepté 1/e avec e=2,7. Un grand nombre de tubes est 30 nécessaire pour fournir cette absorption. Par exemple, un faisceau comportant approximativement mille tubes tels qu'illustrés à la figure 2 avec chaque couche ayant une épaisseur telle que spécifiée ci-dessus est un détecteur efficace pour un rayonnement ayant une énergie d'environ 50 kilovolts. L'enceinte 16 est faite en une substance sensi-35 "blement opaque au rayonnement électromagnétique telle que du plomb. L'enceinte 16 comporte deux couches 25 et 26 de plomb ou d'une substance analogue entourant le faisceau multiplicateur 12. Des fenêtres col-limatrices 28 et 30 en forme de fentes sont formées d'une substance transparente au rayonnement de forte énergie telle que du nickel 40 ou du berrylium. Comme on le voit mieux à la figure 3, les fenêtres 72 09978 6 2132044 28 et 30 sont disposées en série pour former un bon collimateur pour le rayonnement et être sûr que celui-ci passera dans le faisceau multiplicateur 12 à une distance prédéterminée de la sortie de ce faisceau. Les fenêtres collimatrices assurent donc que chaque signal 5 de rayonnement reçu par le système détecteur 10 amènera le faisceau multiplicateur 12 à fournir un nombre semblable d'électrons de sortie . Les fentes oollimatrices ou fenêtres réduisent donc la chance d'avoir un système de détection 10 qui fournisse un signal de sortie ambigu pour lequel il serait difficile de déterminer si l'on est en 10 présence d'un signal de bruit ou d'un signal indiquant la réception d'un rayonnement de forte énergie. Le faisceau multiplicateur 12 n'a pas besoin de fournir un signal de sortie d'amplitude particulièrement grande. Il est simplement nécessaire qu'il fournisse un signal de sortie comprenant un nombre suffisamment élevé d'électrons 15 si bien que le signal de sortie puisse être ultérieurement amplifié par un multiplicateur et qu'il ne soit pas perdu par cet appareil. Dans un mode de réalisation chaque électron émis par le rayonnement reçu amène le faisceau à fournir un nombre d'électrons à la sortie compris entre 100 et 1000. Afin de fournir un tel signal de sortie, 20 les électrons émis par les parois du faisceau 12 sont accélérés et amenés ainsi à engendrer des électrons secondaires, par une différence de potentiel de 1000 volts maintenue au travers du faisceau par unebatterie 32. Le faisceau 12 a une longueur comprise entre 2 et 3 mm. Les fenêtres 28 et 30 dirigent le rayonnement de façon qu'il 25 frappe la moitié inférieure du faisceau. Les électrons à la sortie du faisceau 12 engendrés par un rayonnement particulier sont accélérés de ce faisceau vers un multiplicateur d'électrons 34 en hélice ayant une entrée évasée en forme de cône pour collecter la totalité des électrons sortant de l'ensemble du faisceau 12. Les électrons sont 30 accélérés vers le multiplicateur 34 par une différence de potentiel d'environ 500 Toits qui est maintenue à l'aide d'une batterie 36. Le multiplicateur 34 est calculé et réalisé pour fournir un gain prédéterminé en électrons allant de 10^ à 10®. Pour réaliser cette multiplication, une différence de potentiel d'environ .1 500 volts 35 est maintenue entre les extrémités du multiplicateur hélicoïdal 34 par une batterie 38. Le multiplicateur 34 fournit donc un signal de O ^ sortie d'environ 10 électrons soit 10 pico coulombs pour chaque signal reçu du faisceau 12. Le multiplicateur 34 fournit donc un signal de sortie qui peut être facilement mesuré à l'aide d'un appa-40 reil de mesure électronique. Cet appareil comprend un collecteur 40 72 09978 7 2132044 recevant le signal à la sortie du multiplicateur 34- Ce collecteur 40 est maintenu à un potentiel légèrement supérieur, soit à 50 volts au-dessus du potentiel à la sortie du multiplicateur 34? si bien que les électrons s'écoulent du multiplicateur 34 au collecteur 40. Ce 5 potentiel plus élevé est maintenu sur le collecteur 40 par une batterie 42 reliée au collecteur par l'intermédiaire d'une forte résistance 44 de 1.000.000 d'ohms. Grâce à cette forte résistance, un courant relativement faible, à savoir les électrons reçus par le collecteur 40, fournit un signal sous une tension relativement grande. 10 les signaux reçus par le collecteur 40 sont amplifiés par un amplificateur électronique 46 et transmis à un compteur 48. Ce compteur, enregistre le nùmbre de signaux reçus durant une période de temps déterminée et transmet ce nombre à un dispositif d'affichage 50. la figure 4 illustre un second mode de réalisation 52 15 qui diffère du dispositif 10 en ce que le faisceau 12 de tubes droits est remplacé par un faisceau 54 de tubes en spirale, les multiplicateurs en spirale sont bien connus du technicien et on en trouve une description dans différents articles techniques, les tubes multiplicateurs spirales fournissent un gain électronique stable 20 plus élevé que les multiplicateurs à tubes droits si bien que le multiplicateur 34 cLe la figure 3 n'est plus nécessaire dans le mode de réalisation de la figure 4. le nombre de tubes, l'épaisseur des parois des tubes Individuels et les dimensions du faisceau 54 sont comparables à ceux du faisceau 12."Une -différence de potentiel un 25 peu plus élevée, de l'ordre de 2000 volts, est maintenue entre les extrémités du faisceau 54 par une batterie 56. Cette différence de potentiel plus élevée est -une des raisons qui font que le faisceau 54 fournit un ga.in plus élevé que le faisceau 12. le rayonnement électromagnétique est dirigé pour frapper la moitié inférieure du 30 faisceau 54- le gain de ce dispositif est tel qu'il fournit environ 10® électrons pour chaque électron émis par une paroi tubulaire à partir du rayonnement reçu. C'est un signal suffisant pour être mesuré avec un appareil de mesure classique, les électrons à la sortie du faisceau 54 sont collectés par une plaque collectrice 56 et 35 mesurés par un dispositif semblable à celui de la figure 3- Une différence est que le signal reçu par le collecteur 56 en provenance du faisceau 54 est plus faible que le signal reçu par le collecteur 40. Une batterie 58 par conséquent doit maintenir une différence de potentiel plus élevée entre la sortie du faisceau 54 et le collec-40 teur 56. Cette différence de potentiel est de l'ordre de 500 volts. 72 09978 8 2132044 Il est évident qu'un faisceau multiplicateur pourrait être constitué par un empilement de membranes planes espacées les unes des autres pour fournir des passages ou des ouvertures entre éléments adjacents. Les membranes pourraient être du type à simple couche ou du type à couches multiples. 72 09978 9 2132044 KBVBUDICATIOHS 1) Appareil pour la détection d'un rayonnement électro-magnétique de forte énergie capable de pénétrer à l'intérieur d'une masse prédéterminée de substance, ce rayonnement provoquant des 5 interactions avec les électrons de la substance et transmettant à certains de ces électrons à l'occasion de ces interactions une énergie suffisante pour leur permettre de quitter la substance, caractérisé en ce qu'il comprend : un faisceau de passages multiplicateurs ayant des parois formées de cette substance, le rayonnement 10 frappant ces parois, cette substance absorbant une partie de ce rayonnement et transmettant une partie de ce rayonnement, et en ce que cet appareil comporte un nombre suffisant de parois pour fournir une probabilité sensiblement égale à un que le rayonnement frappant les parois va libérer au moins un électron suffisamment 15 au voisina^ de la surface extérieure de l'une des parois, si bien que cet électron va pourvoir pénétrer dans l'un de ces passages et fournir un signal de sortie. 2) Appareil suivant la revendication 1 , caractérisé en ce que l'épaisseur de ces parois est petite comparée au diamètre des 20 passages. 3) Appareil suivant la revendication 1 , caractérisé en ce que ces parois ont une épaisseur maximum de dix microns. 4) Appareil suivant la revendication 1, caractérisé en ce que ces parois comportent : unê-~eouche support de substance 25 transparente au rayonnement et une couche émettrice d'électrons en substance capable d'absorber le rayonnement et d'émettre des électrons en réponse à cette absorption, cette couche émettrice d'électrons ayant un coefficient d'absorption élevé pour ce rayonnement. 5) Appareil suivant la revendication 4» caractérisé en ce 30 que cette couche émettrice d'électrons manque d'intégralité structurelle et qu'elle est maintenue dans 'une configuration périphérique désirée par la couche support. 6) Appareil suivant la revendication 4» caractérisé en ce que cette couche émettrice d'électrons est une couche mince de 35 substance ayant une épaisseur maximum d'un ordre de grandeur inférieur à celui de l'épaisseur de la couche support. 7) Appareil suivant la revendication 4, caractérisé en ce que la couche support à une épaisseur de l'ordre de un micron ; la couche émissive a une épaisseur de l'odre de 0,2 micron et en ce 40 que cette couche émettrice d'électrons est formée avec une substance 72 09978 10 2132044 capable d'émettre des électrons secondaires, la couche émissive de chaque passage définissant un chemin de multiplication électronique pour le faisceau. 8) Appareil suivant la revendication 1 ou 4f caractérisé 5 en ce que cette substance émettrice d'électrons a un coefficient d'absorption prédéterminé pour le rayonnement électromagnétique considéré et en ce que le faisceau comporte un nombre suffisant de parois pour amener l'énergie du rayonnement à être réduite d'un * 2 facteur égal à 1 je . 10 9) Appareil suivant la revendication 1 ou 4» caractérisé en ce que la masse totale de substance formant les parois est suffisante pour absorber sensiblement tout le rayonnement frappant l'appareil. 10) Appareil suivant la revendication 1 ou 4> caractérisé 15 en ce qu'il comporte des fenêtres pour diriger le rayonnement électromagnétique de façon qu'il frappe une partie prédéterminée du faisceau et un compteur pour enregistrer les signaux de sortie. 11} Appareil suivant la revendication 10, caractérisé en ce que ces fenêtres sont constituées par une multiplicité de fentes 20 collimatrices transparentes au rayonnement électromagnétique, disposées en série sur le côté du faisceau. 12) Appareil suivant la revendication 1 ou 4» caractérisé en ce qu'il comprend au moins 500 passages multiplicateurs. 13)Appareil suivant la revendication 1 ou 4, caractérisé 25 en ce qu'il comprend une multiplicité de tubes droits, multiplicateurs d'électrons, d'une longueur comprise entre 2 et 3 mm ; en ce qu'un gradient de potentiel d'environ 1000 volts est maintenu entre les extrémités des tubes et en ce que des fenêtres sont disposées pour diriger le rayonnement électromagnétique de façon qu'il frappe 30 les parois de ces tubes à une distance au moins égale approximativement à la moitié de leur longueur à partir de leur extrémité de sortie. 14) Appareil suivant la revendication 1 ou 4, caractérisé en ce qu'il comprend une multiplicité de tubes spiralés, multi- 35 plicateurs d'électrons, d'une longueur àpproximative comprise entre 2 et 3 mm ; en ce qu'un gradient de potentiel de l'ordre de 2000 volts est maintenu entre les extrémités des tubes et en ce que des fenêtres sont disposées pour diriger le rayonnement électromagnétique de façon qu'il frappe les parois de ces tubes à une distance 40 au moins égale approximativement à la moitié de leur longueur à 72 09978 " 2132044 partir de leur extrémité de sortie.