Brevet FR2237206A1 — publié le 19750207

La présente invention concerne un cristal scintillateur destiné à être monté à l'extérieur ou à l'intérieur d'un intensificateur de luminance dans un ensemble de détection et de car tographie a d'activité, communément appelé gamma caméra. I1 est une technique connue d'utiliser de tels cristaux qui sont des convertisseurs d'anergie pour transformer un rayonnement de photons gamma en un rayonnement de photons de longueur d'onde appartenant au domaine du spectre visible. On a en particùlier-très fréquemment-recours à cette propriété en médecine nucléaire pour la réalisation de dispositifs de cartographie- d'orgarie-bumain ou animal dont la tête de détection du rayonnement gamma utilisé est en général constituée par au moins un cristal scintillateur assoçié à un dispositif d'amplification et de visualisation du rayonnement lumineux visible émis par ledit cristal. Divers types de détecteurs à cristaux scintillateurs- pour gamma caméras ont été proposés, mais aucun ne remplit la fonction qui lui est demandée avec les qualités requises. Ainsi, un premier type de détecteur est constitué par un seul cristal de grand diamètre, jusqu'à 35 centimètres, auquel -sont associés un photomultiplicateur et un dispositif d'exploration point par point de la zone d'investigation constituée par ledit cristal; limage explorée étant restituée sur une plaque photosensible-. Mais ce type de détecteur présente de nombreux inconvénients majeurs. En effet, en premier lieu, il nécessite l'explora- tion point par point, c'est-h-dire'nou seulement la présence du dispositif destiné à effectuer ladite exploration mais aussi, et surtout, la réception par le cristal d'un rayonnement gamma pendant toute la durée de ladite exploration. Ceci revient à dire que le suet étudié est lui même soumis à ce même rayonnement pendant toute sa durée, et il y a dolic évidemment tout intérêt à ce que cette dernière soit la plus courte possible. Un autre inconvénient important tient à La nàture même des sources radioactives que l'on doit utiliser dans ce cas. En effet, compte tenu du phénomène de défocalisation qui se produit dans l'épaisseur même du cristal utilisé et qui sera décrit plus loin, on ne peut employer de cristaux de grand diamètre que dans la mesure où ils ont une faible épaisseur. Mais comme le pourcentage de rayonnement gamma incident converti en lumière visible par le cristal est une fonction croissante de la longueur du parcours dudit rayon dans ledit cristal, on conçoit que ce pourcentage, autrement dit le rendement du cristal, est alors très faible et qu'il est donc nécessaire, pour compenser cette faiblesse, d'utiliser une source -radioactive de grande intensité. Or, ceci conjugué à la nécessité déjà décrite de la durée importante de l'irradiation du sujet rend évidemment ce premier type de détecteur très mauvais. On a donc pensé remédier à ces inconvénients en présentant un second type de détecteur qui n'es-t plus composé d'un seul cristal scintillateur mais au contraire de nombreux petits cristaux sépares. Il est ainsi possible en utilisant plusieurs centaines de petits cristaux scintillateurs de petite section (quelques millimètres carrés) placés verticalement les uns à côté des autres, sertis dans une même matrice constituant une sorte de canevas métalLique tel qu'une grille, d'augmenter-considérablement l'épaisseur du détecteur (ici la hauteur des petits cristaux). Du faitque'par un phénomène de réflexion totale du faisceau incident sur les parois latérales desdits cristaux, ces derniers se comportent comme des conduits de lumière ils évitent ainsi la dispersion de lumière due au phénomène cité de défocalisation.Cette augmentation de la hauteur des cristaux permet alors, comme il l'a été vu, d'obtenir à la fois un meilleur rendement du cristal (d'où la possibilité de se contenter de sources radioactives de plus faiblentensit,, et une plus grande netteté de l'image du fait de la diminution du phénomène de dispersion de la lumière dans le cristal. Mais ce type de détecteur a un autre inconvénient fondamental d'ordre pratique : la quasi-impossibilité de préparer les centaines de cristaux -scintillateurs nécessaires possédant des caractéristiques physiques parfaitement uniformes. En outre le prix de revient de leur fabrication et celui de leur montage ulterieur précis dans la grille rend prohibitif l'emploi d'un tel détecteur dont l'utilisation serait pourtant requise dans la majorité des services de médecine nucléaire. La présente invention s'est donc fixé pour but de proposer un cristal scintillateur pour un dispositif de, détection de gamma caméra qui presente à la fois les avantages du second type de détecteur décrit en ce qui concerne son rendement et la netteté de l'image qu'il produit, sans entrainer ni un court de fabrication élevé ni des difficultés de montage exagérées. Ce but est atteint conformément à la présente invention à l'aide d'un cristal scintillateur pour dispositif de détection cristal de gamma- camér/présentant une face de grandes dimensions tournée vers la source du rayonnement gamma qu'il reçoit, caractérisé en' ce que cette face dudit cristal est sillonnée par une grand nombre de- fentes profondes délimitant de nombreuses saillies psmatiques à parois latérales perpendiculaires à ladite face dudit cristal. Il devient ainsi possible de réaliser un cristal scintillateur à un prix de revient modéré et dont les caractérts- tiques répondent à toutes les conditions précédentes tout en évitant les défauts et inconvénients précités. D'autres caractéristiques et avantages de la présente --invention apparaitront à la lecture de la description suivante donnée à titre indicatif mais non limitatif d'un mode de réalisation du cristal scintillateur, description faite en référence, au dessin annexé sur lequel - la figure lzreprésente une vue en perspective cavalière d'un mode de réalisation-du cristal scintillateur, et, - -la figure 2 représente un schéma explicatif du phénomène dit de détocat sation du rayonnement gamma dans le cristal scintillateur. Comme on peut le voir sur la figure I le cristal scintillateur se compose d'un cristal cylindrique 1. Ce cristal il est réalisé en un matériau scintillateur connu transparent à grand pouvoir massique d'absorption, tel, par exemple, que le complexe iodure de sodium - tillium NaI (Th). I1 présente deux faces circulaires la et lb d'un diamètre pouvant atteindre et même dépasser une quarantaine de centimètres et donc d'une dimension assez grande par rapport à la hauteur de sa face latérale cylindrique lc. Des fentes 2 sont creusées dans le cristal 1 dont elles sillonnent la face circulaire la tournée vers la source du rayonnement gamma que reçoit ledit cristal 1. Ces fentes 2 sont ici rectilignes et présentent une section rectangulaire suivant un plan perpendiculaire à leur direction. Elles sont groupées en deux familles distinctes, 2a et 2b, composées chacune d'une série de fentes 2 disposees à distance constante parallèlement entre elles, et s'étendant dans une direction fixe déterminée. Les-deux directions fixes déterminées parallèlement à chacune desquelles sont Creusées les fentes 2 de chacune des deux familles 2a et 2b font entre elles un angle droit. Les fentes 2 s'étendent sur une profondeur 2c correspondant au moins aux 3/4 de. l1épaisseur ou hauteur du cristal 1. Ainsi, par exemple, dans le cas d'un cristal scintillateur réalisé en iodure de sodium - thallium, les fentes ont, de préférence, une profondeur 2c d'environ 16 millimètres, l'épaisseur dudit cristal étant avantageusement choisie à 20 millimètres. Les deux familles 2a et 2b des fentes 2 déterminent donc un grand nombre de petits volumes prismatiques 3 dont les faces latérales, constituées par les bords des fentes 2, sont perpendiculaires à la face la du cristal 1 qui est donc elle même constituée d'autant de petits rectangles ou de carrés 3a appartenant chacun à l'un desdits prismes 3. I1 est bien sur ensuite possible de remplir les fentes 2 d'un matériau susceptible d'une part, de jouer un roule d'écran, c'est-à-dire d'assurer la diffusion et/ou la réflexion des photons de scintillation émis avec une inclinaison trop grande par rapport à l'axe du cristal et/ou l'élimination des quelques photons gamma d'interaction Compton, et, d'autre part, de renforcer ledit cristal en améliorant sa rigidité. On utilisera avantageusement dans ces buts des matériaux contenant de l'oxyde de plomb mélangé à un liant destiné à consolider. le cristal. La Iargeur 2d dés fentes 2 est choisie aussi courte que possible de façon à rendre le plus élevé possible le rapport surface de cristal / surface écran. On pourra la- choisir avanta- geusement, en référence à exemple dimensionnel cité plus haut de~l'ordre de 1 à 2 millimètres. I1 sera en outre préférable de faire coïncider les fentes 2-avec les plans des parois entrecroisées du collimateur placé entre la source de rayonnement~gamma et le cristal scintillateur de façon à minimiser cette-perte de rayonnement. Un tel dispositif permet éventuellement de supprimer le collimateur, la collimation étant assurée par le cristal lui même. Les avantages du cristal scintillateur ci-dessudécrit seront mieux compris après la lecture de la description suivante du phénomène dit de "défocalisationé qui se produit lors de la traversée d' un cristal scintillateur quelconque par un rayonnement gamma. Comme on peut le voir sur la figure 2, un rayonnement gamma incident 4 qui vient rencontrer et traverser un cristal scintillateur 5 suivant une direction 12 ne provoque pas une scintillation (ou une émission de lumière) ponctuelle. En effet, cette émission se produit au contraire, comme ltindique les lignes successives 6, 7, 8 et 9 qui représentent les limites des zones dites de demi-absorption au-delà desquelles la moitié du rayonnement incident gamma ayant traversé la ligne précédente a été transformé en lumière visible, par une succession de points schematises en 6a, 7a, Sa, 9a , ces points ré-émettent chacun dans toutes les directions et engendrent donc sur la face de sortie 10 du cristal 5 une tache lumineuse de dimensions importantes et de contours flous ll. On comprend donc aisément le -role joué par les prismes 3 qui, canalisant, perpendiculairement à la face la, la lumière émise parallèlement à la direction incidente du rayonnement gamma, éliminent ce phénomène de défocalisation, les-rayons trop divergents étant réfléchis ou absorbés par les faces latérales desdits prismes 3 ou par les écrans qui les séparent. Ainsi le présent cristal scintillateur présente par rapport à ceux utilisés dans les détecteurs connus, les avantages complémentaires d'assurer un même rendement de conversion sur toute sa surface, et surtout de permettre un excellent rendement (de l'ordre de 90 % ou même supérieur) dt à la grande épaisseur du cristal, sans souffrir des inconvénients dus au phénomène de défocalisation. Ces avantages sont en outre accompagnés par un court -de revient très modéré compte tenu du nombre restreint d'interventions manuelles nécessaires et de la possibilité de réaliser ce cristal avec un outillage très courant tel que des fraises. Bien entendu, l'invention ne se limite pàs au mode de réalisation ci-dessus décrit mais en coUvre au contraire toutes les variantes possibles sans pour cela sortir du cadre délimité par les revendications annexées. Il est en particulier possible de prévoir de nombreux autres modes de réalisation, notamment en ce qui concerne la disposition des fentes 2 (d'oh la variation des sections des petits prismes 3) ou encore d'ajuster la face lb du cristal 1, plane dans le mode de réalisation décrit, à la forme extérieure exacte, par exemple de calotte sphérique, de la photo-cathode- du dispositif sur lequel il sera monté. Il sera enfin.possible, dans le cas où- la surface la d'un seul cristal 1 ne serait pas suffisante pour couvrir tout le champ d'investiga tionsde juxtaposer et d'assembler dans un même plan par un moyen connu deux ou plusieurs cristaux-détecteurs tels que ceux précé- demment décrits. REVENDICATIONS l. Cristal scintillateur pour dispositif dé détection de gamma caméra présentant une face de grandes dim-.nsions tournée vers la source rayonnement gamma qu'il reçcLtr caractérisé en ce que cette face dudit cristal est sillonnée par un grand nombre deffentes profondes- délimitant de nombreuses saillies prismatiques à parois latérales perpendiculaires à ladite face dudit cristal. 2. Cristal scintillateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les fentes qui sillonnent sa face tournée vers la source de rayonnement gamma sont rectilignes. 3. Cristal scintillateur selon la revendication 2, carac tersé en ce que les-fentes rectilignes qui sillonnent sa face tournée vers la source de rayonnement gamma sont groupées en au moins dieux familles composées chacune de fentes parallèles à une -direction fixe déterminée. 4. Cristal scintillateur selon la revendication > , :.arac- térisé en ce que les fentes rectilignes sont groupées en deux familles composées de fentes paralLèles à deux directions déterminées perpendiculaires entre elles. 5. Cristal scintillateur selon l'une quelconque des reven dications 1 à-4, caractérisé en ce que les fentes sillonnent la face dudit cristal tournée vers la source de rayonnement gamma ont une profondeur au moins égale aux 3/4 de l'épaisseur dudit cristal. a 6. Cristal scintillateur selon l'une quelconque des reven -dications I à 5, caractérisé en ce que les fentes qui sillonnent la face dudit cristal tournée vers la source de rayonnement gamma sont remplies d'un matériau susceptible d'assurer la diffusion et/ou la réflexion des photons de scintillation émis avec une inclinaison trop grande par rapport à l'axe du cristal, et/ou lié limination des quelques photons gamma dtinteraction Compton. 7. Cristal scintillateur selon l'une quelconque des revendications 6 et 7, caractérisé en ce que les fentes qui sillonnent la face dudit cristal tournée vers la source de rayonnement gamma sont remplies d'un matériau apte à renforcer ledit cristal et à améliorer sa rigidité. 8. Cristal scintillateur selon 1'une quelconque des revendications 6-et 7, -caractérisé en ce que les fentes qui sillonnent la face dudit cristal tournée vers la source de rayonnement gamma sont remplies d'un matériau contenant de l'oxyde de plomb mélangé à un liant. 9, Cristal scintillateur constitué de plusieurs cristaux scintillateurs, caractérisé en ce qu'il est constitué d'au moins deux cristaux scintillateurs selon l'une quelconque des revendications 1 à 8. 10. Cristal scintillateur selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce qu'il est réalisé en un cristal du complexe iodure de sodium - thallium.