Brevet FR2266952A1 — publié le 19751031

La présente Invention due aux travaux de Messieurs Robert ALLEMAND, Roger GARIOD et Gérard THOMAS du Commissariat à l'énergie atomique et de Monsieur Gorges ROUX de la Compagnie Générale de Radiologie, a pour objet une caméra sensible à des rayonnements ou particules nucléaires. De façon plus précise, la présente invention concerne un dispositif capable de former l'image d'un rayonnement nucléaire et en particulier de rayons X ou gamma. Un tel dispositif permet de dresser une "carte" de la répartition du rayonnement à analyser, De tels dispositifs trouvent de nombreuses applications, en particulier dans le domaine du diagnostic médical à l'aide de radioisotopes On utilise alors la position, la forme et l'étendue de la distribution du rayonnement qui donnent la position la forme et l'étendue d'un organe du corps humain charge préalablement avec un marqueur, et celles d'une altération ou d'une tumeur éventuelles dans lesquelles il y a eu une variation de fixation du radioisotope. Dans de tels dispositifs, on convertit l'énergie de rayonnement radioactif en énergie lumineuse puis l'énergie lumineuse en énergie électrique. On connaît déjà la caméra d'Anger (décrite dans le brevet US 3 011 057) qui comporte essentiellement un collimateur, un scintillateur solide qui produit des taches lumineuses et plusieurs photomultiplicateurs (7 dans le cas de ce brevet) qui permettent de localiser la tache lumineuse ou plus précisément de déterminer les coordonnees de son barycentre. Divers perfectionnements ont été apportés à ce premier type de caméra. En particulier, on a introduit entre le scintillateur et les photomultiplicateurs dedétection plusieurs amplificateurs de brillance. En outre, un système de traitement particulier des signaux émis par les photomultiplicateurs de localisation permet de réduire leur nombre à quatre La résolution intrinsèque (c'est-à-dire sans tenir compte de celle du collimateur) de ce montage peut etre décomposée en deux termes venant de: - la fluctuation statistique du barycentre de la tache photoélectrique dans le scintillateur, - la fluctuation liée au ispositif de restitution des coordonnées de ce barycentre.-8e terme dépend essentielle ment de la quantité de lumière interceptée par les éléments sensibles à la lumière.Il a un poids non négligeable devant le précédent dans le montage de RANGER, Les inventeurs ont montré que les deux termes principaux donnant la résolution intrinsèque de la caméra sont les suivants: 2 a) - la fluctuation statistique #B de la position du barycentre de la tache d'électrons réalisée sur la photocathode du tube amplificateur de luminance par la tâche photoélec trique dans le cristal, dont l'expression est la suivante: 2 4z2 4Z B No.p Z : distance séparant la photocathode-du point de scintil- lation dans le cristal scintillant, No: nombre de photons lumineux émis de manière isotrope autour du point de scintillation, p : probabilité d'extraction d'un électron de la photo cathode; b) - Pour un évènement créé au centre, la fluctuation statistique de la position, due au système de lecture et de restitution des coordonnées, est donnée par la formule suivante (dans le cas d'un système de lecture à quatre éléments photosen sibles): 2 2 2 m # = 2N Xo m : coefficient pour les termes de fluctuation des premières dynodes des photomultiplicateurs, N : nombre de photoélectrons arrachés à la photocathode de l'un des photomultiplicateurs. Dans cette formule, N est donné par: N = G . No/2 . p . k G : gain photonique du tube amplificateur de luminance, p : probabilité d'extraction d'un électron de la photo cathode d'un des quatre photomultîplicateurs, k : fraction du flux lumineux émis par l'amplificateur de luminance et reçu par l'un des photomultiplicateurs. Ainsi, la résolution intrinsèque en position, R d'une telle caméra est donnée par ia relation: dans laquelle D représente le diamètre d'entrée de la caméra. Après avoir utilisé les "regles de l'art" du montage des cristaux scintlllateurs, le premier terme conserve encore une valeur assez conséquente : de un à quelques millimètres suivant l'efficacité du scintillateur donc suivant son épaisseur. Par contre, on peut rendre le deuxième terme négli- geable devant le premier pour autant que N soit grand. Et comme on atteint assez vite les "limites de l'art" pour les termes No, p et k, on démontre ainsi qu'une caméra à amplificateur de luminance ne peut réellement fonctionner au minimum de résolution que si le gain G du tube est très grand; par exemple de l'ordre de 7500. Or la technologie des tubes à amplification électron nique classique ne permet d'atteindre des gaines de plusieurs centaines qu'avec un empilement de plusieurs étages dont la haute tension atteint des valeurs de l'ordre de 60 000 Volts. De plus, ce potentiel, auquel est porté l'écran de sortie, perturbe le fonctlonnement de tout système de restitution des coordonnées. L'utilisation d'un tel empilement d'étages n'a pu être rendue possible qu'après interposition de grilles matérialisant une équipotentielle nulle entre l'écran de sortie et les photomultiplicateurs. On ne pourrait obtenir un gain de 7500 qu'en ajoutant des étages d'ampllflcation supplémentaires faisant ainsi croître la haute tension, entraînant des difficultés technologiques énormes, et des performances moindres (distorsion de l'image, perte de gain due aux grilles). La présente invention a précisément pour objet une caméra sensible aux rayonnements nucleaires qui pallie Irîncon vénient cité ci-dessus tout en conservant à la caméra la même résolution intrinsèque en position. La caméra se caractérise en ce qu'elle comprend sur sa face d'entrée un scintillateur apte à transformer-lesdits rayonnements en photons, au moins un ensemble d'amplification de la luminance desdits photons, au moins un parmi le ou les ensembles d'amplification de la luminance comportant une galette à microcanaux multiplicatrice des électrons créés par la face d'entrée dudit ensemble ampliticateur, et des moyens pour localiser la tache photonique délivrée par le ou les ensembles amplificateurs de luminance. Selon une première variante, elle comprend un premier ensemble d'amplification de la luminance donnant une réduction importante de la taille de l'image à l'entrée dudit amplificateur, et un deuxième ensemble amplificateur muni de ladite galette multiplicatrice d'électrons à microcanaux. Selon une deuxième variante, elle comprend un seul ensemble d 'amplification de la luminance donnant une réduction importante de la taille de l'image, ledit ensemble étant muni d1une galette multiplicatrice d'électrons à microcanaux. De préférence, la galette à microcanaux est placée en un point ou le gain des étages précédant la galette est supérieur à 10 environ; dans ces conditions, la fluctuation statistique et la perte d'électrons qu'elle entrasse ne détériorent pas les performances de la caméra, en particulier la résolution en position et la résolution en énergie. Lesdits moyens de localisation peuvent etre du type apte à restituer les coordonnées du barycentre d'une tache photonique de petite dimension (constituant un point de l'image à représenter); ils peuvent également etre du type apte à analyser et à reconstituer une image photonique de grande dimension (constituant l'ensemble de l'image à représenter) par exemple une caméra à balayage. De toute façon, l'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit, de plusieurs modes de réalisation de l'invention donnés à titre d'exemples non limitatifs. La description se réfère aux figures annexées sur lesquelles on a représenté: - sur la Fig. 1, une vue en coupe longitudinale d'un premier mode de réalisation de la caméra, et - sur la Fig. 2, une vue selon le même plan de coupe d'un-deuxième mode de réalisation de la caméra. D'une façon générale, la caméra comprend quatre éléments principaux: - un scintillateur solide 2 convertissant le rayonnement nucléaire (par exemple rayonnement gamma) en un certain nombre de photons; - un ensemble d'amplification 4 de luminance des photons émis par le scintillateur, comportant un ou plusieurs étages; - un système de lecture 6 de la position de la tache photonique apparalssant à la sortie de l'ensemble d'amplification 4; et - un circuit électronique 8 de traitement des signaux électriques délivrés par le système de lecture 6 pour élaborer les coordonnées du point d'impact de la tache photonique et donc du rayonnement radioactif, et effectuer éventuellement la solution d'énergie. A ces éléments, il faut ajouter un collimateur 10 placé en avant du scintillateur. Le scintillateur 2 est réalisé de préférence en iodure de sodium. Le rayon de courbure du sclntillateur épouse celui de la fenêtre d'entrée 12 du tube 4 amplificateur de luminance. Il a une épaisseur suffisante pour procurer une bonne sensibilité aux rayonnements utilisés en médecine nucléaire Il peut également être plan. Dans ce cas, la liaison optique entre le scintillateur et la fenêtre est assurée par un guide de lumière homogène ou constltué par des fibres optiques. Cependant dans cette dernière variante la fluctuation statistique de position est moins bonne et varIe du centre à la périphérie de l'amplificateur de luminance. Dans le mode de réalisation représenté sur la figure 1, le tube amplificateur de luminance 4 comprend une enceinte en verre 14 dont le diamètre va en diminuant depuis sa face d'entrée 12 jusqu'à sa face de sortie 16. La fenêtre d'entrée 12 qui est de préférence réalisée en un verre transparent aux rayons émis par le scintillateur est scellée à l'enceinte 14. Le premier étage diamplification 18 est constitué par une photocathode émettrice d'électrons 20 déposée sur la face interne de la fenêtre 12, et par une cible phosphorescente rapide 22, formant anode. Les electrons emis par la photocathode 20 sont accélérés par la différence de potentiel appliquée entre les deux électrodes et qut est $santa,geusement de l'ordre de 25 à 30 kV. Les électrons accélérés bombardent la cible 22. Cet étage 18 introduit en plus une réduction de la taille de l'image par un facteur 20. Le diametre d'entrée est de l'ordre de 400 mm et le diamètre de sortie de l'ordre de 20 mm. Le gain ainsi obtenu est de l'ordre de 30. Le deuxième étage d'amplification 24 a une structure d'entrée et de sortie sensiblement identique et comporte une photocathode 20' raccordée optiquement à la cible 22 par des fibres optiques 26, et une cible phosphorescente rapide 221. Cependant, cet étage comporte une galette de microcanaux 28 introduite entre la photocathode 20' et la cible 22'. On applique bien sûr également une différence de potentiel d'accélération entre les électrodes 20' et 22'. Le gain total de l'ensemble des deux etages est de l'ordre de 15000 pour des tensions totales de l'ordre de 35 à 45 kV. I1 faut remarquer que la galette de microcanaux doit etre placée en un point de la chaîne d'amplification de la luminance où le gain obtenu en amont est déjà important, afin que la fluctuation statistique qu'elle entrain et la perte d'électrons à son entrée ne se manifestent que sous la forme d'un terme négligeable par rapport à celui inévitable de la fluctuation du barycentre de la tache d'électrons formés sur la photocathode d'entrée. Une valeur de 10 environ est convenable. De telles galettes sont maintenant bien connues. Elles sont en général réalisées en verres faiblement conducteurs. Par exemple, les composés de Fe, Mn, Co, Cr, Ni, Mo avec des verres de base aux aluminosilicates, aluminoborates etc . . La galette est constituée par une juxtaposition d'un très grand nombre de canaux de dimensions microscopiques. Grace à la différence de potentiel appliquée entre l'entrée et la sortie de ladite galette (de l'ordre de 2,5 à 3 kV), on a une multiplication des électrons pénétrant à l'interieur de chaque canal. En heurtant la paroi intérieure dudit canal un électron primaire donne naissance a plusieurs électrons secondaires qui sont accélérés. -On a une avalanche d'électrons libres qui quittent finalement le canal par son extrémité dont le potentiel est le plùs élevé. Pour avoir davantage de précisions sur les galettes de microcanaux, on se reportera avantageusement la Revue Fran çaise "Acta Electronica" vol. 14 : Janvier 1971 n 1 et Avril 1971 n0 2. Dans le mode de réalisation représenté sur la figure 1, le système de lecture 6 est constitué de façon connue par quatre photomultiplicateurs 30a, 30b, 30c et 30d, a haute sensibilité de photocathode et à haute stabilité de gain sur les dynodes. Les signaux Sa, Sb, Sc, Sd prélevés à la sortie des photomultiplicateurs sont amplifiés dans les amplificateurs 3Za, 32b, 32c et 32d ce qui donne les grandeurs Ia, Ib, Ic et Id. Ces grandeurs sont appliquées aux entres de l'unité de traitement 34 qui élabore les quantités X et Y: X = K la - Ibb et lb la + lb , et Y = K' Ic - Id Ic + Id , X et Y représentant les coordonnées du barycentre de l'impact du rayonnement radioactif rapporté aux axes xx' et yy' définis par les centres des photomultiplicateurs, K et K' étant des coefficients numériques liés à la géométrie des photomultiplicateurs et à leur position relative. De plus, l'unité de traitement 36 élabore la grandeur W définie par: W donnant l'énergie totale. Le calcul complet est exposé dans le compte-rendu "Proceedings of the fifth symposium on photoelectronic image devices" Imperial College, London, September 13-17, 1971, pages 1017 à 1029. Il est possible de remplacer le localisateur 6 par un système à photomultipll~cateur unlque et comportant une nappe de deux séries de fils conducteurs parallèles, effectuant la restitution des coordonnées selon le procédé et à l'aide du dispositif décrits dans la demande de brevet n0 EN 73 02250 du 23 Janvier 1973 au nom de la demanderesse pour " Procédé et dispositif de localisation d'un impact lumineux sur la photocathode d'un photomulti plicateur". Sur la figure 2, on a représenté cette variante de réalisation de la caméra, Dans cette variante, le scintillateur 2 et les deux étages 18 et 24 d'amplificatlon de luminance ne changent pas La différence réside dans le système dé lecture 6 et de traitement de l1information 8. Il comporte un photomultiplicateur 38 en aval de la face de sortie 16. La face d'entrée du photomultiplicateur 38 est munie d'une nappe de fils conducteurs 39 identique à celle qui a été décrite dans le paragraphe précédent. Un guide d'ondes lumineuses 40 constitué par des fibres optiques assure la liaison optique entre la face de sortie du tube amplificateur de luminance 24 et la photocathode 42 du photomultiplicateur.On applique successivement sur la nappe de fil une tension électrique créant à la surface de la photocathode un champ électrique localisé à l'aide du générateur 48 et du circuit d'alimentation 50 figuré schématiquement en pointillés. On amplifie dans l'amplificateur 52 le signal d'anode recueilli par le multiplicateur d'électrons 46, et on le traite comme cela a été indiqué dans la demande de brevet nO EN 73 02250 pour en déduire les coordonnées X et Y du point d'impact, ainsi que l'énergie W du rayonnement reçu. On peut également modifier la structure due tube amplificateur de luminance. En effet, celui-ci au lieu de comporter deux étages, peut n'en comporter qu'un. Dans ce cas, la galette de microcanaux est directement intégrée dans l'étage réducteur d'image, c'est-à-dire l'étage 18 de la figure 1. Il faut alors bien sur que ce seul étage donne un gain photonique suffisant. Pour que cette variante conserve tout son intérêt il faut qu'une cible multiplicatrice sans perte d'électrons primaires et sans perte de localisation soit interposée entre la photocathode d'entrée de l'étage d'amplification et la face d'entrée de la galette de microcanaux. On peut prendre par exemple une structure multiplicatrice à émission secondaire sous forme de membrane fine. On peut également remplacer les photomultiplicateurs par tout autre élément photosensible présentant une sensibilité suffisante, une photodiode par exemple. Dans une variante de l'invention, adaptée au cas où la fréquence des évènements nucléaires est élevée , on utilise un tube possédant un écran de sortie présentant un temps de rémanence plus important: limage en sortie de l'amplificateur de luminance est ainsi obtenue en bloc par accumulation des signaux lumineux dus à chacun des évènements. Le système de localisation d'un point lumineux est alors remplacé par un système, par exemple à balayage, apte à enregistrer l'image globale ainsi obtenue. Cette variantexest bien. adaptée aux études dynamiques rapides de médecine nucléaire, utilisant des isotopes à vie courte. Dans la description précédente, on a considéré comme rayonnements nucléaires des rayons gamma, c'est-à-dire qu'on a décrit une gamma-caméra. Un dispositif très semblable pourrait être utilisé pour traiter des faisceaux neutroniques. Par exemple, pour réaliser une caméra sensible aux neutrons thermiques, on utilisera un scintillateur en verre spécial du type NE 901 à NE 913 fabriqué, par Nuclear Enterprises Limited, livré plan et déformé thermiquement: l'épaisseur est alors de 1 millimètre. REVENDICATIONS 1. Caméra sensible aux rayonnements nucléaires,caracté- risée en ce qu'elle comprend sur sa face d'entrée un scintiiîateur apte à transformer lesdits rayonnements en photons, au moins un ensemble d'amplification de la luminance desdits photons, au moins un parmi le ou les ensembles d'ampllfication de la luminance comportant une galette à microcanaux multiplicatrice des électrons créés par la face d'entrée dudit ensemble amplificateur, et des moyens pour localiser la tache photonique délivrée par le ou les ensembles amplificateurs de luminance. 2. Caméra selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle comprend un premier ensemble d'amplification de la luminance donnant une réduction importante de la taille de l'image à l'entrée dudit amplificateur, et un deuxième ensemble amplificateur muni de ladite galette mutiplicatrice d'électrons à microcanaux. 3. Caméra selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle comprend un seul ensemble d'amplification de la luminance donnant une réduction importante de la taille de l'image, ledit ensemble étant munie d'une galette multiplicatrice d'électrons à microcanaux. 4. Caméra selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que ladite galette à microcanaux est placée en un point où le gain des étages la précédant est au moins égal à 10 environ. 5. Caméra selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que lesdits moyens de localisation sont aptes à élaborer des signaux significatifs des coordonnées du barycentre de ladite tache photonique. 6. Caméra selon l'une quelconque des revendications l à 4, caractérisée en ce que lesdits moyens de localisation sont aptes à balayer ladite tache photonique et à élaborer des signaux significatifs des coordonnées de chacun des points de ladite tache photonique. 7. Caméra selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que les moyens de localisation sont constitués par quatre photomultiplicateurs placés en regard de la face de sortie de l'ensemble d'amplification de luminance et par un circuit de traitement des informations électriques délivrées par lesdits photomultiplicateurs pour élaborer les coordonnées du point d'impact du faisceau radioactif sur le scintillateur 8. Caméra selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que les moyens de localisation sont constitués par un seul photomultiplicateur placé en regard de la face de sortie de l'ensemble d'amplification de luminance, ledit photomultiplicateur comportant en avant de sa photocathode d'entrée une nappe de fils conducteurs isolés les uns des autres disposés selon deux directions orthogonales, par des moyens pour appliquer successivement sur chaque fil un signal électrique, par des moyens pour défocaliser le faisceau de photoélectrons émis par la- face de sortie de l'ensemble d'amplification de luminance et par des moyens pour traiter- le signal délivré par ledit photomultiplicateur. 9. Camera selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisée en ce qu'elle comprend un collimateur en avant du scintillateur.