Brevet FR2351421A1 — publié le 19771209

Stinvention concerne un nouveau détecteur pour appareil de radiographie à tomographie transverse. Bes appareils de tomographie transverse comportent une source de rayons X émettant un faisceau collnmaté qui vient frapper un détecteur après avoir traversé ltorgane à examiner. Source et détecteur sont mobiles de tanière que le faisceau-décrive un plan traversant ltorgane. Les informations reçues par le détecteur au cours de ce balayage sont mises en mémoire. Après avoir parcouru ce plan de coupe, ltensemble source-détecteur tourne drun angle faible-, par exemple un degré, et, dans cette nouvelle station,' '-le faisceau décrit de nouveau le plan de coupe.Un calculateur traite ces informations mises en mémoire, et restitue une image de l'absorp- tison des rayons X selon le plan défini par -les, balayages du faisceau aux différentes stations. Une amelioration a consiste à diminuer l'amplitude des balayages, et par conséquent la durée des opérations dtexamen, en utilisant plusieurs pinceaux de rayons X'associés à plusieurs détecteurs. lorsque cet ensemble de détecteurs occupe toute la ligne de balayage, ce dernier peut être supprimé. Les ensembles de détecteurs existants sont constitués générale- ment par une juxtaposition de cellules à gaz sous pression élevée, dont les parois ont une forte absorption. Le gaz est ionisé par les rayons X : ces ions ainsi collectés indiquent la quantité de rayons X qui a traversé la cellule. De tels détecteurs, malgré quelques avantages, font appel à une technologie élaborée, et leur volume ne peut être réduit qutau moyen d'un accroissement de la pression, et par conséquent, de Itépaisseur des parois de l'enveloppe, réduisant par là même, l'efficacité de la détection. L'objet de l'invention est un nouveau détecteur qui ne présente pas ces inconvénients et qui, en outre, soit doté d'une très grande dynamique. Dans cet appareil, les rayons X incidents sont transformés en faisceau de photo-électrons grâce à une ensemble scintillateur photocathode. Ces faisceaux d'éiectrons vont ensuite frapper une cible semi-conductrice présentant une charge d'espace. es photoélectrons, accélérés par le champ électrique existant entre la photocathode et la cible, transforment leur énergie cinétique en paires d'électrons-trous qu'ils créent dans la zone de charge d'espace de la cible polarisée. Ces porteurs diffusent alors dans le semi-conducteur sous l'influence du champ électrique interne de polarisation de la cible, et sont collectés par une électrode donnant ainsi le signal de mesure. Selon l'invention, le nouveau détecteur comporte - une enceinte à vide ayant une fenêtre rentrée transparente au rayonnement - un ensemble scintillateur-photocathode disposé en face de ladite fenêtre ; - une planche d'un corps semi-conducteur formant cible pour les photo-électrons émis par la photocathode, ladite cible présentant une charge d'espace avec le champ électrique interne associé - plusieurs groupes de diodes, implantés en ligne sur ladite cible, collectant les porteurs créés par l'impact des électrons émis par la photocathode, chaque groupe comprenant au moins une diode,;; - plusieurs conducteurs réunissant chacun un groupe de diodes à un circuit électronique de traitement des signaux Pour éviter qu'un groupe de diodes ne soit impressionné par un rayonnement diffracté à l'intérieur du corps à examiner, et émis en direction d'un autre groupe de diodes, on sépare le faisceau de rayons X incidents en faisceaux élémentaires correspondant à chaque groupe de diodes. Selon une autre caractéristique de l'invention, le nouveau détecteur comporte un collimateur situé sur le trajet des rayons X avant le matériau scintillateur et pourvu de fentes séparent le faisceau de rayons reçus en faisceaux élémentaires correspondant à chaque groupe de diodes. Selon encore une autre caractéristique, les conducteurs réunissant les groupes de diodes au circuit électronique sont constitués au moins partiellement par des dépôts métalliques recouvrant les diodes. Dans une variante de réalisation, la planche en matériau semiconducteur constituant la cible est utilisée pour y intégrer le circuit électronique de traitement des signaux collectés par des groupes de diodes. Dans une autre variante, le circuit électronique de traitement des signaux est constitué par un registre à décalage par transfert de charges, intégré dans le matériau semi-conducteur, de manière que les signaux sortent sous forme séquentielle. D'autres caractéristiques apparaltront au cours de la description de réalisations particulières données ci-après à l'aide des figures qui représentent schématiquement - les figures i et 2, les colles longitudinale et transversale d'un détecteur selon l'invention - les figures 3 et 4, une vue de face et une coupe de la planche formant cible, selon une première réalisation - les figures 5 et 6, une vue de face et une coupe de la planche formant cible selon un autre mode de réalisation ; et - la figure 7, une vue de cette cible selon encore un autre mode de réalisation. On voit sur les figures i et 2, en 1, le focalisateur en plomb pourvu de fentes, applique contre une partie transparente aux rayons X d'une enceinte à vide 2, cylindrique, en verre. Une structure 7 de fixation est pourvue de deux glissières 8 et 9 dans lesquelles viennent s'insérer les constituants de l'appareil. Sur une lame de verre support 3, d'environ 0,4 millimètre d'épaisseur, a été déposée, du c8té des rayons incidents, une couche de matériau scintillateur 4, par exemple de l'iodure de sodium, de l'iodure de césium ou du tungstate de calcium. L'épaisseur de cette couche est d'environ 1 millimètre.De l'autre coté de la lame support 3 est appliquée une photocathode 5 de type S il cu S 20 qui transforme les photons lumineux issus du scintillateur en photo électrons par photon X ou Y de 60 EeV incident A proximité de l'ensemble scintillateur-photocathode, à environ 3 millimètres, est fixée, entre deux glissières 9 solidaires de la structure 7, une planche en matériau semi-conducteur 1 1 formant cible dont la contexture sera décrite plus loin. Cette cible est polarisée par rapport à la photoca > hode au moyen de la source 20. Des contacts 12 solidaires de la structure 7 viennent prendre appui sur des contacts correspondants de la cible 11, et transmettent les courants prenant naissance sur la cible il en chaque point de mesure, à des circuits électroniques extérieurs 15 par l'intermédiaire d'une rampe de passages conducteurs multiples 13 à travers l'enceinte 2. Bes opérations de dépôt de la photocathode 5 sur la lame support 3 sont effectuées sous vide dans une autre enceinte (non figurée). Celle-ci est réunie à l'enceinte 2 par un queusot 16, par exemple en cuivre, de section appropriée pour permettre le passages de l'ensemble scintillateur-lame-support-photocathode vers l'enceinte 2, où il s'insère dans les glissières 8 solidaires de la structure 7. Après mise en place de cet ensemble, le queusot 16 est écrasé et coupé. Bes figures 3 et 4 illustrent un premier mode de réalisation de cette cible. Dans un barreau de silicium cn a découpé des plaquettes 17 taillées à 0,2 millimètre d'épaisseur, 40 millimètres de long et 20 millimètres de large. Chaque plaquette contient 13 points de mesure dont la partie active d'environ 2 millimètres sur i, est amincie en 18 à l'épaisseur de 15 microns, inférieure à l'épaisseur de la zone de diffusion des porteurs. Bes plaquettes 17 sont maintenues bout à bout Bes photo-électrons arrivent sur cette partie amincie 18. Sur l'autre face de cette partie amincie est implantée une mosaïque de plots dopés 19 dans le silicium, et qui forment une mosalque de diodes (plots p sur du silicium n). Une bande métallique 21, par exemple en aluminium, a été déposée de façcn à venir en contact avec les diodes 19 d'une meme partie amincie 18 formant ainsi un élément de mesure.Cette bande 21 recouvre une partie non amincie de la plaquette 17 sur laquelle vient appuyer le contact 12 correspondant, solidaire de la structure 7 (figure 2). Bes parties amincies 18 de chaque point de mesure sont bordées latéralement de parties non amincies 22, d'environ un demi-millimètre de large chacune, ce qui entrain un pas d'environ 3 millimètres pour les points mesures. On voit que dans cette réalisation, les photo-électrons provenant de la photocathode 5 viennent frapper la cible en silicium dans les parties amincies 18 en donnant naissance a des porteurs qui diffusent à l'intérieur du substrat de la partie amincie, et sont recueillis par des diodes implantes de l'autre côté de cette partie amincie. Bes figures 5 et 6 explicitent un autre mode de réalisation de la cible, Ici il n'y a pas de parties amincies et les diodes 19 sont implantées du cEté ou les photo-électrons viennent frapper le silicium dans des zones 27 constituant autant de points de mesure. Tes porteurs sont collectés par les diodes qui sont réunies, comme dans le mode précédent, par des bandes métalliques 21 qui les réunissent aux contacts 12. Dans une variante de ce mode de réalisation on n' implante pas de diodes ou de plots dopés 19, mais on dépose directement par évaporation sur le silicium une couche, environ un centième de micron, d 'aluminium afin de former une diode Schottky, et non plus une diode p-n. Ce dernier mode de réalisation a l'avantage de ne pas limiter la résolution par l'écartement de deux zones de mesure voisines, mais le courant d'obscurité est supérieur à celui obtenu avec des diodes p-n. (100 nano-ampères par centimètre carré au lieu de 10). Be fait de recueillir les signaux émis sur chaque point de mesure, sur un substrat en semi-conducteur a été mis à profit pour intégrer sur ledit substrat au moins une partie des circuits électroniques de traitement de ces signaux, avant de les sortir de l'enceinte. On a représenté sur les figures 5 et 6 une telle réalisation. Bes signaux émis par les diodes 19 dans les zones d'impact 23, sont envoyés dans des circuits amplificateurs 24 intégrés sur la plaquette 17. -Des lignes conductrices 25 et 26, également déposées sur le substrat, alimentent lesdits circuits 24 dont les sorties sont reliées aux contacts 12 réunis aux passages conducteurs 13 (figure 6). Dans une version encore plus élaborée, représentée figure 7, on a intégré sur le substrat de la cible non plus les circuits électroniques élémentaires de préamplification, mais également une partie des circuits de traitement des signaux reçus. On voit que les diodes 19 de toutes les zones d'impact 23 sont toutes réunies à un seul circuit 27 pourvu de contacts d'alimentation 28 et 29 et d'une sortie 31. Il n'est donc plus nécessaire de disposer de contacts multiples réunis à des multipassages de sortie. Un tel circuit comporte dans une réalisation préférée, un registre à décalage par transfert de charge (type CCD ou BBD) intégré dans le substrat. Ce nouveau détecteur dont on vient de décrire plusieurs modes de réalisation présente de nombreux avantages. Ainsi.qu:'il a été signalé plus haut, il permet, en multipliant les points de mesure juxtaposés sur une ligne, de diminuer considérablement le temps nécessaire à l'établissement d'une tomographie d'un corps à examiner, tout en simplifiant la construction de l'appareil de radiographie en supprimant un balayage. Ensuite, il rend inutile l'utilisation d'un multiplicateur d'électrons. Ce fait entraîne en lui-meme une simplification de construction, mais surtout il nécessite une tension d'alimentation moins rigoureusement stable que dans un appareil pourvu d'un multiplicateur. En effet, au cours d'un examen (qui dure plusieurs minutes) il est indispensable que le gain de l'appareil soit absolument constant, puisque l'utilisation de ce procédé de radiographie est basée sur la précision, et par conséquent la régularité, des mesures. Or, le gain d'un multiplicateur d'électrons, faisant appel au phénomène de l'émission secondaire, varie en fonction exponentielle de la tension d'alimentation haute tension alors que dans le cas, utilisé ici, de capture de porteurs créés par l'impact des électrons sur une cible semiconductrice, ce gain est directement proportionnel à la tension. Enfin ce nouveau détecteur peut avoir une très grande dynamique la cible peut fournir jusqu'à plusieurs milliampères par centimètre carré sans montrer de saturation, avec un courant d'obscurité d'environ 10 nano-ampères par centimètre carré (avec utilisation de diodes silicium p-n). Une telle dynamique de 105 sans écart de linéarité, est impossible à obtenir avec des multiplicateurs à émission secondaire, et particulièrement avec ceux comportant des micro-canaux, à cause du phénomène de charge d'espace et du courant de polarisation du multiplicateur. Cette grande dynamique fait de ce nouveau détecteur un appareil spécialement bien adapté aux examens radiographiques des parties du corps humain présentant un large contraste de perméabilité aux rayons X, par exemple celles comportant à la fois des tissus osseux et des tissus mous pour lesquels les rapports des mesures pourront varier de 1 à 1000. REVENDiCATIONS 1. Nouveau détecteur pour appareil de radiographie à tomographie transverse caractérisé en ce qu'il comporte - une enceinte à vide ayant une fenêtre d'entrée transparente au rayonnement - un ensemble scintillateur-photocathode disposé en face de ladite fenetre ; - une planche en matériau semi-conducteur formant cible pour les photo-électrons émis par la photocathode, ladite cible présentant une charge d'espace avec le champ électrique interne associé - plusieurs groupes de diodes, implantés en ligne sur ladite cible, collectant les porteurs créés par l'impact des électrons émis par la photocathode, chaque groupe comprenant au moins une diode - plusieurs conducteurs réunissent chacun un groupe de diodes à un circuit électronique de traitement des signaux. 2. Nouveau détecteur selon la revendication 1, comportant un collimateur situé sur le trajet des rayons X avant le matériau scintillateur, caractérisé en ce que ledit collimateur est pourvu de fentes séparant le faisceau des rayons reçus en faisceaux élémentaires correspondant à chaque groupe de diodes. 3. Nouveau détecteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le circuit électronique de traitement des signaux est situé à l'extérieur de l'enceinte, et en ce que les conducteurs sortent de l'enceinte par une rampe de passages multiples. 4. Nouveau détecteur selon la revendication 1, caractérisé en ce tue les conducteurs réunissant les groupes de diodes au circuit électronique sont constitués au moins partiellement par des dépôts métalliques recouvrant les diodes. 5. -Nouveau détecteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que la planche en matériau semi-conducteur formant cible a, dans la région d'impact des électrons, une épaisseur inférieure à celle de la zone de diffusion des porteurs créés par l'impact des électrons, et en ce que les diodes sont implantées du coté opposé à celui où arrivent les électrons provenant de la photocathode. 6. Nouveau détecteur selon la revendication 5, caractérisé en ce que la planche en matériau semi-conducteur est constituée par la Juxtaposition de plaquettes, chaque plaquette ayant des parties amincies correspondant à chaque groupe de diodes, 11 épaisseur des plaquettes dans les parties amincies étant inférieure à cellé de la zone de diffusion des porteurs créés par l'impact des électrons. 7. Nouveau détecteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les diodes sont implantées du coté de la cible où arrivent les électrons provenant de la photocathode. 8. Nouveau détecteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les groupes de diodes sont constitués chacun par le dép8t métallique constituant les conducteurs. 9. Nouveau détecteur selon la revendication 8, caractérisé en ce que la planche constituant la cible est du silicium, et le métal déposé, de l'aluminium. 10. Nouveau détecteur selon la revendication 1,caractérisé en ce que les circuits électroniques de traitement des signaux sont intégrés sur le matériau semi-conducteur constituant la planche 11. Nouveau détecteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les conducteurs réunissent les groupes de diodes à un registre à décalage par transfert de charges, intégré sur le matériau semiconducteur constituant la planche.