Brevet FR2354566A1 — publié le 19780106

La présente invention a pour objet des dispositifs détecteurs de particules atomiques et de rayonnements ionisants de toutes natures et de toutes énergies. Le secteur technique de l'invention est celui de la construction des dispositifs détecteurs de particules atomiques de type a,, etc..., et de radiations ionisantes de type photons you X, et plus spécialement des détecteurs destinés à équiper des spectroinètres anti-Compton. Dans la description qui suit, on se réfèrera plus spécialement à des détecteurs du type Ge (Li), au germanium compensé au lithium, qui sont les plus utilisés. I1 est précisé toutefois que ce choix n'est pas limitatif et que la présente invention s'applique à tous les types de détecteurs connus et notamment aux détecteurs scintillateurs, par exemple aux détecteurs tels que le NaI (Ti), composés d'un monocristal d'un halogénure alcalin activé au thallium, mais également aux détecteurs à gaz, à chambres d'ionisation, à chambres luminescentes et en général à tous les dispositifs connus qui convertissent l'énergie des particules en signaux électriques. On rappelle que les photons y ou X, ou toutes autres particules atomiques, qui rencontrent de la matière, peuvent céder une partie de leur énergie à des electrons, puis être diffusés avec une énergie plus faible que leur énergie initiale. C'est l'effet Compton. Lorsqu'on étudie le spectre des radiations captées par un détecteur, on retrouve dans ce spectre non seulement des pics correspondant à l'absorption totale de ltenergie des radiations incidentes, mais encore une distribution continue due aux radiations secondaires, diffusées par effet Compton, qui se sont échappées du détecteur; et cette distribution constitue une sorte de bruit de fond gênant. On cherche à construire des spectromètres de plus en plus sensibles, c'est-à-dire tels que même les photons de très faible intensité donnent encore naissance à des raies observables, ce qui ntest possible que si l'on parvient à diminuer l'importance du bruit. I1 existe des dispositifs à colncidences,ou à anti-coincidences tels que les spectromètres anti-Compton permettant d'améliorer le rapport S/B entre la hauteur S du pic d'absorption totale et la hauteur B de la distribution de bruit. Dans ces spectromètres, le détecteur principal est entouré par un détecteur auxiliaire qui capte une grande partie des photons diffusés par le détecteur principal, et on détecte électroniquement la colncidence entre les signaux electriques émis par les z # tecteurs. Dans les spectromètres à coincidence, on supprime tous les m aux qui ne colacident pas dans le temps. Dans les spectromètres à anti-co?ncidences, on supprime le signal électrique émis par le détecteur principal chaque fois qu'il coincide dans le temps avec un signal émis par le détecteur auxiliaire. On connaît notamment des spectromètres anti-Compton comportant un détecteur principal du type Ge(Li), placé à l'intérieur d'une enceinte cryogénique sous vide, qui est elle-même placée dans un puits cylincrique creusé dans un cristal de NaI (T1), qui constitue le détecteur auxiliaire. Dans les détecteurs de particules atomiques et de radiations ionisantes actuellement connus, l'élément détecteur, qu'il soit à ionisation ou à luminescence, est placé habituellement dans une enceinte dans laquelle on crée un vide poussé. Dans le cas des détecteurs à semi-conducteurs, cette enceinte est une enceinte cryogénique refroidie à très basse température, pour éviter les bruits parasites. Cette enceinte est délimitée par une enveloppe métallique, qui sert de blindage électrique. Cette enveloppe absorbe inévitablement une fraction du rayonnement incident, et surtout une partie importante du rayonnement diffusé par le détecteur principal par effet Compton. L'absorption d'une partie du rayonnement diffusé est très genante lorsqu'il s'agit d'un détecteur équipant un spectromètre anti-Compton. Les constructeurs ont essayé de réduire au minimum l'absorption due à l'enveloppe en réalisant des enceintes de faible épaisseur, mais -il n'est pas possible de descendre au-dessous d'une épaisseur limite, de l'ordredumillimètre, nécessaire à la bonne résistance mécanique de l'enceinte. Il en résulte que malgré les solutions couteuses qui ont pu etre proposées pour réaliser des spectromètres anti-Compton, les progrés realisés dans l'amélioration du rapport S/B restent limités. L'objectif de la présente invention est de procurer des détecteurs perfectionnés de particules atomiques et de radiations ionisantes, ayant une sensibilité maximale, en supprimant pratiquement toute absorption du rayonnement diffusé par le détecteur principal, de sorte que ces détecteurs sont particulièrement adaptés pour equiper des spectromètres anti-Compton. Les dispositifs détecteurs de particules atomiques et de rayonnements ionisants offrant actuellement le meilleur rapport S/B comportent, de façon connue, un matériau détecteur semi conducteur tel que Ge (Li), placé à l'intérieur d'une enceinte étanche qui est mise en dépression. L'objectif de l'invention est atteint grâce à un dispositif détecteur, caractérisé en ce que la partie au moins des parois de l'enceinte entourant le détecteur est composée d'un matériau détecteur de particules atomiques et de rayonnements ionisants. Un dispositif selon l'invention est du type connu comportant, d'une part, un détecteur principal placé à l'intérieur d'une enceinte étanche et, d'autre part, un détecteur auxiliaire entourant le détecteur principal. L'objectif de l'invention est atteint au moyen d'un dispositif de ce type, dans lequel le détecteur auxiliaire constitue les parois de l'enceinte qui entourent directement le détecteur principal. La face interne des parois de l'enceinte, qui sont constituées d'un matériau détecteur, est revetue d'un film métallique homogène, servant d'écran optique et électrique. Dans un mode de réalisation préférentiel, un dispositif selon l'invention est composé d'un corps creux, en un matériau détecteur de particules et de rayonnements, qui constitue un capot fermé à l'une de ses extrémités axiales, et connecté de façon étanche au videra l'autre extrémité axiale, sur une enceinte en dépression. Ce capot comporte une fenêtre latérale en un matériau peu absorbant des particules et des rayonnements, et il contient un détecteur principal placé en regard de ladite fenêtre. Le capot qui fait fonction de détecteur auxiliaire peut être composé d'un matériau scintillateur, par exemple de plastique luminescent, d'épaisseur suffisante pour assurer sa solidité, et de préférence, de grande épaisseur, de façon à absorber le mieux possible le rayonnement diffusé. En variante, on peut utiliser un capot en plastique luminescent de moindre épaisseur, par exemple de quelques millimètres, et placer celui-ci à l'intérieur d'un bloc plus épais, fait d'un matériau scintillateur, par exemple de NaI (T1) auquel il est relié par un joint optique. L'invention a pour résultat de nouveaux produits, qui constituent des détecteurs perfectionnés de particules atomiques et de radiations ionisantes, et des spectromètres équipés de ceux-ci, plus particulièrement des spectrometres anti-Compton à colncidence ou à anti-co mcidence. Du fait que le parois de l'enceinte qui contient le détecteur principal sont composées, dans la partie qui entoure ledit détecteur, par un détecteur auxiliaire, ce dernier détecte la quasi-totalité des radiations diffusées par le détecteur principal; et ceci sans aucune perte due''Zi l'absorption de ces radiations,d'une part par les parois métalliques de l'enceinte qui contient habituellement le détecteur principal et, d'autre part, par les parois de l'enveloppe du détecteur auxiliaire. Il en résulte que les détecteurs selon l'invention permettent de réaliser des spectromètres à coincidence ou à anti-coincidence à très hautes performances. L'amélioration est surtout sensible du côté de l'enceinte recevant le rayonnement secondaire diffusé à plus de 900, rayonnement qui a donc perdu une grande partie de son énergie. On obtient ainsi une amélioration intéressante de la sensibilité du détecteur dans la région du spectre correspondant aux faibles énergies. Le revêtement métallique qui est appliqué sur la face interne du capot entourant le détecteur principal et qui est appliqué par métallisation sous vide, a une épaisseur très faible, inférieure au micron et un pouvoir absorbant négligeable pour les rayons y. Malgré cette faible épaisseur, il remplit la fonction de blindage électrique aussi bien que les enceintes metalliques habituelles. D'autre part, il réfléchit la lumière créée dans le capot lorsque celui-ci est composé d'un matériau luminescent. La construction d'un capot en un matériau détecteur ne pose pas de problèmes technologiques insurmontables. On sait produire des monocristaux d'halogénures alcalins dopés au thallium de grandes dimensions ainsi que des scintillateurs en matière plastique, et on sait usiner ceux-ci pour former un capot en forme de corps creux qui est assemblé ensuite de façon étanche au vide sur l'extrémité d'une enceinte en dépression. La description suivante se réfère aux dessins annexés qui représentent des exemples de réalisation de l'invention sans aucun caractère limitatif. La figure 1 est une vue en coupe axiale d'un premier mode de réalisation d'un dispositif selon l'invention. La figure 2 est une vue de droite, en elévation, du dispositif de la figure 1. La figure 3 est une coupe axiale d'un deuxième mode de réalisation d'un dispositif selon l'invention. Les figures 1 et 2 représentent un dispositif détecteur de particules atomiques et de rayonnement y et X. Ce dispositif comporte un détecteur principal 1 qui reçoit le rayonnement incident. Par exemple, le détecteur principal 1 est constitué par un semi-conducteur du type Ge(Li), qui transforme les photons en signaux électriques et qui est connecté sur des circuits électroniques, non représentés, qui transforment et enregistrent les signaux électriques, par exemple sur un spectromètre qui délivre un spectre sur lequel apparaissent des pics correspondant à l'énergie totale des photons captés par le détecteur. il est bien précisé que cet exemple n1 est pas limitatif et que le détecteur principal 1 pourrait être constitué par tout autre dispositif détecteur connu, tel qu'un matériau scintillateur couplé à un photo-multiplicateur, une chambre d'ionisation etc.... Le détecteur 1 est placé habituellement à l'intérieur d'une enceinte 2, étanche au vide, qui est mise en dépression très poussée par rapport à l'atmosphère, afin d'éviter les interactions des particules avec l'atmosphère contenue dans l'enceinte. Dans le cas d'un détecteur à semi conducteurs, afin de réduire les bruits de fond parasites de la jonction et du préamplificateur incorporé au détecteur, le semi-conducteur est maintenu de plus à une très basse température, par un doigt 14 en un métal bon conducteur thermique dont l'extrémité libre plonge dans un liquide cryogénique. J Dans le dispositif selon l'invention représenté par les figures et 2, l'enceinte 2 comporte un capot 2a qui entoure le détecteur 1 et qui est connecté, de façon étanche au vide, sur une enceinte 2b, maintenue en dépression, dont une partie seulement est représentée sur les dessins. La jonction étanche entre le capot 2a et l'enceinte 2b est réalisée par exemple au moyen de deux brides 3a et 3b réunies entre elles par des boulons passant dans des trous 4 et au moyen d'un joint torique 5 logé dans une gorge creusée dans l'une des deux brides. Bien entendu, ces moyens pourraient être remplacés par tout autre moyen équivalent permettant de réaliser une liaison étanche. Le capot 2a a, par exemple, la forme d'un cylindre d'axe z z1, ouvert à l'une de ses extrémités, qui est connectée sur l'enceinte 2b et qui est fermé à l'autre extrémité par un fond 6. Le capot 2a est composé d'un matériau qui présente des propriétés de détection des particules atomiques et des rayonnements ionisants. De préférence, le capot 2a est usiné dans un rondin de matériau plastique scintillateur, tel que le matériau plastique NE 102, ou tout autre matériau composé d'une solution solide d'une substance fluorescente dans une résine synthétique. Le capot 2a peut également être composé de n'importe quel autre matériau scintillateur, par exemple d'un scintillateur minéral monocristallin, tel qu'un halogénure alcalin activé au thallium, par exemple du NaI (T1). Le capot 2a peut aussi être composé d'un détecteur semi-conducteur tel que du Ge (Li) etc.... Le capot 2a joue le rôle de détecteur auxiliaire destiné à capter les photons diffusés dans toutes les directions par le détecteur principal 1 par suite de l'effet Compton. Le capot 2a peut donc être composé de n'importe quel matériau solide ayant la propriété de détecter les particules atomiques et les rayonnements électromagnétiques. Le capot 2a est connecté, comme le détecteur 1, sur des circuits électroniques non représentés qui permettent d'amplifier et d'analyser les signaux électriques émis par le capot 2a. Si le capot est composé d'un matériau scintillateur, un ou plusieurs photomultiplicateurs sont placés contre la périphérie du capot pour convertir la lumière en signaux électriques. Le capot 2a comporte une fenêtre 7, obturée par une plaque 8 en beryllium très pur, ayant une épaisseur de l'ordre de 50 u, dont le pouvoir absorbant, pour des rayons y ayant une énergie supérieure à 50 KeV, est inférieur à 0,1 %. La plaque 8 est collée sur les bords de la fenêtre 7, par exemple au moyen d'araldite. Le détecteur principal se trouve en regard de cette fenêtre, qui sert d'entrée des rayonnements incidents à analyser, lesquels pénètrent dans le détecteur par un canal 9. Afin d'isoler électriquement le détecteur principal 1 au Ge (Li), la surface intérieure du capot est métallisée sous vide de sorte qu'elle est couverte d'une couche 10 d'un métal conducteur ayant une épaisseur inférieure à 1 , par exemple d'une couche d'aluminium. La couche 10 a un pouvoir absorbant négligeable pour les rayons y. Dans le cas où le capot 2a est en un matériau scintillateur, elle réfléchit la lumière qui prend naissance dans le capot sous l'effet des photons diffusés captés par celui-ci. Dans le mode de réalisation de la figure 1, le capot 2a est placé à l'intérieur d'une cavité creusée dans un bloc 11 de plastique scintillateur, dont le volume peut être très important, de sorte qu'il capte tous les photons diffusés par le détecteur 1. Le capot 2a est assemblé au bloc 11 par l'intermédiaire d'un joint optique 12, formé, par exemple, de graisses silicone ou de tout autre matériau ayant un indice de réfraction voisin de ceux du capot et du bloc 11, de sorte que le capot et le bloc 11 sont couplés optiquement, et que la lumière qui prend naissance dans l'un se propage dans l'autre. La figure 2 représente une vue de droite de la figure 1, sur laquelle on voit le capot 2a, la fenêtre latérale 7 équipée du hublot 8, l'extrémité de l'enceinte 2a, et les brides de connexion 3a et 3b. Dans le mode de réalisation des figures 1 et 2, le capot 2a délimite une cavité cylindrique allongée 13, dans laquelle est placée le détecteur 1. il convient que le capot soit vu par le détecteur principal 1 sous un angle solide voisin de 4s stéradians, de sorte que la plus grande partie des photons diffusés par le détecteur 1 soient captés par le capot 2a, et par le bloc 11 dans le cas où ils traversent le capot. La figure 3 représente, à plus grande échelle, une variante de réalisation d'un dispositif selon l'invention. Les parties homologues sont représentées par les mêmes repères. La différence par rapport au mode de réalisation des figures 1 et 2 réside dans le fait que le capot 2a enveloppe plus complètement le détecteur central 1. Le capot 2a a une première cavité 13a, qui contient le détecteur 1 et qui comporte une fenêtre latérale d'entrée des radiations équipées d'un hublot en beryllium. La surface interne de la cavité 13a est métallisée sous vide, par exemple revêtue d'une couche très mince 10 d'aluminium. Le capot 2a délimite ensuite un canal 13b, de plus petit diamètre, qui communique d'une part avec la cavité 13a et, d'autre part, avec la cavité intérieure de l'enceinte 2b. Dans ce canal passent le doigt froid 14 et le câble 15 d'alimentation et de transmission du signal, reliant le détecteur 1 au spectromètre. Dans ce cas, le capot 2a est formé de deux demi cylindres collés l'un à l'autre, pour permettre l'introduction du détecteur 1 dans l'enceinte 13a. Dans un mode de réalisation préférentiel, le capot 2a est divisé longitudinalement en plusieurs secteurs, isolés électriquement et optiquement l'un de l'autre, par exemple en deux secteurs, ce qui permet & éaliser un spectromètre à paires, ou de transformer un spectromètre anti-Compton en spectromètre à paires. Une telle réalisation possède forcément un très bon rendement. Les dispositifs objet de l'invention peuvent être utilisés dans tous les cas où l'on désire améliorer la qualité- des spectres fournis par un détecteur central, grâce à l'observation en anti-coincidence du rayonnement diffusé par le détecteur central ou du rayonnement qui stest échappé du détecteur central. Lorsque le capot 2a a une forme telle qu'il enveloppe presque entièrement le détecteur central, les radiations diffusées par celuici dans toutes les directions sont détectées presque intégralement par le capot. Les dispositifs selon l'invention permettent de réaliser des spectromètres de rayon y ou de rayons X à colncidence ou à anti-colncidence à très haute performance. Bien entendu, sans sortir du cadre de l'invention, les éléments constitutifs des dispositifs qui viennent d'être décrits à titre d'exemple pourront être remplacés par des éléments équivalents remplissant les mêmes fonctions. Notamment, le capot 2a peut présenter une forme autre que celle qui est représentée sur les figures, l'essentiel étant qu'il soit en un matériau détecteur et qu'il enveloppe presque entièrement le détecteur principal en remplaçant l'enceinte étanche qui contient habituellement celui-ci. REVENDICATIONS 1 - Détecteur de particules atomiques et de rayonnements ionisants comportant un matériau détecteur de particules et de rayonnements, placé à l'inté rieur d'une enceinte étanche, caractérisée en ce que la partie au moins des parois de ladite enceinte entourant le détecteur est composée d'un matériau détecteur de particules atomiques et de rayonnements ionisants 2 - Dispositif selon la revendication 1, comportant, d'une part un détecteur principal placé à l'intérieur d'une enceinte étanche et d'autre part, un détecteur auxiliaire entourant ledit détecteur principal, caractérisé en ce que ledit détecteur auxiliaire constitue les parois de l'enceinte qui entourent directement ledit détecteur principal. 3 - Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que la surface interne des parois de l'enceinte qui sont consti tuées d'un matériau détecteur sont revêtues d'une couche métallique très mince. 4 - Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'il comporte un corps creux, en un matériau solide détecteur de particules et de rayonnements, qui constitue un capot fermé à l'une de ses extrémités axiales, et connecté de façon étanche au vide, à l'autre extrémité axiale, sur une enceinte en dépression, lequel capot comporte une fenêtre latérale en un matériau peu absorbant des particules et des rayonnements et contient un détecteur principal placé en regard de la dite fenêtre. 5 - Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que ledit capot est constitué par un matériau scintillateur. 6 - Dispositif selon l'une quelconque des revendications 4 et 5, caractérisé en ce que ledit capot délimite une cavité dans laquelle le détecteur principal est placé de telle manière que ledit capot soit vu par ce dé tecteur sous un angle solide voisin de 4s stéradians. 7 - Dispositif selon l'une quelconque des revendications 4 et 5, caractérisé en ce que ledit capot comporte une première cavité interne, contenant ledit détecteur principal, qui est connectée sur ladite enceinte en dé pression par un canal de plus petit diamètre. 8 - Dispositif selon la revendication 3 et l'une quelconque des revendica tions 4 à 7, caractérisé en ce que la surface interne dudit capot est revêtue d'une couche de métal ayant une épaisseur de l'ordre du micron. 9 - Dispositif selon l'une quelconque des revendications 4 à 8, caractérisé en ce que ledit capot est en un matériau scintillateur, est placé à l'in térieur d'un bloc plus epais fait d'un matériau scintillateur, et est relié à celui-ci par un joint optique. 10 - Dispositif selon l'une quelconque des revendications 4 à 9, caracté risé en ce que ledit capot est divisé longitudinalement en deux parties isolées électriquement et optiquement, de sorte qu'il peut équiper un spectromètre à paires. Il - Spectromètre anti-Compton, caractérisé en ce qu'il comporte un détecteur selon l'une quelconque des revendications 1 à IQs