Brevet FR2471610A1 — publié le 19810619

L'invention concerne un module de scintillateurs pour la détec- tion en ratons X ou &gamma;. Le dispositif détecteur comprend un certain nombre d'élé- ments placés caste à côte formés chacun d'un élément scintillateur associé à un élément de détection optique, convertisseur lumière électron, qui peut etre un photo-multiplicateur, une photo-diode, etc, qui fournit le signal électrique de mesure. L'élément de détection optique reçoit la lumiere qui est émise par le scintillateur qui lui est associé, lorsque celui-ci est frappé par le rayonnement X ou &gamma; incident, après transformation de ce rayonnement en lumière au sein du scintillateur, et donne un signal servant à la mesure de ce rayonrlemellt. Suivant les applications, les rayons atteignant le scintillateur sont, soit les rayons X émis par une source extérieure et qui ont traversé le corps à observer, ou, dans le vas du rayonnement gamma; celui émis par le corps dans lequel a été injecté un tracteur radioactif, ou ceux diffusés par la matière du corps à observer, par effet Compton notamment. Dans tous les cas, il s'agit de détectée les variations spatiales du rayonnement X ou &gamma; Pour former limage de l'objet en question Dans les dispositifs détecteurs, ces éléments sont groupés en modules, ou barrettes, justaposés sur la face d'entrée du dispositif, qui comprend généralement quelques dizaines de ces modules, chaque module étant fait lui-même de quelques dizaines, de ces éléments, par exemple 98. Chaque barrette présente, dans l'état actuel de la technique, une longueur d'une vingtaine de millimètres, pour une largeur de l'ordre du millimètre et une épaisseur, perpendiculai- rement à la direction du rayonnement incident, de 2 à 4 millimètres, ces chiffres étant donnés pour fixer les idées. L'invention concerne aussi le procédé de réalisation de ces modules, ainsi que les dispositifs de détection les incorporant. Le problème de la résolution spatiale de ces dispositifs conduit à réduire de plus en plus les dimensions des détecteurs élémentaires, en diminuant les dimensions des scintillateurs et celle des éléments de détection optique qui leur sont associés, ce dernier point ne présentant pas de difficultés dans le cas où ces éléments de détection sont notamment des photo-diodes à l'état solide. En ce qui concerne les scintillateurs, les conditions suivantes sont recherchées: -le matériau du scintillateur doit être aussi transparent que possible à la lumière émise sous l'effet du rayonnement incident, de façon qutà un rayonnement diintensité donnée corresponde la quantité de lumière maximale. Chaque élément scintillateur doit, en outre, être séparé de ses voisins de manière à éviter une diffusion latérale de lumière qui nuirait à la définition de l'image; -leur épaisseur doit être suffisante pour qu'ils absorbent aussi complètement que possible les rayons incidents, et la zone de séparation entre deux scintllateurs élémentaires doit être aussi réduite que possible pour éviter les pertes dans la collection des rayons incidents. On à proposé dans l'art antérieur diverses solutions pour la réalisation de ces conditions, notamment la séparation des scintillateurs élémentaires entre eux. On citera entre autres celle consistant à tailler les scintillateurs élémentaires dans un lingot monocristallin du matériau constitutif choisi, l'iodure de Cescium par exemple, et à les assembler ensuite sur un support transparent au rayonnement incident pour former les modules. On citera aussi celle ou l'obtension de la barrette se fait par évaporation du matériau scintillateur, sur le support, préalablement muni d'obstacles à l'endroit de la séparation de deux scintillateurs élémentaires consécutifs, la présense de ces obstacles ayant pour résultat l'apparition d'interfaces entre scintillateurs et la séparation optique désirée. I1 se crée à la limite entre deux scintillateurs élémentaires successifs une zone intercristalline avec forte variation d'indice de réfraction qui favorise les réflexions successives de la lumière dans le scintillateur qui assurent cette séparation. Quelle que soit la façon dont elle est obtenue, la séparation peut être considérée comme le fait d'interstices, ou microinters- tices, suivant leurs dimensions situés à la jonction entre sdntil- lateurs élémentaires. Pour améliorer encore la séparation, ces interstice sont remplis, selon l'invention, par une résine chargée de particules ayant le pouvoir de réfléchir la lumière, dans les conditions qui seront précisées ci-dessous. Cette disposition assure un bon albédo deys couches interstitielles ainsi formées. Elle n'est pas à confondre avec certaines autres dispositions de l'art antérieur,dans lesquelles la poudre utilisée était une poudre absorbant la lumiere, qui avait pour effet, toute choses étant égales par ailleurs, de réduire la sensiblité du détecteur. Par ailleurs le matériau scintillateur se trouve protégé contre l'action de l'atmosphère extérieure par la résine, qui renforce en outre sa tenue mécanique. La protection en question est particulièrement utile dans le cas d'un matériau scintillateur à caractère hygroscopique comme l'iodure de césium cité, généralement activé au sodium ICs (Na), ou sucesptible. de réaction chimiques ou physicochimiques avec les constituants de l'atmosphère ; dans ce cas, en l'absence de protection, la sensibilité du scintillateur évolue dans le temps, ce qui est déjà une gène pour le fonctionnement normal, et peut même décrottre jusqu'à des valeurs prohibitîvement basses. L'invention sera mieux comprise en se reportant à la description qui suit et aux figures jointes qui représentent; Figures 1 et 2: des vues d'un module de scintillateurs auxquels s'applique l'invention. Figure 3: une vue partielle d'un module de scintillateurs selon l'invention; Figure 4 : une vue d'un exemple de disposition des modules de l'invention dans un détecteur complet; Figure 5 : une vue montrant le montage du détecteur précédent dans l'une des installations d'utilisation. Un exemple de module scintillateur, tel que pratiqué dans l'art antérieur, est figuré en perspective sur la figure 1 et en coupe partielle sur la figure 2. On y voit en 1, un support transparent aux rayonx incidents X ou V muni des rainures 2, qui constituent, dans l'exemple, les obstacles dont il a été question ; les scintillateurs élémentaires 4 sont séparées les uns des autres par des microfissures S,situées au droit de ces rainures, et qui débouchent du côté de la face libre dans de petits cratères 3, comme le montrent les dessins. L'ensemble est obtenu par évaporation du matériau scintillateur sur le support. Sur ces figures L, 1 et e représentent les dimensions dont il a été question et p désigne le pas du module, c'est à dire la distance, sensiblement égale à 1, séparant les plans médians de deux scintillateurs élémentaires successifs. Afin d'améliorer la séparation optique des scintillateurs élémentaires, dans ces modules de l'invention, comme on--l'a dit, on coule une résine chargée d'une poudre réfléchissant la lumière dans les microfissures, ou interstices, entre ceux-ci le résultat de cette opération est un remplissage des interstices et des cratères 5 et 3, par l'ensemble résine, poudre, comme représenté sur la figure 3 où,vu les dimensions, ce remplissage n'apparaît que dans les cratères, avec le repère 30: surface, couverte de points sur la figure. La représentation de la figure montre le fragment de module après une autre opération, ultérieure au remplissage, au cours de laquelle la surface libre des scintillateurs, celle qui reçoit les éléments de détection optique assurant la transformation de la lumière du scintillateur en un signal électrique, a été néttoyée de la mixture. Dans l'exemple - de la figure, les obstacles portant le repère 20 consistent en des parties en relief du support 1. Ci-dessous est précisé le procédé de préparation des modules de scintillateurs de l'invention. Pour fixer les idées, le procédé est décrit dans le cas de modules à micro-interstices comme sur les figures 1, 2 et 3; le procédé s'applique aussi bien, dans les limites de l'invention, au cas d'interstices plus larges de modules scintillateurs obtenus par vautres méthodes. Selon l'invention, le module scintillateur est enrobé sous vide par une résine très fluide, polymérisable, transparente à la lumière du scintillateur, cette résine est chargé d'une poudre faite de particules de très petit diamètre transparentes à cette lumière Dans le cas où le matériau scintillateur est de l'iodure de césium activé au sodium, cette résine est par exemple celle commercialisée sous la marque Araldite Au103 mélangée au catalyseur HY930 2 le catalyseur a pour rôle de favoriser la polymérisation de la résine. D'autres résines sont utilisables à cette fin, des polyuréthanes, notamment.Les particules réfléchissantes sont des grains de quelques micromètres de diamètre moyen, moins de 10 micromètres préférentiellement, de magnésie MgO ; l'oxyde de titane convient aussi, entre autres. On mélange, puis on agite la résine transparente, le catalyseur et la poudre dans un récipient, puis on place dans la même enceinte, sous vide primaire entretenu, la mixture liquide ainsi obtenue et le module scintillateur, dans lequel les éléments scintillateurs sont séparés par des interstices. Après un temps de dégazage du scintillateur et de la mixture suffisant pour faire disparaître toutes les bulles, les gaz dissous ou les gaz adhérant aux parois, en particulier dans les fissures du module, on trempe le module dans la mixture liquide. La fluidité de celle-ci lui permet de pénétrer dans les fissures et de les obturer, lorsquvon fait la remise à l'air sur le liquide dans lequel est encore immergé le scintillateur. On en ressort le scintillateur et on laisse polymériser à l'air on obtient un film solide, étanche qui protège le module scintillateur en surface, tout en lui conservant une sensibilité élevée. On usine ensuite le module scintillateur sur sa face par laquelle il sera accolé aux détecteurs de lumière, de manière à dégager cette face de la pellicule de résine chargée qui la recouvre et ne pas entraver la transmission de lumière. La figure 3 représente le module à ce stade de la préparation. Le film enrobant tout le reste du module permet d'autres usinages sans risques de casse. On réitère éventuellement l'opération d'enrobage sous vide du module par une résine, qui peut être la même que la précédente, mais cette fois exempte de toute charge, afin d'être transparente. Ce dernier enrobage peut aussi avoir lieu en atmosphère normale. Après avoir retiré le module scintillateur de la résine, et avant polymérisation de celle-ci, on assemble alors les scintillateurs et les détecteurs ; on laisse ensuite-polymériser ; après polymérisation la mince couche de résine transparente présente entre scintillateurs et détecteurs assure l'assemblage mécanique et le couplage optique entre eux. L'invention s'applique aussi au cas où les scintillateurs ne sont pas directement couplés aux éléments optiques comme dans ce qui précède, mais en sont séparés par un guide de lumière. Les modules, ou barrettes, ainsi obtenus ont associés suivant des disposition diverses dans le détecteur en rayons X ou . On sait qu'une application important de ces détecteurs concerne le domaine médical, où ils sont utilisés notamment pour la tomographie en rayons X. Plusieurs de ces barrettes sont, dans ce cas, alignées sur un support comme le montre la figure 4, où chacun de ces module, (au nombre de 18 dans l'exemple) est schématisé globalement par un rectangle 40, vertical sur la figure, contenant non seulement les scintillateurs élémentaires 4 mais également les détecteurs optiques et leurs connexions ; l'ensemble est posé sur un support 41, lequel repose sur un autre support 42. L'appareil se présente comme le montre schématiquement la figure S, où 100 désigne le bloc de modules scintillateurs et 200 la source de rayons X irradiant l'objet à observer. L'ensemble générateur de rayons X et le bloc scintillateur équipé de ses éléments optiques, tournent ensemble autour de l'axe d'un cylindre 300 dans lequel est contenu le corps, un organe humain Au cours de la rotation, le bloc scintillateur donne plusieurs vues du corps observé, correspondant aux différentes positions angulaires relatives de la source et du bloc par rapport à ce corps. Les signaux de ces vues traitées par ordinateur donnent la vue finale de la tranche. L'opération est répétée de tranche en tranche. La vue de la figure est une section de l'appareil par le plan perpendiculaire à l'axe de rotation passant par le milieu d'une tranche. Elle montre deux positions I et Il de l'ensemble générateur de rayons X, bloc scintillateur par rapport au corps. Dans cette vue, les scintillateurs élémentaires sont vus par leur petit coté et dans toute leur épaisseur (largeur 1 et épaisseur e respectivement sur la vue de la figure 2). L'invention couvre de façon générale, outre celui donné à titre d'exemple ci-dessus, tous les dispositifs de détection utilisant les modules scintillateurs décrits associés à leurs éléments optiques, et ce, quelle que soit la nature de ces éléments optiques et du matériau scintillateur, que l'on a supposé être, dans ce qui précéde, l'iodure de césium, mais qui pourrait aussi bien, être9 dans le cadre de rin- vention, le tungstate de calcium, Ca WO4, un composé à base de terres rares, etc. REVENDICATIONS 1. Module de scintillateurs pour la détection de rayons X ou par conversion de lumière en signaux électriques à l'aide d'éléments optiques associés aux scintillateurs et recevant la lumière engendrée dans ceux-ci par les rayons X ou j s module constitué de scintil- lateurs élémentaires, séparés par des interstices, disposés sur un support transparent exposé aux rayons incidents, lesquels interstices constituent des discontinuités optiques à l'interface entre deux scintillateurs élémentaires successifs, caractérisé en ce que ces interstices sont bouchés par une résine polymérisable transparente à la lumière du scintillateur et- chargée d'une poudre réfléchissant cette lumière. 2. Module de scintillateurs suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le matériau des scintillateurs est l'iodure de césium, et la poudre faite de magnésie, avec une granulométrie inférieure à dix micromètres. 3. Module de scintillateurs suivant la revendication 1, caractérisé en ce qu'il est complètement enrobé d'une résine polymérisable transparente à la lumière du scintillateur. 4. Procédé de fabrication du module de scintillateurs selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte, postérieurement à la réalisation des scintillateurs élémentaires sur le support, les opérations suivantes: a) préparation d'une mixture fluide de résine polymérisable et de son durcisseur et de grains d'une poudre réfléchissant la lumière des scintillateurs; b) mise sous vide primaire entretenu dans une même enceinte du module de scintillateurs et de la mixture, jusqu'à disparition de toute bulle de gaz apparente dans la mixture ou dans le module c) immersion du module dans la mixture, à l'intérieur de l'enceinte; d) remise à l'air; e) polymérisation de la résine; f) usinage du module sur toute sa surface destinée à recevoir les éléments optiques. 5. Procédé de fabrication du module de scintillateurs, suivant la revendication 3, caractérisé en ce qu'il comporte en outre, après l'opération f) les opérations; g) enrobage du module par une résine polymérisable, trams parente à la lumière du scintillateur, mélangée à son durcisseur, par trempage du module dans la résine; h) polymérisation de cette résine après mise en place des éléments optiques sur le module. 6. Dispositif détecteur de rayons X ou &gamma; , utilisant des scintillateurs associés à des éléments optiques convertissant la lumière des scintillateurs en signaux électriques, caractérisé en ce que ces scintillateurs sont ceux d'un module suivant l'une des revendications 1, 2 ou 3.