Brevet FR2481466A1 — publié le 19811030

CAMERA A SCINTILLATIONS AVEC LOCALISATEUR MUNIE D'UN INTENSIFICATEUR DE SCINTILLATIONS. La présente invention concerne une caméra à scintillations avec localisateur munie d'un intensificateur de scintillations consti- tué d'une mosaïque de modules intensificateurs. L'utilité de la présence d'une intensification de scintilla- tions dans les caméras pour détection de rayonnements X ou Y réside dans le fait qu'elle permet d'améliorer leurs performances notamment celle de résolution géométrique. Des caméras avec localisateur de scintillations réalisé à l'aide d'un réseau de photo détecteurs, et munies d'un intensificateur d'image sont décrites par exemple dans l'article de A. Lansiart et al dans la revue Proceedings of Symposium on Medical Radioisotope Scintigraphy, IAEA Vienne 1%9 Vol. 1 pages 87 à 98. Dans ces caméras, le cristal scintillateur est directement couplé sur la face d'entrée d'un amplificateur de lumière réducteur d'image. La tache produite à chaque scintillation sur l'écran du tube amplificateur est vue par un ensemble de quatre photomultiplicateurs qui permettent de retrouver le barycentre de la scintillation et ses coordonnées par rapport à un système d'axes du plan du scintillateur. Ces caméras présentent un certain nombre d'inconvénients. L'un de ceux-ci a trait à la réalisation du couplage optique entre tube intensificateur et scintillateur extérieur. La fenêtre d'entrée du tube intensificateur, compte tenu de son diamètre, est généralement convexe et épaisse si bien que le cristal scintillateur plaqué contre 248 1466 cette fenêtre doit -présenter lui-même une face convexe et que les points de scintillations sont éloignés de la photocathode. Par ail- leurs, la photocathode de même que l'écran du tube irntensificateur doivent présenter une grande uniformité de propriétés photoélectriques sur leur surface de manière que l'intensification de lumière soit el- le- même uniforme en surface et ne vienne pas fausser les indications du localisateur tant en ce qui concerne la position du barycentre que la valeur de l'énergie mesurée. Or, cette uniformité est difficile à réaliser pour de grandes surfaces égales à celles du cristal scin- tillateur. Une autre raison qui vient fausser ces indications con- cerne la réduction d'image sur l'écran de la répartition des photoélec- trons correspondant-à chaque scintillation. Cette réduction entraîne en effet des distorsions géométriques de cette image et nécessite éga- lement une très grande précision de localisation des Sirtillations. Le localisateur associé doit donc être capable de fournir cette préci- sion et d'effectuer des corrections des défauts de linéarité. Il doit donc comporter en première analyse un nombre élevé de photodétecteurs ce qui n'est pas possible du fait de ladite réduction de champ de cette localisation. Le brevet anglais NO 2.016.206 décrit une caméra à scin- tillations dans laquelle le scintillateur est en forme de lame à faces parallèles et est associé à un intensificateur d'image possédant une fenêtre d'entrée métallique courbefou plane mais incluant un collima- teur; et fonctionnant sans réduction d'image. Ce tube présente une bonne partie des inconvénients précédemment cités relatifs à l'unifor- mité de photocathode et d'écran de grandes dimensions et d'autres in- convénients liés à la forme de la fenêtre d'entrée tels que perte de résolution spatiale dans le cas de la fenêtre courbe et non interchan- geabilité du collimateur en fonction des performances souhaitées. Par ailleurs, les dimensionsd'un tel tube sont nécessairement limitées pour des raisons technologiques, ce qui entraîne une limitation des dimen- sions du champ utile des caméras. La solution à ce problème de limitation de champ, indiquée dans ce brevet, qui consiste à juxtaposer plusieurs caméras de même principe 2 48 1466 que décrit ci-dessus présente l'inconvénient majeur d'avoir des zones aveugles importantes dans'-le champ utile; par ailleurs, cette solution est de réalisation complexe et onéreuse. L'invention concerne une caméra à scintillations qui comporte les mêmes principaux éléments constitutifs que les caméras précédemment citées, à savoir dans l'ordre dans le sens de propagation du rayonnement créant les scintillations, un cristal scintillateur dans son enveloppe de protection- avec fenêtre transparente à la lumière émise par les scintil- lations, un intensificateur de lumière, un guide optique disperseur de lumière, un localisateur de scintillations formé d'un réseau de photo- détecteurs dont les faces d'entrée sont en regard du guide optique et des circuits reliés auxdits photodétecteurs de façon à produire des signaux électriques de coordonnées représentant les-coordonnées spatiales des points d'interaction entre Ces rayons X ou gamma et ledit cristal scin- tillateur ainsi qu'un dispositif d'affichage servant à représenter les- dits signaux électriques sous la forme de points lumineux répartis dans un plan. Mais la conception desdits éléments-constitutifs est telle- qu'elle tend à remédier aux inconvénients et difficultés précédemment cités. Selon l'invention, en présence de l'intensificateur, le cristal scintillateur conserve une forme de lame à faces parallèles et planes dont le diamètre n'est pas limité par le système de détection. L'inten- sificateur est conçu de telle sorte que l'intensification soit quasi uni- forme sur toute la surface du cristal scintillateur et ne comporte pas ou peu de réduction d'image sur son écran..De ce faits l'image photoélec- trique de chaque scintillation apparaît avec de moindres distorsions géo- métriques et le localisateur peut comporter un grand nombre de photodétec- teurs, comme dans la caméra Anger. De plus, l'intensificateur peut pren- dre toutes dimensions en surface en rapport avec celles choisies pour le scintillateur. Pour ce faire, la caractéristique de l'invention réside en ce que l'intensificateur de scintillations est constitué d'une mosal- que de modules identiques indépendants, chacun, présentant une face d'en- trée et une face de sortie parallèles, ces modules étant juxtaposés et formant une lame à faces parallèles dont la face d'entrée munie des pho- tocathodes est couplée optiquement à la face de sortie du cristal scin- tillateur par l'intermédiaire de sa fenêtre transparente de protection et dont la face de sortie munie des écrans est couplée optiquement au 248 1466 - 4- localisateur d'évènements. Ces modules sont constitués chacun d'un tube choisi parmi ceux qui présentent d'une part une sensibilité spectrale de photocathode en bonne correspondance avec le spectre- d'émission du scintillateur et d'autre part un écran de grande rapi- dité et ayant une émission spectrale en bonne correspondance avec la sensibilité des photodétecteurs. Les surfaces de détection de ces tubes diodes ont des formes géométriques diverses mais, de préférence à une forme circulaire, elles sont choisies polygonales, hexagonales ou carrées par exemple, de manière à ce qu'ils puissent être jointifs et former une surface de détection quasi continue. Selon une première variante, chaque module intensificateur est un tube diode à focalisation de proximité comportant une photoca- thode et un écran anode, le localisateur, compte tenu du gain relative- ment faible de l'intensificateur, étant réalisé de préférence à partir de photomultiplicateurs à dynodes. Selon une seconde variante, chaque module est constitué de deux tubes à inversion d'image de grandissemant-l placés l'un au- dessus de l'autre, l'écran du premier ayant une courbe de sensibilité spectrale relative semblable à celle de la photocathode du second. Se- lon cette variante, le gain d'intensification étant plus élevé que se- lon la première variante, le localisateur peut être réalisé à l'aide de photodétecteurs à semi-conducteur de gain plus faible que les pho- tomultiplicateurs à dynodes. Selon une troisième variante., les modules intensificateurs sont du type à galette de microcanaux à émission secondaire électroni- que et focalisation de proximité. Comme selon la seconde variante le gain d'intensification est assez grand pour que le localisateur soit réalisé avec des photodétecteurs à semi-conducteur plutôt qu'avec des photomultiplicateurs à dynodes. L'invention sera mieux comprise à l'aide de la description suivante de ces variantes, ladite description étant accompagnée de dessins qui représentent: Figure 1: une vue de la caméra selon l'invention du côté localisateur. Figure 2: une coupe selon l'axe AB par un plan perpendicu- laire à la figure 1 d'une première variante de l'invention. 2 48 1466 Figure 3: une coupe par le même plan d'une seconde variante de l'invention. Figure 4: une coupe par le même plan d'une troisième variante de l'invention. La figure 1 représente une caméra selon l'invention, vue de face du côté localisateur. Sur cette figure, relative à titre d'exemple à une caméra de forme circulaire, le cercle en pointillés 10 et le cercle Il représentent les contours respectivement du scintillateur et du guide de lumière vus du côté localisateur. Les photodétecteurs cons- tituant ce dernier forment un réseau 12 et sont placés face au cristal sur le guide de lumière. Les photodétecteurs sont disposés, par exem- ple, selon une configuration hexagonale autour d'un photodétecteur central. Chaque cercle en trait plein représente la face d'entrée d'un de ces photodétecteurs. Celui désigné par 13a correspond au photodétec- teur central; 13b, 13c, 13d, désignent les photo détecteurs alignés suivant le diamètre AB avec 13a et appartenant chacun à l'un des hexa- gones. Pour simplifier,deux photodétecteurs symétriques par rapport à 13a et disposés sur le diamètre AB portent le même numéro. La figure 2 représente la coupe transversale de l'entrée sui- vant le diamètre AB de la figure 1 d'une première variante de la caméra. Le scintillateur porte le numéro 19,unefenêtre de protection du scintil- lateur en verre pyrex, par exemple, le numéro 20 et le guide optique le numéro 22. Le guide optique est placé au-dessous du cristal scintil- lateur mais, entre le cristal muni de sa fenêtre de protection et le guide se trouve placé un intensificateur de lumière 21 à faces parallèles recouvrant toute la surface du scintillateur 19 et constitué d'éléments juxtaposés dont certains, vus en coupe le long du diamètre AB, sont respectivement 21a, 21b 21c' 21dy 21e. Selon cette variante, chacun de ces modules est du type photodiode à focalisation de proximi- té et est constitué d'une photocathode faisant face au cristal scintil- lateur et d'un écran. Pour l'élément 21 par exemple, ces photocathode et écran sont respectivement 17 et 18. De façon préférentielle, les sur- faces de photocathode et d'écran de ces modules sont polygonales régu- lières, par exemple, hexagonales ou carrées, de manière à ce que ces modules soient jointifs. Le champ utile de la caméra est limité par le diaphragme 16 disposé face au cristal scintillateur 19. Sur cette fi- gure, on retrouve, disposé sur la face 23 du guide de lumière 22, l'en- semble des Phot0détecteurs 13a, 13b, 13c, 13d constituant le localisa- 248 1466 - 6 - teur de scintillations. Selon cette bariante, du fait de la faiblesse relative du gain des photodiodes constituant l'intensificateur de lu- mière, ces photodétecteurs sont des photomultiplicateurs à dvnodes de gain élevé. Les modules intensificateurs présentent dans cette variante comme d'ailleurs dans toutes les autres, une sensibilitéspectrale en correspondance avec le spectre d'émission du scintillateur. D'autre part, le spectre de sensibilité des photodétecteurs est en correspondarnce avec le spectre de la lumière émise en sortie de l'intensificateur. Selon un exemple précis, le scintillateur est un cristal en iodure de sodium (I Na) dopé au Thallium émettant dans le bleu (longueur d'onde centrée sur 4 100); la photocathode de l'intensificateur est du type bialcaline; son écran est un luminophore de type P16 émettant dans le bleu. Les cathodes des photomultiplicateurs du localisateur étant du ty- pe bialcaline. La flèche ondulée 15 représente l'arrivée dans le scintillateur d'un photon Y ce qui provoque au point P une scintilla- tion qui rayonne par exemple suivant des rayons tels que les rayons 14a. 14b, 14c 14d. Les photons transportés par ces rayons sont inten- sifiés dans les modules intensificateurs 21a à 21e d'o résulte en sortie de ces modules pour la scintillation correspondante n. points brillants tels que 9a, 9b, 9c, 9d qui rayonnent à leur tour vers les photodétecteurs 13a à 13d du localisateur, lequel détermine des coordon- nées du point de scintillation P à partir de celles desdits n points brillants, la résolution spatiale étant alors améliorée dans un rapport de - comme l'indique la théorie (voir l'article déjà cité de Lansiart n et al). De manière préférentielle, dans cette variante comme d'ail- leurs aussi dans les autres variantes, pour qu'une partie du rayonne- ment de scintillation ne puisse pas être perdue entre deux modules in- tensificateurs et ne pas subir d'intensification, ce qui risquerait de faire apparaître dans l'image le caractère modulaire de l'intensifica- teur, sur la fenêtre 20, au droit des interstices entre modules existe une surface réfléchissante du côté du cristal scintillateur 19. Sous 8 est représentée une portion de cette surface entre les modules 21b et 21c. Tout rayon provenant d'une scintillation, dirigé vers cette surface réfléchissante est renvoyé en direction du cristal et rediffusé par la suite vers un module intensificateur, ce qui améliore le rendement de conversion du rayonnementy ou X en lumière utile. 2 48 1 46 6 -7- La figure 3 représente la coupe suivant le diamètre AB de la figure 1 de l'entrée d'une seconde variante de la caméra. Onretrouve sur cette figure, avec les mêmes numéros, les mêmes éléments que sur la figure 2. L'intensificateur de lumière 21 comporte le long du dia- mètre AB les modules 21a, 21b, 21c, 21d, 21e. Chacun de ces modules comporte deux étages superposés sous la forme de deux tubes intensifi- cateurs de lumière à inversion d'image (grandissement négatif) montés en cascade. Pour le module 21c, par exemple, ces tubes sont respecti- vement 24 et 25. Les photocathode et écran du tube 24 sont respective- ment 26 et 27 et ceux du tube 25 respectivement 28 et 29. Dans ces tubes photocathode et écran ont des géométries et surfaces sensiblement égales donc sont de grandissement voisin de -1. Du fait de la double inversion au sein de chaque module, le grandissement résultant de l'in- tensificateur est voisin de 1 et apparaît, sur l'ensemble des écrans de sorties, tel que 29, une vue directe de la scintillation au sortir du cristal scintillateur. il va de soi que les deux étages de chaque module intensificateur peuvent avoir des grandissements différents de -1 et inverses l'un de l'autre et également que les deux étages peuvent être inclus dans un même tube. Par ailleurs, les sensibilités spectrales de photocathode et écran sont semblables pour les éléments couplés entre eux tels que 27 et 28 de telle sorte que les rendements de conversion soient maxima. Compte tenu du gain important de l'intensificateur de lu- mière, le localisateur peut être réalisé à l'aide de photodétecteurs présentant un gain relativement peu élevé. Ces photodétecteurs sont par exemple des photodiodes constituées de plaquettes semi-conductrices. Ces plaquettes déposées sur le guide de lumière 22 apparaissent en coupe selon le diamètre AB sous les numéros 13a, 13b, 13c, 13d. Sur cette figure 3, est indiquée comme sur la figure 2 la détection du point de scintillations P. La figure 4 représente en coupe suivant le diamètre AB une troi- sième variante de la caméra. Les éléments constitutifs portent les mêmes numéros que sur les figures 2 et 3. Les modules constitutifs de l'intensificateur sont du type à galette de microcanaux à émission se- condaire électronique. Sur la figure 4, la galette relative au module 21b est représentée sous le numéro 32 tandis que la photocathode et l'écran sont représentés sous les numéros respectivement 30 et 31. - 8 - Compte tenu également du gain important de ces modules, le localisateur peut être réalisé à l'aide de photodiodes constituées de plaquettes de matériau semiconducteur. Ces plaquettes en coupe selon le diamètre AB portent les numéros l3a, 13b, 13c, 13d. Sur cette figure est indi- quée comme sur les figures 2 et 3, la détection du point de scintillation P. 2 481466 -9- REVENDICATIONS 1. Caméra à scintillations pour détection de photons X ouY du genre comprenant dans l'ordre un cristal scintillateur, de préférence une fenêtre de protection dudit cristal transparente au rayonnement de scintillation, un intensificateur de lumière, un guide optique disperseur de lumière un localisateur de scintillations formé d'un réseau de photodétecteurs dont les faces d'entrée sont en regard du guide op- tique et des circuits reliés auxdits photodétecteurs de façon à pro- duire des signaux électriques de coordonnées représentant les coor- données spatiales des points d'interaction entre les rayons X ou gamma et ledit cristal scintillateur ainsi qu'un dispositif d'affichage ser- vant à représenter lesdits signaux électriques sous la forme de points lumineux répartis dans un plan. Cristal scintillateur, fenêtre de pro- tection, intensificateur de lumière, guide optique ayant chacun la forme d'une lame à faces parallèles et étant plaqués dans ledit ordre l'un contre l'autre, caractérisé en ce que ledit intensificateur de lumière est constitué d'une mosaïque de modules identiques de grandissement voisin de 1, indépendants juxtaposés et jointifs, s'étendant entre les deux faces dudit intensificateur et comportant chacun du côté scin- tillateur une photocathode et du côté guide optique, un écran. 2. Caméra à scintillations elon la revendication 1, caractérisé en ce que chaque module dudit intensificateur est un tube diode à fo- calisation de proximité et en ce que le localisateur est formé de pré- férence d'un réseau de photomultiplicateurs à dynodes. 3. Caméra à scintillations selon la revendication 1, caractérisé en ce que chaque module dudit intensificateur comporte deux étages su- perposés, chacun étant constitué d'un tube intensificateur d'image de grandissement négatif, l'écran du premier étage coincidant avec la photocathode du second et en ce que le localisateur est constitué de préférence d'un réseau de photodiodes sous la forme chacune d'une pla- quette de matériau semiconducteur. 4. Caméra à scintillations selon la revendication 3, caractérisé en ce que le grandissement de chacun desdits étages est égal à 1. 5. Caméra à scintillations selon la revendication 3, caractérisé - 10 - en ce que les grandissements desdits étages sont inverses l'un de l'autre. 6. Caméra à sinctillations sein la revendication 1, carac- térisé en ce que chaque module dudit intensificateur comporte une pho- tocathode, une galette de microcanaux à émission secondaire électronique et un écran et en ce que le localisateur est constitué, de préférence d'un réseau de photodiodes sous la forme chacune d'une plaquette de matériau semiconducteur. 7. Caméra à scintillations selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisée en ce que les modules de l'intensificateur ont un con- tour extérieur polygonal. 8. Caméra à scintillations selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisée en ce que au droit de l'interstice entre parties actives des modules intensificateurs, la fenêtre de protection est recouverte d'une surface réfléchissante en direction du cristal scin- tillateur.