Brevet FR2508179A1 — publié le 19821224

La présente invention concerne un matériau pour scintillateurs Elle s'applique notamment à la réalisation de détecteurs très rapides de photons de grande énergie, c'est-à-dire de photons X ou y, et à la réalisation de tomnographes. On sait que l'un des moyens les plus précis connus dans l'état de la technique pour détecter l'instant de passage d'n photon est d'utiliser un scintillateur plastiuae assoeié à un phmtomultipli- cateur rapide Il exeté de nombreux s T Itillateuirs plastiques commercia Lement disponibles par exemple sous les nos de PILOT Ir ou NE, 111 Tous ce scintil- lateurs plastiques ont la propriété d'émettre, lors de leur désexcitation suivant une interactiin avec un photon y, une impulsion lumineuse de constante de, temps de l'ordre de 1,5 ns et dont l'intensit _,c'est- à-dire le nombre total de photons de ladite impulsion, est proportionnelle à l'énergie du photon y incident. Un rendement lumineux de l'ordre de 3000 à 40 00 pho- tons/Me V est courant avec de tels scintillateurs. Pour évaluer les performances temporelles ou performances de mesures temporelles des scintilla- teurs plastiques, c'est-à-dire leurs performances de mesure de temps de vol, et pour comparer ces scintil- lateurs à d'autres sacintillateurs, on peut utiliser un dispositif schématiquement représenté sur la figu- re 1. Ce dispositif comprend deux détecteurs D et D 2 en regard l'un de l'autre, comportant respective- ment des scintillateurs plastiques minces 2 a et 2 b as- sociés à des photomultiplicateurs rapides 3 a et 3 b. Ces derniers sont électriquement reliés respective- ment à des moyens d'alimentation en haute tension 4 a et 4 b et sont également tous deux électriquement re- 2508 a 179 liés à des moyens électroniques 5 d'amplification, de sélection et de comptage, réalisables par l'homme de l'art, et permettant en outre de mesurer l'écart tem- porel entre l'instant de détection d'un photon y par le premier détecteur D 1 et l'instant de détection d'un autre photon y par le second détecteur D 2, ces deux photons y, chacun d'énergie 511 ke V, résultant de l'annihilation d'un électron et d'un positon et étant émis s;imultanément et dans des directions opposées, à 1 o partir d'un point 6 d'un objet 1 auquel une substance émettrice de positons a été incorporée. Les résultats obtenus pour lesdits écarts temporels fluctuent et présentent une distribution gaussienne caractéristique du type de scintillateur employé, pour une chaîne de mesure (photomultiplica- teurs 3 a, 3 b et moyens électroniques 5) donnée Cette distribution est elle-même caractérisée par sa largeur totale à mi-hauteur communément désignée par le sigle LTMH (ou FWHM dans les publications en langue anglai- se). Dans le cas de scintillateurs plastiques de mm de diamètre et de 2 mm d'épaisseur, la LTMH est de l'ordre de 150 ps, avec un seuil en énergie tel que seuls les événements résultant d'effets photoélectri- ques soient sélectionnés et de l'ordre de 200 ps en prenant 90 % des événements détectés, avec un seuil en énergie supérieur ou égal à 100 ke V. Le principal inconvénient d'un scintilla- teur plastique est que la matière plastique dont il est constitué est, d'une part, formée d'éléments dont les numéros atomiques sont faibles et a, d'autre part, une masse volumique également faible (de l'ordre de 1,1 à 1,2 g/cm 3) du fait de sa composition en atomes légers Il en résulte que le principal effet qui gou- verne les interactions des photons y avec ladite ma- tière plastique est l'effet Compton Il n'existe alors pas de relation simple entre l'énergie d'un photon y incident et l'énergie que ce dernier cède au scintil- lateur plastique; toute spectrométrie du rayonnement -5 Y est alors impossible On est alors contraint soit de perdre un très grand nombre d'interactions en ne pre- nant en compte que les rares photons y interagissant par effet photoélectrique, soit d'analyser tous les photons ayant interagi sans pouvoir les sélectionner en fonction de leur énergie. On sait également qu'un autre moyen parmi les plus précis connus dans l'état de la technique pour détecter l'instant de passage d'un photon, moyen notamment indiqué dans la demande de brevet français né 79 02053, est d'utiliser un scintillateur consti- tué de fluorure de césium Cs F, matériau qui, d'une part, comporte des atomes de césium, élément de numéro atomique élevé ( 55), et qui, d'autre part, a une masse volumique importante (de l'ordre de 4,6 g/cm 3) mais qui est sur deux points inférieur à la matière plasti- que: sa constante de temps de fluorescence est de l'ordre de 2,5 à 3 ns (au lieu de 1,5 ns environ pour le plastique) et son rendement de scintillation est de l'ordre de 1500 à 2000 photons/Me V (au lieu de 3000 à 4000 photons/Me V pour le plastique) En revanche, le fluorure de césium permet de réaliser une spectromé- trie en énergie intéressante puisque sa résolution est de l'ordre de 30 % avec des photons Y de 511 ke V Par ailleurs, en remplaçant les scintillateurs plastiques 2 a et 2 b du dispositif de la figure 1 par des scintil- lateurs en fluorure de césium de même géométrie, on obtient une LTMH -de l'ordre de 220 à 300 ps selon la qualité du fluorure de césium employé. Les performances temporelles d'un scintil- lateur plastique sont donc meilleures que celles d'un 2508179- scintillateur en fluorure de césium Cependant, si l'on tient compte du fait que le pouvoir d'arrêt du fluorure de césium est bien supérieur à celui du plas- tique, on peut affirmer que dans l'état de la techni- que, à efficacité de détection égale, le fluorure de césium donne de meilleurs résultats temporels que le plastique. Néanmoins, le fluorure de césium, notamment par comparaison avec le plastique, présente un incon- vénient: c'est un matériau très difficile à obtenir du fait de son hygroscopie très importante qui est bien supérieure à celle de l'iodure de sodium dopé au thallium Na I(Tl) par exemple Ceci conduit à encapsu- ler de façon très étanche ce matériau de façon à pou- voir l'employer pour fabriquer des scintillateurs Ces scintillateurs au fluorure de césium sont donc coûteux et peu commodes à utiliser. La présente invention a pour but de remédier à ces inconvénients. Elle a pour objet un matériau pour scintil- lateurs, caractérisé en ce qu'il est constitué de fluorure de baryum. Selon une caractéristique particulière de l'invention, ledit fluorure de baryum étant sujet, sous excitation, à une émission de lumière présentant une composante lente et une composante rapide, ce fluorure de baryum est purifié de façon à réduire les défauts de son réseau cristallin, pour diminuer au maximum ladite composante lente au profit de ladite composante rapide. L'invention s'applique par exemple à la réa- lisation de détecteurs très rapides de photons de grande énergie (X ou y), notamment ceux qui sont pré- vus pour effectuer des mesures de temps de vol Elle s'applique également à la réalisation de tomographes, notamment à positons, et en particulier à la réalisa- tion de tomographes à positons et à temps de vol. La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit, en référence -aux dessins annexés sur lesquels: la figure 1 est une représentation schéma- tique d'un dispositif permettant d'évaluer les perfor- mances temporelles de scintillateurs et a déjà été dé- crite, et la figure 2 est un graphique montrant les variations du gain (exprimé par un rapport de nombres d'événements mesurés) qu'apporte un tomographe à posi- tons et à temps de vol, tel que celui qui est décrit dans la demande de brevet français N O 79 02053, par rapport à un tomographe à positons classique, en fonc- tion de la LTMH de la réponse de la chaîne de mesure de ces tomographes à une source ponctuelle de positons, pour différents diamètres de fantômes renfermant une distribution uniforme de substance émettrice de posi- tons. Un scintillateur en fluorure de baryum Ba F 2 a des performances temporelles très proches de celles d'un scintillateur plastique et des avantages encore supérieurs à ceux d'un scintillateur en fluorure de césium, tout en conservant la simplicité d'emploi et le faible coût des scintillateurs plastiques En ef- fet, le numéro atomique du baryum ( 56) est légèrement supérieur à celui du césium ( 55) et il en est de même en ce qui concerne la masse volumique du fluorure de baryum ( 4,88 g/cm 3) vis-à-vis de celle du fluorure de césium ( 4,61 g/cm 3) Le pouvoir d'arrêt du fluorure de baryum vis-à-vis des photons X ou y est donc supérieur à celui du fluorure de césium Par ailleurs, le fluo- rure de baryum est pratiquement insensible à l'eau ainsi qu'à de nombreux solvants organiques comme l'éthanol, l'éther éthylique, l'acétone, le méthanol et il peut s'usiner facilement, bien mieux que le ver- re dont il n'a pas la dureté, sans être très fragile. Enfin, en ce qui concerne les performances temporelles du fluorure de baryum, en utilisant le dispositif de la figure 1 dans lequel les scintillateurs plastiques 2 a et 2 b sont remplacés par des scintillateurs en fluorure de baryum de même géométrie, on obtient des réponses dont les LTMH sont d'environ 200 ps. Ces valeurs s'expliquent par les caracté- ristiques de scintillation du fluorure de baryum: l'émission de ce matériau présente une composante ra- pide dont la constante de temps vaut environ 0,8 ns, avec un rendement lumineux de l'ordre de 1000 pho- tons/Me V et une composante lente dont la constante de' temps vaut environ 600 ns, avec un rendement lumineux de 3000 à 4000 photons/Me V Ladite composante rapide est bien entendu utilisable dans un dispositif effec- tuant des mesures de temps de vol, pour avoir une bon- ne précision temporelle; la résolution en énergie du fluorure de baryum peut être mise à profit comme celle du fluorure de césium, avec des résultats identiques ou meilleurs, suivant la façon dont on utilise ledit fluorure de baryum: on peut réaliser une analyse en énergie synchrone de l'analyse temporelle en ne prenant en compte que les 1000 photons/Me V de ladite composante rapide, ce qui conduit à une résolution en énergie de 30 % avec des photons de 511 ke V par exemple, résolution identique à celle obtenue avec le fluorure de césium; on peut également différer l'analyse en énergie, en attendant que la totalité de l'émission lumineuse soit terminée, soit 1,5 à 2 is, et valider a poste- riori l'événement analysé en conservant le résultat de l'analyse temporelle pendant quelques microse- condes dans un dispositif analogique ou numérique approprié Dans ce cas, la résolution en énergie pour des photons de 511 ke V est de l'ordre de 18 à %, ce qui peut être très avantageux pour certaines applications comme la tomographie à positons o la présence de rayonnement diffusé est très gênante. L'existence desdites composantes lente et rapide et les valeurs des constantes de temps qui leur sont associées ainsi que les mesures des spectres d'émission des scintillateurs au fluorure de baryum montrent que ladite composante lente est causée par des défauts du réseau cristallin de Ba F 2: impuretés chimiques incluses dans ledit réseau ou mauvais arran- gement des atomes de baryum et de fluor Ces défauts introduisent dans la bande interdite du fluorure de baryum, des niveaux intermédiaires qui ont pour effet de créer une émission de longueur d'onde supérieure à celle qui est associée à la composante rapide et de constante de temps élevée ( 0,6 ls) Des études ont en effet montré que ladite composante rapide correspond à une bande d'émission allant de 2000 à 3200 A et pré- sentant un premier maximum, centré sur 2900 A, et un second environ dix fois plus faible, centré sur No 2200 A, et que ladite composante lente correspond à des longueurs d'onde supérieures à 3200 A et pouvant aller, selon les échantillons de Ba F 2, jusqu'à 6000 A, l'intensité de l'émission lumineuse correspondante diminuant avec la longueur d'onde. La transparence d'échantillons de Ba F 2 dans le domaine de longueurs d'onde centré sur 2900 A est parfaitement correlée avec l'émission de ladite compo- sante rapide En effet, des échantillons présentant, dans leur spectre de transmission, une absorption à o 2900 A n'ont pas ou peu de composante rapide dans leur spectre d'émission Ce phénomène est en relation di- recte: avec la hauteur du pic d'absorption des échantil- lons: plus le pic d'absorption est important (à épaisseur des échantillons constante), moins il y a de photons rapidement émis; et avec l'épaisseur de l'échantillon: pour une qualité donnée (c'est-à-dire pour un taux d'impuretés don- né), plus l'épaisseur est importante, moins il y a de photons rapidement émis. L'émission 'intrinsèque' de Ba F 2 à 2900 A existe donc pour tous les échantillons de ce matériau, mais peut être masquée en étant absorbée par des dé- fauts du réseau de Ba F 2 qui la convertissent en une émission de longueur d'onde supérieure en différant ainsi l'émission de lumière. Une amélioration de la pureté du fluorure de baryum (suppression d'impuretés chimiques (notamment le fer), de défauts structuraux du réseau,) peut donc permettre de réduire l'importance de ladite com- posante lente au profit de ladite composante rapide dans l'émission lumineuse dudit fluorure de baryum. Ce dernier peut être employé pour fabriquer des scintillateurs pour détecteurs destinés à être utilisés dans les tomographes, notamment les tomogra- phes à positons et plus particulièrement les tomogra- phes à positons et à temps de vol tels que celui que décrit la demande de brevet français N O 79 02053 Cet- te dernière montre l'avantage que présentent les tomo- graphes à positons et à temps de vol par rapport aux tomographes à positons classiques, en réduisant la longueur ou distance "d'épandage" et en diminuant de ce fait le bruit contenu dans les images reconstrui- tes, pour un même nombre d'événements détectés Ledit avantage apparaît également en comparant le nombre d'événements détectés permettant d'aboutir à une image de même qualité avec un tomographe à positons et à temps de vol qu'avec un tomographe à positons classi- que. Les courbes de la figure 2 donnent les va- riations du gain G (exprimé par le rapport des nombres d'événements détectés) qu'apporte un tomographe à po- sitons et à temps de vol, en fonction de la LTMH (ex- primée en ns) de la réponse de la chaîne de mesure du temps de vol à une source ponctuelle de positons, ceci pour différents diamètres c' de fantômes renfermant une distribution uniforme de substance émettrice de posi- tons Ces courbes montrent l'intérêt que présente l'amélioration de ladite LTMH, c'est-à-dire une réduc- tion de celle-ci En effet, plus cette LTMH est fai- ble, plus le gain mentionné ci-dessus est élevé et donc moins grande est la quantité de traceur à injec- ter à un patient à examiner avec un tomographe à posi- tons et à temps de vol, par rapport à celle qui de- vrait lui être injectée s'il était examiné avec un tomographe à positons classique L'utilisation d'un scintillateur en fluorure de baryum permet précisément d'avoir une LTMH, c'est-à-dire une erreur dans les me- sures de temps de vol, au moins 1,3 fois plus faible que celle obtenue en utilisant un scintillateur en fluorure de césium, pour des scintillateurs de même géométrie. Outre cet avantage "temporel", le fluorure de baryum a un coefficient d'atténuation linéaire lé- gèrement supérieur à celui du fluorure de césium, du fait que le baryum a un numéro atomique supérieur à celui du césium et que la masse atomique de Ba F 2 est plus importante que celle de Cs F Cet autre avantage contribue à augmenter la sensibilité d'un tomographe à positons et à temps de vol de 5 à 10 % De plus, comme on l'a déjà indiqué, le fluorure de baryum n'a aucune affinité pour l'eau, contrairement au fluorure de cé- sium qui doit être encapsulé de façon parfaitement hermétique pour permettre la réalisation de scintilla- teurs qui sont donc coûteux et d'emploi peu commode. Le fait que le nouveau matériau pour scintillateurs que constitue le fluorure de baryum ne nécessite pas d'encapsulation, permet de réduire notablement la sur- face perdue entre les scintillateurs et conduit à un gain supplémentaire de sensibilité de l'ordre de 15 % pour un tomographe à positons et à temps de vol. Le fluorure de baryum apparait donc comme supérieur au fluorure de césium en ce qui concerne ses O 10 performances temporelles, son efficacité de détec- tion, sa commodité d'emploi et le coût de fabrication de scintillateurs Employé pour la fabrication de dé- tecteurs pour tomographes à positons et à temps de vol, il permet de réduire la quantité de traceur à injecter à un patient à examiner d'un facteur au moins égal à 1,5, comparativement à celle qui est nécessaire avec les tomographes du même type utilisant des détec- teurs réalisés avec du fluorure de césium, et ce pour une même qualité d'images. REVENDICATIONS 1 Matériau pour scintillateurs, caractéri- sé en ce qu'il est constitué de fluorure de baryum. 2 Matériau pour scintillateurs selon la re- vendication 1, caractérisé en ce que ledit fluorure de baryum étant sujet, sous excitation, à une émission de lumière présentant une composante lente et une compo- sante rapide, ce fluorure de baryum est purifié de façon à réduire les défauts de son réseau cristallin, pour diminuer au maximum ladite composante lente au profit de ladite composante rapide. 3 Application du matériau pour scintilla- teurs selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, à la réalisation de détecteurs très rapides de pho- tons de grande énergie. 4 Application selon la revendication 3, caractérisée en ce que lesdits détecteurs sont prévus pour effectuer des mesures de temps de vol de photons. Application du matériau pour scintilla- teurs selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, à la réalisation de tomographes. 6 Application selon la revendication 5, caractérisée en ce que lesdits tomographes sont des topographes à positons. 7 Application selon la revendication 6, caractérisée en ce que lesdits tomographes sont en outre à temps de vol.