Brevet FR2522415A1 — publié le 19830902

i La présente invention se rapporte à un détec- teur proportionnel de rayonnements ionisants du type de ceux qui, de façon connue, fonctionnent par avalanches. On commencera tout d'abord par rappeler, en se référant aux figures 1 à 3 ci-jointes, le principe de fonctionnement des principaux types connus de tels détecteurs proportionnels de rayonnements ionisants. D'une manière générale, on rappellera que les compteurs proportionnels, qui sont des détecteurs très utilisés, notamment dans les mesures de physique fonda- mentale, sont des chambres d'ionisation remplies d'un gaz ionisable dans lesquelles l'amplitude du signal électrique recueilli lors du passage d'un agent ioni- sant est proportionnelle au nombre d'ions créés par cet agent dans le volume de la chambre ou, ce qui revient au même, à l'énergie perdue par cet agent dans ce volu- me Cette énergie se déduit directement de l'amplitude de l'impulsion. Le plus généralement, de tels compteurs sont constitués par une chambre cylindrique négative et un fil coaxial positif de petit diamètre lorsqu'il s'agit de compteurs fonctionnant selon une seule dimension Si l'on suppose qu'une seule paire d'ions est formée dans le volume de la chambre par une particule ionisante incidente, l'ion positif dérive lentement vers le cy- lindre négatif, tandis que l'électron beaucoup plus lé- ger arrive rapidement dans la région entourant le fil o le champ électrique est très intense Cet électron ainsi accéléré libère par chocs de nouveaux électrons qui, accélérés à leur tour, en créent de nouveaux et ainsi de suite C'est le phénomène bien connu de l'ava- lanche Il en résulte alors sur le fil l'apparition d'une impulsion que l'on détecte aux deux extrémités de celui-ci de façon à en situer aussi précisément que possible la position dans l'espace. Dans le mode de mise en oeuvre de la figure 1, la chambre d'ionisation est délimitée par un cylin- dre 1 conducteur et porté à un potentiel négatif élevé par rapport au fil coaxial 2 relié à la masse Ce fil 2 est résistif et constitué pour ce faire, le plus sou- vent, d'un fil de quartz revêtu d'un dépôt de graphite. Sous l'effet d'une particule ionisante incidente 3, une impulsion 4 naît en un point du fil 2 et se propage à partir de ce point vers les deux extrémités du compteur o l'on observe les temps T 1 et T 2 de montée de l'onde correspondante Dans ce mode de propagation qui est ce- lui d'une ligne à retard à constantes réparties RC (R étant la résistance unitaire du fil 2 et C la capacité unitaire du fil coaxial 2 dans la chambre 1), on démon- tre que ces temps de montée T 1 et T 2 sont, à condition que la constante de temps RC soit suffisamment élevée, proportionnels à la distance entre le point de naissan- ce de l'impulsion 4 sur le fil 2 et l'extrémité de sortie correspondante de ce même fil 2 hors de la cham- bre 1 On parvient donc ainsi en comparant T 1 et T 2 à déterminer la position précise de naissance de l'impul- sion 4, c'est-à-dire finalement de l'incidence de la particule 3 Un tel compteur, décrit par exemple dans le brevet français 1 590 045, possède au moins deux in- convénients importants qui sont les suivants: il est d'abord très fragile à l'impact d'un faisceau direct de rayonnements ionisants tel que des rayons X par exem- ple, car lorsque les avalanches sont trop importantes en nombre et en intensité, le revêtement de graphite qui rend le fil 2 résistif se détériore très rapidement et rend le compteur inutilisable Par ailleurs, le fonctionnement implique que le cylindre 1 constituant la chambre soit porté à la haute tension par rapport à la masse, ce qui peut présenter une gêne importante pour l'expérimentateur. Dans une autre variante de réalisation de compteurs proportionnelsdécrite sur la figure 2, le fil constituant l'anode 2 des conducteurs est réalisé à l'aide d'un simple fil métallique tendu et c'est lui qui est porté à la haute tension alors que la chambre métallique 1 est située au potentiel de la masse Dans ce type de compteurs, l'apparition d'une impulsion 4 sous l'effet d'une radiation ionisante incidente 3 est détectée à l'aide d'une série de collecteurs capacitifs discrets 5 connectés à une ligne selfique 6 extérieure à la chambre 1 d'ionisation proprement dite Dans ces conditions, la propagation de l'impulsion 4 née sur l'anode 2 a lieu au travers d'une ligne à retard à constantes réparties LC, ce qui permet de recueillir aux deux extrémités du compteur des impulsions 7 iden- tiques puisque la ligne à retard ne comporte pas d'élé- ments résistifs amortissant le signal Il en résulte alors que dans ce mode de réalisation, il suffit de comparer les époques d'arrivée des impulsions 7 aux ex- trémités de la chamre 1 pour déterminer l'emplacement de naissance de l'impulsion 4 sur le fil 2 Un tel compteur connu présente déjà un certain avantage par rapport à celui de la figure 1 en ce sens que le traite- ment du signal est plus facile en raison du fait que les impulsions sont calibrées; par ailleurs, le fil 2 étant un fil métallique ordinaire ne présente pas la fragilité de celui du compteur de la figure 1 et le boîtier 1 étant à la masse, il n'en résulte pas d'in- convénients majeurs pour l'utilisateur. Quoi qu'il en soit, les deux types de comp- teurs proportionnels précédents conduisent à la même difficulté d'emploi dès lors que l'on veut les utiliser non plus comme simple compteurs linéaires, mais comme des compteurs capables d'apprécier l'arrivée d'une par- ticule ou d'un rayonnement électromagnétique ionisant sur une surface à deux dimensions Pour parvenir prati- quement à ce résultat, on est contraint d'utiliser un réseau de fils 2 a, 2 b, 2 c, etc (figure 3) parallè- les, aux extrémités 8 et 9 de chacun desquels on re- cueille des signaux que l In traite individuellement selon la nature du compteur comme il vient d'être ex- pliqué pour les deux exemples précédents On conçoit ainsi la difficulté de réalisation car si le dispositif de la figure 3 comporte N fils parallèles, il faut uti- liser au plus N lignes à retard et N dispositifs élec- troniques de lecture des informations pour réaliser une localisation à deux dimensions d'une impulsion 4 appa- raissant en un point du réseau de fils 2. La présente invention a pour objet un détec- teur proportionnel de rayonnements ionisants capables d'effectuer une localisation à deux dimensions de per- formances comparables aux compteurs précédemment dé- crits, mais d'une mise en oeuvre incomparablement plus simple. Ce détecteur proportionnel de rayonnements à deux dimensions du genre de ceux qui comprennent un réseau de fils conducteurs parallèles formant les ano- des portées à une haute tension positive d'une chambre d'ionisation à atmosphère gazeuse contenue dans un boî- tier conducteur formant cathode et fonctionnant en ré- gime d'avalanche, se caractérise en ce qu'il comporte un collecteur résistif continu à deux dimensions, situé entre les fils d'anode et la cathode sur lequel se fait, par influence électrostatique, la localisation d'une avalanche électronique se produisant au voisinage d'un fil d'anode, la lecture des informations concer- nant le temps de montée de l'impulsion électrique ainsi induite par influence sur le collecteur étant effec- tuée, à la périphérie de celui-ci, en au moins deux points situés selon les axes de symétrie du réseau de fils d'anode. En d'autres termes, le détecteur proportion- nel objet de l'invention réunit les avantages des comp- teurs de l'art antérieur décrits en se référant aux figures 1 et 2 en ce sens qu'il utilise un collecteur résistif et une ligne à retard du type RC, et le prin- cipe de la transmission de l'information au collecteur par influence électrostatique, ce qui permet l'emploi d'un tel collecteur sous forme continue à deux dimen- sions, et l'exploitation des résultats à l'aide d'au moins deux systèmes de lecture électronique qui lisent les informations à la périphérie du collecteur selon les axes de symétrie du réseau de fils d'anodes Par ailleurs, le détecteur objet de l'invention conserve l'avantage d'avoir la haute tension sur l'anode et la cathode à la masse comme les détecteurs connus de la figure 2 A ces mêmes détecteurs, il emprunte l'utili- sation de fils d'anode métalliques conducteurs, sans revêtement de graphite fragilisant, puisque la résis- tance de la ligne à retard utilisée pour la transmis- sion des impulsions est celle de la surface du collec- teur. Selon une caractéristique très importante et intéressante de la présente invention, la constante de temps RC de la ligne à retard est augmentée par adjonc- tion d'une capacité éventuellement ajustable située en série entre le collecteur résistif et la masse de la cathode Comme on l'a vu en effet à propos des comp- teurs proportionnels de l'art antérieur décrits sur la figure 1, le temps de montée des impulsions est fonc- tion de la constante de temps RC de la ligne à retard constituant le système et on a intérêt à ce que cette constante de temps dépasse au moins un seuil déterminé pour que la lecture des impulsions soit facilitée. L'existence de cette capacité ajustable (soit par sa surface, soit par la distance entre la cathode et l'électrode complémentaire) permet précisément d'obte- nir la valeur maximale souhaitable pour la constante RC. Selon une caractéristique secondaire mais importante du détecteur objet de l'invention, le col- lecteur résistif peutâtredédoui 2 éen deux collecteurs dis- tincts identiques mais superposés après une rotation de 900 dans l'espace dont chacun comporte sur deux côtés opposés des bandes conductrices de prélèvement de l'in- formation électrique, le premier collecteur portant lesdites bandes selon ses côtés orientés dans la direc- tion de la coordonnée Y étant utilisé pour lire les informations sur la coordonnée X et le deuxième collec- teur portant lesdites bandes selon ses côtés orientés dans la direction de la coordonnée X étant utilisé pour lire les informations sur la coordonnée Y. Selon une variante de mise en oeuvre intéres- sante de cette caractéristique, l'un au moins des col- lecteurs résistifs précédents est réalisé par la fenê- tre d'entrée du compteur que l'on a rendue résistive à cet effet; dans certains cas, on peut prévoir que les deux collecteurs correspondent chacun à l'une des deux fenêtres d'entrée du détecteur se faisant face selon deux faces parallèles du boîtier formant cathode. L'avantage essentiel de ce dédoublement du collecteur résistif réside dans la suppression totale des effets de bord et des distorsions de lecture des informations électriques X et Y qui sont inévitables lorsque lesdites informations sont prélevées en des points situés au milieu de chacun des bords d'un col- lecteur unique En effet, dans le cas de deux collec- teurs distincts, dont chacun est spécialisé dans la lecture de l'une des coordonnées X ou Y du point d'ap- parition d'une charge par influence, les bandes conduc- trices latérales utilisées garantissent un écoulement de ladite charge selon des lignes de courants toujours perpendiculaires à la direction commune des déux bandes parallèles de la plaque collectrice carrée ou rectangu- laire utilisée; on parvient ainsi à une lecture indé- pendante de chaque coordonnée du point d'apparition d'une charge par influence. Le compteur objet de l'invention peut adopter une symétrie plane ou courbe, notamment cylindrique; il suffit simplement pour cela que le réseau de fils d'anode définisse dans l'espace une surface réglée, de même nature que celle de la cathode d'une part et de l'écran résistif d'autre part, la distance respective entre ces différents éléments restant constante Le collecteur résistif peut être réalisé selon tout procé- dé connu et notamment par dépôt de carbone ou de tungs- tène sur une feuille de matière plastique L'obtention par ce procédé d'un collecteur résistif de résistance suffisamment élevée pour obtenir une constante de temps RC donnée étant parfoit délicate, on perçoit tout l'in- térêt de la capacité complémentaire ajustable qui per- met d'augmenter la capacité répartie C de la ligne à retard pour ajuster la constante de temps à la valeur souhaitée. De toute façon, l'invention sera mieux com- prise en se référant à la description de deux exemples de mise en oeuvre de l'invention qui seront donnés en se référant aux figures 4 et 5 ci-jointes sur lesquel- les: la figure 4 est une vue schématique en perspective cavalière éclatée d'un détecteur proportionnel selon l'invention; la figure 5 montre certains éléments d'un détecteur objet de l'invention dans une symétrie d'ordre cylin- drique; la figure 6 montre de façon séparée les deux collec- teurs distincts dans le cas d'un dédoublement du col- lecteur résistif; la figure 7 montre un exemple de réalisation du dé- tecteur objet de l'invention, muni d'un collecteur résistif dédoublé mis en place dans le boîtier de l'appareil; la figure 8 vue en coupe transversale montre un exem- ple de réalisation d'un détecteur à deux collecteurs distincts, dans le cas o l'un d'entre eux est cons- titué par la fenêtre d'entrée du boîtier de l'appa- reil. Sur la figure 4, on a représenté un boîtier 1 formant cathode et muni d'une fenêtre 10, la cathode 1 étant à la masse La fenêtre 10 doit être à la fois conductrice (pour assurer la continuité du champ élec- trique dans le détecteur) et transparente aux rayonne- ments ionisants à détecter On peut la constituer, par exemple, de béryllium ou d'aluminium de faible épais- seur ( 100 1 m) en contact électrique avec le boîtier 1. A l'intérieur de la cathode 1, se trouve placée une série de fils conducteurs parallèles 2 formant une sor- te de réseau ou treillis, chacun des fils 2 étant con- necté en parallèle par la ligne 11 à la borne positive d'une source de haute tension Le réseau des fils con- ducteurs 2 constitue ainsi l'anode du compteur propor- tionnel Entre le réseau des fils 2 et la cathode 1, se trouve inséré, conformément à l'invention, le collec- teur résistif 12 dont la surface est conductrice, conti- nue et isotrope au point de vue de sa résistivité élec- trique Le collecteur 12 est relié à la masse par une résistance de polarisation 22 qui le met au potentiel zéro en l'absence de signal La capacité répartie de la ligne à retard RC ainsi constituée est augmentée dans les proportions voulues et ajustables grâce à l'élec- trode conductrice 13, elle-même à la masse, située en- tre le collecteur résistif 12 et la cathode 1. Les indications électriques correspondant aux influences reçues en provenance du réseau des fils 2 par le collecteur résistif 12 sont transmises et ana- lysées en quatre points X 1, X 2, et Y 1, Y 2 situés selon les axes de symétrie du réseau des fils d'anode 2. L'expérience montre que la lecture de ces informations est encore possible si l'on se contente seulement de deux électrodes X et Y situées au milieu des deux côtés adjacents du collecteur résistif 12, une correction systématique que l'on peut calculer par ordinateur étant alors nécessaire pour rétablir la symétrie du système de lecture En d'autres termes, celle-ci est possible à l'aide d'au moins deux prélèvements de ten- sion à la périphérie du collecteur dès lors que ces prélèvements sont effectués en deux points situés selon les axes de symétrie du réseau de fils d'anode Il est évident bien entendu que la lecture est plus correcte, c'est-à-dire entachée d'une erreur systématique beau- coup plus faible, lorsqu'on l'effectue à l'aide de qua- tre prélèvements de tension comme représenté sur la fi- gure 4, au lieu de deux. Le compteur décrit sur la figure 4 étant, électriquement parlant, du type de ceux qui, comme dé- crits sur la figure 1, utilisent une ligne à retard de constante de temps RC, l'exploitation des résultats électriques lus aux points X 1, X 2 et Y 1 et Y 2 a lieu selon les mêmes procédés que ceux décrits à propos du compteur de la figure 1 Le traitement des informations électriques ainsi reçues en X et Y ne nécessite par conséquent qu'une double chaîne d'analyse du système à une dimension Pour l'utilisation conforme au schéma de la figure 4, on a obtenu une résolution dans la direc- tion Y parallèle aux fils 2 qui est de l'ordre de 0,2 mm pour un détecteur linéaire de 100 mm La résolu- tion dans la direction X perpendiculaire aux fils d'anode 2 dépend du pas de ces fils qui, dans-la réali- sation effectuée en laboratoire était de 0,6 mm; l'ex- périence montre toutefois que la résolution est supé- rieure au pas des fils car une impulsion située entre deux fils voisins est néanmoins prise en compte par le détecteur qui, par principe, réagit au "centre de gra- vité électrique" des charges présentes sur les deux fils consécutifs. On a pu constater sur ce prototype que la cellule de détection conservait son caractère propor- tionnel jusqu'à une activité de 400 000 coups par se- conde pour une surface éclairée par la fenêtre 10 de cm 2. Comme pour tous les détecteurs utilisés, la sensibilité de la cellule à différents rayonnements (X, Y, etc) est liée à la nature du gaz employé, à sa pression d'utilisation dans l'enceinte 1 formant catho- de ainsi qu'à l'épaisseur de gaz traversée par le rayonnement ou la particule ionisant incident Les do- maines d'application d'un tel détecteur proportionnel de rayonnement sont ceux des détecteurs à deux dimen- sions tels que par exemple, l'obtention d'images à par- tir de rayons X en laboratoire, la diffusion, la dif- fraction des rayons X; dans le domaine médical, on peut envisager des surfaces détectrices de ce type uti- lisées pour obtenir des radiographies à très faibles doses d'irradiation du patient ainsi que des chromato- graphies à deux dimensions à partir de molécules radio- actives Enfin, différents matériaux peuvent être con- trôlés par transmission, à l'aide de détecteurs selon l'invention éclairés par un flux de rayons X. En se référant à la figure 5, on donnera maintenant un exemple très schématique d'un mode de réalisation du détecteur proportionnel selon l'inven- tion dans lequel la symétrie des fils d'anode 2, du collecteur résistif 12 et de la cathode 1 est cylindri- que Le fonctionnement d'un tel ensemble est identique 1 l à celui du détecteur de la figure 4, dès lors que les surfaces, des trois éléments constituant le réseau de fils, le collecteur résistif et la cathode sont 'paral- lèles" et à une distance constante On conçoit de même que, en fonction de besoins particuliers, d'autres structures géométriques puissent être utilisées pour réaliser des détecteurs proportionnels à deux dimen- sions selon l'invention. Sur la figure 6, on a représenté schématique- ment côte à côte les deux collecteurs résistifs 12 a et 12 b, résultant, conformément à l'invention, du dédou- blement du collecteur 12 de la figure 4. Chacun des collecteurs résistifs 12 a et 12 b de forme carrée ou rectangulaire est équipé sur deux de ses côtés opposés de bandes conductrices, à savoir 14 et 15 parallèles à l'axe OY du système d'axes XOY pour le collecteur 12 a et 16 et 17 parallèles à l'axe OX du système d'axes XOY pour le collecteur 12 b Il faut com- prendre que dans la réalité, comme représenté par exem- ple sur les figures 7 et 8, les deux collecteurs résis- tifs 12 a et 12 b sont superposés dans l'espace avec l'orientation indiquée sur la figure 6, c'est-à-dire que les deux collecteurs 12 a et 12 b qui sont identiques sont en fait superposés dans l'espace après une rota- tion de 900 autour de leur centre. Le premier collecteur 12 a est relié à deux électrodes 18 et 19 fixées sur les bandes conductrices 14 et 15 qui permettent de recueillir les informations X 1 et X 2 sur l'abscisse du point o une impulsion élec- trique du détecteur crée une charge Q par influence; le deuxième collecteur 12 b est relié aux deux électro- des 20 et 21, fixées sur les bandes conductrices 16 et 17, qui permettent de recueillir les informations Y 1 et y 2 sur l'ordonnée du point o apparaît la même char- ge Q. La division du collecteur 12 en deux collec- teurs 12 a et-12 b munis sur leurs bords-des bandes con- ductrices 14, 15, 16 et 17 permet d'obtenir un champ électrique uniforme sur chacune d'entre elles et garan- tit des lignes de courant (en pointillés sur la figu- re 6) parallèles aux axes OX et OY à chaque dépôt d'une charge Q par influence en un point quelconque desdits collecteurs Il en résulte en particulier comme avanta- ge important, une suppression complète des effets de bord et des distorsions de lecture inévitables lorsque, * le collecteur 12 étant unique, les informations élec- triques X 1, X 2 et Y 1, Y 2 relatives à l'arrivée du front d'une impulsion correspondant à l'apparition au point Q(X, Y) d'une charge par influence, sont prélevées aux milieux des côtés du collecteur. Sur la figure 7, on retrouve les mêmes élé- ments que sur la figure 4 à ceci près que le collec- teur résistif 12 est dédoublé en deux collecteurs dis- tincts et superposés 12 a et 12 b affecté chacun, comme il vient d'être exposé, à la lecture des informations X 1 X 2 ou Y 1 Y 2 relatives à l'une des coordonnées du point d'apparition d'une charge Q par influence sur le col- lecteur. La figure 8 montre enfin une variante inté- ressante du compteur de la figure 7, dans lequel l'un des collecteurs résistifs 12 b est confondu avec la fe- nêtre d'entrée 10 du bottier 1 Dans cette variante, les deux collecteurs 12 a et 12 b ont leur face résistive face à face tournée vers l'intérieur du bo tier 1; des cadres isolants 23 et 24 maintiennent en place res- pectivement d'une part le collecteur 12 b et, d'autre part, le plan des fils d'anode 2 Les sorties 20 et 21 du collecteur 12 b délivrent des informations Y 1 et Y 2 sur l'ordonnée Y de la charge Q développée sur le col- lecteur et la sortie 18 du collecteur 12 a, seule visi- ble sur la figure 8, délivre l'information X 1 Des ré- sistances de polarisation 22 et 25 sont prévues entre la masse et les sorties X 1 et Y 1 de façon qu'en l'ab- sence d'impulsions dans le détecteur, les collecteurs 12 a et 12 b soient au potentiel de la masse. Dans la réalisation de la figure 8, le col- lecteur résistif 12 b, constituant en même temps la fe- nêtre 10 du compteur, peut être réalisé par exemple en plastique graphité sur sa face interne et métallisé sur sa face externe. REVEND ICAT IONS 1 Détecteur proportionnel de rayonnement ionisant pour localisation à deux dimensions du genre de ceux qui comprennent un réseau de fils conducteurs parallèles ( 2) formant 'es anodes portées à une haute tension positive d'une chambre d'ionisation à atmosphè- re gazeuse contenue dans un boîtier conducteur ( 1) for- mant cathode et fonctionnant en régime d'avalanche, ca- ractérisé en ce qu'il comporte un collecteur résistif continu ( 12) à deux dimensions, situé entre les fils d'anode ( 2) et la cathode ( 1) sur lequel se fait par influence électrostatique la localisation d'une ava- lanche électronique se produisant au voisinage d'un fil d'anode, la lecture des informations concernant le temps de montée de l'impulsion électrique ainsi induite par influence sur le collecteur étant effectuée, à la périphérie de celui-ci, en au moins deux points situés selon les axes de symétries du réseau de fils d'anode. 2 Détecteur selon la revendication 1, carac- térisé en ce que la constante RC de la ligne à retard est augmentée par adjonction d'une capacité ajustable ( 13) située en série entre le collecteur résistif ( 12) et la masse de la cathode ( 1). 3 Détecteur selon l'une quelconque des re- vendications 1 et 2, caractérisé en ce que le collec- teur résistif ( 12) a la forme d'une plaque rectangulai- re sur les milieux des faces de laquelle on prélève les informations électriques. 4 Détecteur selon l'une quelconque des re- vendications 1 à 2, caractérisé en ce que la symétrie du collecteur résistif est cylindrique. Détecteur selon l'une quelconque des re- vendications 1 à 4, caractérisé en ce que le collecteur résistif consiste en un dépôt résistif sur une feuille de matière plastique. 6 Détecteur selon la revendication 5, ca- ractérisé en ce que le collecteur résistif consiste en un dépôt de carbone sur une feuille de matière plasti- que. 7 Détecteur selon l'une quelconque des re- vendications 1 à 6 précédentes, caractérisé en ce que le collecteur résistif est dédoublé en deux collecteurs distincts identiques portant lesdites bandes ( 16, 17) selon ses côtés orien- tés dans la direction de la coordonnée X étant utilisé pour lire les informations sur la coordonnée Y. 8 Détecteur selon la revendication 7, ca- ractérisé en ce que l'un au moins des collecteurs ré- sistifs précédents est constitué par la fenêtre d'en- trée ( 10) du compteur que l'on a rendue résistive à cet effet.