Brevet FR2532438A1 — publié le 19840302

Détection et localisation de rayonnements électromagnétiques de grande énergie La présente invention concerne le domaine.de la localisation et de la mesure de l'intensité d'un faisceau de rayonnement électromagnétique de grande énergie, typiquement de rayonnements X ou gamma. On sait que la mesure précise de la répartition de faisceaux de rayonnements X et gamma constitue la difficulté principale dans la mise en oeuvre de nombreuses techniques médicales et industrielles. Dans le cas particulièrement important de la tomographie assistée par ordinateur, couramment désignée par le terme "C.A.T." ou par liappellation anglo-saxonne "scanner", où un faisceau de rayonnements X est dirigé à partir d'une source vers- des détecteurs, a travers un organe, on a utilisé dans la pratique deux types d'app-areils de mesure Le premier type est constitué par les chambres d'ionisation à atmosphère de gaz rare sous pression (typiquement de xénon). Le second type utilise des cristaux scintillateurs, contenant des éléments de numéro atomique élevé, comme le tungstate de cadmium. Les photons émis par le scintillateur sont convertis en courant électrique dans des cellules photoélectriques, en général-des photodiodes. Aucun de ces détecteurs n'est pleinement satisfaisant. Les chambres d'ionisation à atmosphère de xénon sous pression présentent l'avantage de permettre une mesure précise de l'intensité, grâce à leur stabilité. Elles sont de cout modéré et leur électronique associée est d'encombrement faible. Mais en contrepartie, même pour des pressions élevées de xénon, la chambre doit avoir une forte épaisseur pour absorber tous les rayonnements X incidents, qui ont en général une énergie de l'ordre de 100 keV. Cette forte épaisseur se traduit par des erreurs de parallaxe importantes dès que l'incidence du rayonnement reçu s'écarte de la normale. Dans certaines applications où une énergie élevée des rayons gamma, 1 MeV par exemple, est souhaitable, l'efficacité des détecteurs gazeux est petite. Les dispositifs à cristal scintillateur ont au contraire l'avantage d'absorber les rayonnements incidents de l'ordre de 100 keV sous des épaisseurs faibles, de l'ordre du millimètre. Mais les cellules photoélectriques qui doivent leur être associées ont une stabilité plus faible que celle des chambres d'ionisation et leurs circuits associés. La présente invention vise à fournir un dispositif de détection et de localisation d'un faisceau de rayonnement incident directif (divergent à partir d'une source ponctuelle ou parallèle) répondant mieux que les dispositifs antErieure- ment connus aux exigences de la pratique,,notamment en ce qulil permet une mesure précise, écarte les problèmes de parallaxe et reste d'un coût modéré. Dans ce but, l'invention propose notamment un dispositif comprenant un scintillateur de conversion du rayonnement primaire incident en rayonnement électromagnétique présentant un spectre de moindre énergie que le rayonnement primaire et une chambre d'ionisation placée pour recevoir le rayonnement secondaire, occupée par une couche mince de liquide contenant un composé présentant un seuil d'iônisation compatible avec le spectre du rayonnement secondaire, l'une au moins des électrodes de la chambre d'ionisation étant associée à des moyens de localisation et de mesure. Une telle disposition combine les avantages des deux dispositifs antérieurement connus : l'utilisation d'une chambre d'ionisation permet d'obtenir une précision de mesure élevée, tandis que l'utilisation d'un scintillateur de conversion du spectre permet de travailler sous une épaisseur suffisamment faible pour supprimer les erreurs de parallaxe. La conception de l'invention implique tout d'abord d'avoir constaté que certains composés organiques présentaient un seuil de photo-ionisation beaucoup plus bas en solution qu'a ltétat de gaz, ce qui les rendait compatibles avec le spectre d'énergie des photons de conversion fournis par les cristaux scintillateurs disponibles, tels notamment que le fluorure de baryum. I1 faut par exemple noter que le TMAE ou tetrakis(diméthylamine)éthylène, qui est le corps présentant le potentiel de photo-ionisation le plus faible de tous les corps connus à l'état gazeux, ne permet cependant pas de réaliser une chambre d'ionisation ayant un rendement satisfaisant en combinaison avec les scintillateurs solides ou liquides connus.Son seuil de photo-ionisation de 5,36 eV est en effet à peine inférieur au pic d'émission du fluorure de baryum, à 5,5 eV environ. Au contraire, à l'état liquide, le TMAE présente un seuil qui s'abaisse à 3,54 eV environ, c est-à-dire au-dessous de la majeure partie du spectre fourni par le fluorure de baryum. Il était au surplus nécessaire de constater que'il était possible de faire fonctionner une chambre d'ionisation dont llespace inter-blectrodes est occupé par wn liquide, constitué par le composant photo-ionisable à l'état liquide ou en solution. Le dispositif suivant l'invention peut être réalisé sans difficultés de façon à présenter une fenêtre d'entrée de grande surface : du fait de l'absence dtune chambre sous pression élevée de gaz, aucun problème de résistance mécanique ne se présente. On sait réaliser des cristaux-scin- tillateurs de grande dimension, sous des épaisseurs qui restent modérées. Et les techniques de dépôt de bandes métalliques sur la paroi isolante de la chambre permettent d'obtenir une densité d'électrode permettant une localisationprécise. Le composé liquide utilisé dans la chambre, sous une épaisseur généralement comprise entre 0,01 mm et 1 mm lorsque le composé ionisable est utilisé à l'état pur, pouvant aller jusqu'a 2 mm environ lorsqu'il est en solution, est avantageusement un tetraaminoéthylène. Parmi les solvants de ces composés utilisables, on peut notamment citer le tetramdthyl- sylane et l'isooctane. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit d'un dispositif qui en constitue un mode particulier de réalisation, donné à titre d'exemple non limitatif. La description se réfère åu dessin qui l'accompagne, dans lequel - la figure 1 est un schéma de principe montrant un dispositif suivant l'invention, en coupe suivant un plan passant par son axe-, - la figure 2 est un schéma de détail, montrant une variante de réalisation du dispositif. On peut regarder le dispositif représenté en figure 1 comme constitue de deux parties successives, un convertisseur à scintillation 10 et une chambre d'ionisation à couche mince de liquide 12. La constitution générale de cs deux éléments et leur mode de coopération seront d'abord évoqués, avant de décrire de façon- détaillée un mode possible d'exécution. Le convertisseur 10 est constitue par une plaque d'un cristal capable de scintiller sous l'effet des électrons. énergiques produits dans ce cristal par l'absorption des rayonnements X primaires. Le dispositif peut comporter un collimateur 14 d'entrée permettant d'assurer la directivité des rayonnements, provenant d'une source non représentée. Les photons de scintillation émis par le convertisseu-r 10 et dont une fraction sort par la face arrière 16 ont un spectre d'énergie caractéristique du cristal. Par exemple, le fluorure de baryum, fréquemment utilisé, présente un spectre continu s'étendant a peu près de 180 nm à 450 nm (c'est-à-dire 6,7 à 2,7 eV environ). Ce spectre se décompose en deux parties essentielles, centrées sur deux pics dont le plus énergique est à 5,5 eV environ. Comme on l'a indiqué plus haut, il n' existe pratiquement pas de gaz présentant une grande probabilité d'ionisation à ces énergies. Le gaz le plus facilement ionisabie actuellement connu est le TMAE. Le seuil de photo-ionisation de ce gaz est à 5,36 eV, ce qui ne permet pas une détection efficace des photons provenant du cristal de fluorure de baryum. Pour cette raison, la chambre d'ionisation 12 destiné à recevoir les photons secondaires provenant du convertisseur 10 est occupée par une couche mince de liquide dont l'élément actif est constitué par un composé, en phase liquide ou en solution, présentant alors un seuil d'ionisation beaucoup plus bas en énergie. On utilisera en général un. tetraaminoéthylène en phase liquide ou à l'état dissous dans un solvant organique approprié, tel que le tetramethylxylane ou l'isooctane. Il suffit d'une épaisseur très mince de liquide pour absorber la majeure fraction des photons secondaires émis par le convertisseur à scintillation 10.Si par exemple on utilise un cristal de fluorure de baryum, il suffit d'une couche de composés en phase liquide d'épaisseur comprise entre 10 wm et 1 mm pour absorber la majeure partie des photons secondaires dans la partie la plus énergique du spectre. Lorsqu'on utilise un tetra-amino-éthylène en solution, on peut être amené à augmenter l'épaisseur de la couche jusqu'à 2 mm environ. Parmi les tetra-amino-éthylènes, on peut notamment citer les suivantes, utilisables en solution dans le tetra- méthylène et l'isooctane TMAE : tetrakis(diméthylamine)éthylêne, r TMBI : 1, 1', 3, 3' tetraméthyl-2-2'-biimidazoolYdecylidène, TMAB : 1, 1, 4, 4 tetrakis(diméthylamino)butadiène. Les seuils d'ionisation en eV sont les suivants Tetraméthylsilane iso-octane TMAE 3,54 TMBI 3,65 4,02 TMAB 3,83 4,28 Cette liste de composés n'est évidemment pas limitative. L'une des électrodes de la chambre d'ionisation pourra-être réalisé par une couche métallique mince 18, transparente aux photons secondaires, déposée sur la face arrière du convertisseur à scintillation 16 L'autre éIectrode, destinée à permettre la localisation et la mesure, pourra être constituée par un réseau de bandes métalliques 20 déposées sur une plaque isolante 22 délimitant l'espace 24 occupé par le liquide photo-ionisable. L'électronique de localisation associée aux électrodes 20 pourra être de type classique, largement utilisé dans les chambres d'ionisation. Au lieu de fractionner l'électrode de mesure en bandes, on peut la fractionner en pavés isolés les uns des autres et reliés chacun à une chaîne de détection. A titre d'exemple, on peut indiquer les caractéristiques suivantes d'un dispositif destiné à mesurer la répartition d'intensité d'un flux de rayonnement X, pouvant avoir un cristal d'entrée de grandes dimensions. Le cristal scintillateur 14, en fluorure de baryum, ayant une épaisseur de l'ordre du millimètre, typiquement d'environ 2 mm, est monté de façon étanche dans une couronne isolante 26 en plusieurs pièces assemblées. Une épaisseur de 2 mm est en général suffisante pour arrêter totalement le rayonnement X incident. La face inférieure du cristal, constituant la paroi supérieure de la chambre d'ionisation 12, est revêtue d'une couche métallique mince transparente aux rayonnements secondaires (photons produits par la scin- tillation).Cette couche mince 18 est par exemple constituée par dépôt sous vide de chrome-nickel. La touche 18, dont l'épaisseur peut être de l'ordre de 10 nm, constitue la cathode de la chambre d'ionisation 12. Elle est reliée, par un conducteur traversé de parois 28, à une source haute tension continue. L'électrode de collection est constituée de bandes 20 de 1 mn de large environ, dGpo- sées sur une plaque 22 en céramique, par exemple en alumine. Chaque bande 20, qui peut également être constituée par dépôt mGtallique, est reliée, par une traversée 30 et un conducteur électrique, à une chaîne de traitement dont l'élé- ment d'entrée est un amplificateur de charges 32. Les électrodes 30 peuvent être portées au potentiel continu de la masse par l'intermddiaire d'une résistance. La haute tension appliquée à l'électrode 18 est choisie en fonction de l'épaisseur de liquide, de façon à créer un champ électrique approprié. Dans la pratique, une haute tension négative de 1 kv est satisfaisante lorsque l'épaisseur de la chambre est de 1 mn. Lorsque l'épaisseur du cristal 10 est bien plus grande que la précision de localisation définie par la largeur des bandes 20, on peut subdiviser le cristal en cristaux de faible largeur, isolés optiquement les uns des autres sur leurs faces latérales. L'étanchéité nécessaire entre le milieu qui contient le liquide de la chambre d'ionisation et le milieu extérieur est réalisée par une paroi externe aux cristaux, mais transparente aux rayons X ou gamma que l'on veut détecter. Dans une variante de réalisation de l'invention, montrée en figure 2, le cristal scintillateur 10 est séparé de la chambre 12 par une fenêtre 34 en un matériau transparent aux rayonnements secondaires, par exemple en quartz lorsque le scintillateur est en fluorure-de baryum. Dans ce cas, c est la face arrière de la fenêtre 34 qui porte l'électrode 18. Cette solution permet de dissocier le scintillateur de la chambre et d'autoriser le remplacement du scintillateur 10 par un autre sans mettre le milieu liquide en contact avec l1air. On a montré sur la figure 2 le cristal 10 équipé de son collimateur 14 séparé de la. chambre. REVENDICATIONS 1. Dispositif de localisation et de mesure de l'intensité et de la répartition d'un faisceau dé rayonnements X ou gamma, caractérisé en ce qu'il comprend, en combinaison, un scintillateur (10) de conversion du rayonnement primaire incident X ou gamma en rayonnement électromagné- tique présentant un spectre de moindre énergie que le rayonnement primaire, et une chambre d'ionisation (12) placée pour recevoir le rayonnement secondaire, occupée par une couche mince de liquide (24) contenant un composé présentant un seuil d'ionisation compatible avec le spectre du rayonnement secondaire, l'une au moins des électrodes (20) de la chambre d'ionisation (12) étant associée à des moyens de localisation et de mesure (32). 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le liquide est constitué par le composé en phase liquide ou en solution. 3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que le composé est un tetra-amino-éthylêne, avantageusement le TMAE, le TMBI ou le TMAB. 4. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que le tetra-amino-éthylène est en solution dans le tetraméthylsilane ou 1' iso-octane. 5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la chambre d'ionisation comporte une électrode à travers laquelle pénètre le rayonnement secondaire constituée par une métallisation (18) d'épaisseur suffisamment faible pour être transparente au rayonnement secondaire, et une seconde électrode constituée par un réseau de bandes ou de pavés associés chacun a une chaine de mesure. 6. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que la couche métallique est déposée sur la face arrière du cristal scintillateur (10). 7. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que la métallisation (18) est disposée sur la face arrière d'une fenêtre (34) en matériau transparent au rayonnement secondaire, interposée entre le cristal (10) et la chambre (12). 8. Procédé de détection et de localisation de rayonnement électromagnétique de grande énergie, caracterisé en ce que : on reçoit le faisceau de rayonnement incident sur un scintillateur de conversion de ce rayonnement en un rayonnement secondaire de moindre énergie ; on transfère ce rayonnement secondaire, par la face arrière du scintillateur, dans une chambre d'ionisation occupée par un liquide ayant un seuil de photo-ionisation compatible avec le spectre du rayonnement secondaire provenant du scintillateur, et on mesure la répartition du rayonnement reçu par la chambre.