Brevet FR2538913A1 — publié le 19840706

La présente invention concerne le domaine technique des détecteurs gazeux utilisés pour la localisation spatiale de parti- cules ou rayonnements. Dans de nombreuses applications, il est nécessaire de pouvoir détecter et localiser spatialement une particule ou un ra- yonnement A titre d'exemples, on peut citer la cristallographie par rayons X, la détection de radioactivité, la recherche médicale ou biologique, la détection de particules autour des accélérateurs. De façon générale, un détecteur gazeux, du type ci- dessus, comprend un corps définissant une enceinte contenant un* fluide gazeux sous une certaine pression. L'enceinte présente une fenêtre d'entrée d'un rayonne- ment ou d'une particule à détecter et comporte, intérieurement, au moins un élément allongé, en général parallèle à la fenêtre Cet élément allongé est isolé du corps et se trouve porté à un potentiel positif élevé par rapport au corps ou à des électrodes entourant l'élément allongé, formant des cathodes. L'impact d'une particule élémentaireayant traversé la fenêtre d'entrée avec un ou des atomes du fluide gazeux, fait naltre un ou des électrons primaires qui sont attirés par le champ élec- trique produit par le potentiel positif appliqué à l'élément allongé formant anode Ces électrons, sous l'influence de ce champ, migrent vers l'anode et initient, si le champ électrique est suffisant, un processus de collisions en chaîne produisant une avalanche d'é lec- trons captée par l'anode La localisation le long de l'anode de l'avalanche s'effectue suivant une procédure bien connue, en déter- minant le centre de gravité au moyen de bandes cathodes mesurant la collection de charges positives induites par l'avalanche dans le fluide gazeux Par l'intermédiaire par exemple d'une ligne à retard, il est possible de localiser un tel centre de gravité et, par con- séquent, de connaître la position de l'avalanche le long de l'anode. On obtient donc une localisation monodimensionnelle le long de l'anode La précision de la localisation et la résolution spatiale sont fonction de la qualité de la chaîne électronique de mesure, de la nature et de la pression du gaz, de la nature et de l'énergie de la particule ou du rayonnement On obtient couramment une résolu- tion de 200 Dans certaines applications, le détecteur comporte plu- 1 o sieurs anodes parallèles, ce qui permet de disposer d'une aire de détection sensiblement accrue et de faire une détermination de la position à deux dimensions. Les détecteurs du type ci-dessus peuvent être qualifiés à anodes rectilignes, étant donné que la ou les anodes qu'ils com- portent sont constituées par des fils conducteurs de faible diamè- tre tendus entre deux points d'ancrage et de connexion électrique pour s'étendre parallèlement aux cathodes et à la fenêtre d'entrée. Dans certaines applications, telles que l'étude de dif- fraction des rayons X, il serait intéressant de pouvoir localiser le long d'un arc de cercle. Si on se contente de résolutions spatiales d'environ I à 2 mm, on peut utiliser une nappe de fils anode épousant la circon- férence La lecture des impulsions sur ces fils donnant la position du rayonnement à un fil près. Avec des détecteurs à anodes rectilignes et pour des résolutions spatiales inférieures au millimètre, l'ouverture angu- laire pouvant être examinée nexcède pas une dizaine de degrés En effet, au-delà il convient alors de tenir compte de phénomènes de parallaxe provenant de l'angle d'incidence de la trajectoire des par- ticules par rapport à l'anode et résultant aussi de la position sur cette trajectoire à partir de laquelle une telle particule initie le phénomène d'avalanche d'électrons. Des essais de correction de parallaxe n'ont pas permis d'aboutir à une solution technologique simple, par le simple fait que le phénomène d'initiation d'avalanche d'électrons peut être considéré comme totalement aléatoire et susceptible d'intervenir indifféremment en amont ou en aval de l'anode par rapport au plan passant cette dernière et coupant la direction de propagation de-la particule. En vue de résoudre ce problème, on pourrait penser réa- liser des détecteurs gazeux de type courbe comprenant un corps dé- limitant, sur une face concave, une fenêtre dont le rayon de cour- bure est centré sur la source d'émission ou de réflexion La ou les anodes sont constituées de façon traditionnelle chacune par un fil qui est maintenu courbe, en étant centré sur le rayon de courbure, par des supports rigides isolants. Une telle solution n'est, cependant, pas acceptable, car les supports sont responsables de l'existence de zones pouvant être considérées comme mortes, c'est-à-dire dans lesquelles le phé- nomène d'avalanche des électrons ne peut se produire comme il con- vient. Pour résoudre ce problème, on a proposé de réaliser l'anode sous la forme d'un fil conducteur d'une section de l'ordre de 40/ tinitialement cambré ou courbé selon le rayon de courbure choisi et sur la plage angulaire couverte Une telle anode est fixée aux deux extrémités sur des supports et se trouve maintenue parallè- lement à la fenêtre d'entrée par interaction du champ d'un courant la traversant avec celui magnétique de deux aimants permanents- entre lesquels s'étend le fil. Une variante de cette construction consiste à maintenir le fil constitutif de l'anode dans la position requise par effet électrostatique. Ces deux propositions ont permis d'effectuer des mesures au plan du laboratoire ou de l'expérimentation Par contre, il n'a pas été possible de retenir une application industrielle satisfai- sante étant donné la fragilité structurelle de tels appareils et leur sensibilité aux vibrations appliquées au support ou à l'appa- reil et transmises au fil d'anode, uniquement maintenu dans l'ou- veÉture angulaire de détection par effet magnétique ou électrosta- tique. Une troisième solution, également connue, consiste à réaliser un détecteur gazeux courbe en utilisant, en tant qu'anode, un fil conducteur de plus grosse section en acier dur, par exemple 0,20 mm de diamètre, en remplacement du fil de section faible uti- lise dans les solutions précédentes. Un fil d'une telle section peut être courbé et maintenu, grâce à ses qualités mécaniques, par ancrage au niveau des deux extrémités représentant des points de support et de conduction d'une tension électrique de fonctionnement. Si une telle solution technique peut être considérée comme apportant, théoriquement, une solution au problème posé, en revanche, il a été pratiquement constaté que le rayon de courbure et la longueur d'anode étaient limités et donc que la résolution an- gulaire pouvait être souvent insuffisante. Ceci est dû au fait que l'anode devient, au fur et X me- sure de l'accroissement de sa longueur, moins stable et le détecteur de plus en plus fragile De même que précédemment, cette solution ne protège pas contre les vibrations mécaniques. L'objet de l'invention est de proposer un nouveau dêtec- teur gazeux courbe apportant une solution technologique aux problè- mes ainsi posés et capable de remédier aux inconvénients constatas des solutions retenues pour la constitution de détecteurs courbes à bonne résolution spatiale actuellement connus. L'autre objet de l'invention est de proposer un ditec- teur gazeux courbe peu fragile, pouvant être soumis à des conditions mécaniques de travail diverses et susceptible, en outre, de prgsen- ter une résistance importante aux claquages électriques et dont les dimensions ne sont pas limitées par des problèmes mécaniques. Un autre objet de l'invention est de proposer un détec- teur gazeux courbe susceptible d'être réalisé de façon rapide, sim- ple et sûre, sans faire intervenir d'opération délicate de mise en forme régulière d'une ou des anodes I L'objet de l'invention vise, en outre, à permettre l'uti- lisation, en tant qu'anode, d'un produit de base fourni en bande ou lame dans le commerce, selon des caractéristiques physiques variées permettant un choix en rapport avec les particularités d'un détec- teur à construire. Pour atteindre les buts ci-dessus, le détecteur gazeux courbe à lame de localisation spatiale est caractérise en ce que le capteur est constitué par une structure du type à au moins une lame conductrice courbe maintenue par le corps pour faire saillie dans l'enceinte et présentant une de ses arêtes longitudinales parallè- lement à l'axe de la fenêtre. Diverses autres caractéristiques ressortent de la des- cription faite ci-dessous en référence aux dessins annexés qui mon- trent, à titre d'exemples non limitatifs, des formes de réalisation de l'objet de l'invention. La fig I est une perspective partielle illustrant le détecteur gazeux courbe conforme à l'invention. La fig 2 est une vue schématique d'une coupe montrant la disposition des diverses électrodes. La fig 3 est une perspective partielle illustrant une autre forme d'exécution de l'un des éléments constitutifs de l'objet de l'invention. La fig 4 est une perspective analogue à la fig 3 mais montrant une autre forme d'exéeution du même élément constitutif. Les fig 5 à 8 sont des vues schématiques représentant différentes variantes de réalisation de l'un des éléments constitu- tifs du détecteur. La fig 9 est une vue schématique montrant un autre exemple de réalisation du détecteur. Le détecteur gazeux courbe, de localisation spatiale, comprend un corps I de forme générale tubulaire, délimitant une enceinte 2 destinée à contenir un fluide gazeux sous une pression à choisir. Le corps I est réalisé de façon courbe et présente, par conséquent, une face 3 concave, définie par un rayon de courbure qui est centré sur la source d'émission ou de réflexion d'un rayon- nement devant être détecté La face concave 3 délimite une fenêtre d'entrée 4 qui est, par exemple, fermée par un opercule 5 pour préserver le confinement étanche du fluide gazeux L'opercule 5 est réalisé en une matière appropriée, perméable au rayonnement à détecter et, par exemple en mylar ou en beryllium dans le cas d'ap- plication à la cristallographie par rayon X. Une autre des parois du corps tubulaire 1 et, de préfé- rence, le fond plan 6, supporte, directement ou indirectement, un élément allongé 7 isold électriquement du corps 1 et destiné à constituer l'anode d'avalanche d'électrons Selon l'invention, V'a- lément 7 est formé par une lame conductrice qui est maintenue de manière que l'une de ses ar 8 tes longitudinales, telle que 8, s'a- tende parallèlement à la fenêtre 4, rendue conductrice par un dép 8 t interne et formant avec l'élément conducteur 14 une cathode. La lame conductrice 7 est maintenue pour présenter un rayon de courbure centré sur le même centre que celui de la paroi 3 et, à cet effet, par exemple, se trouve encastrée par la seconde arête longitudinale 9 dans un support isolant formé par ou adapté sur le corps 1 La lame métallique 7 est reliée électriquement à une source de production, capable de lui appliquer un potentiel po- sitif constant Sous tension, l'arête 8 produit un champ électrique influençant le milieu environnant et le fluide gazeux confiné dans l'enceinte 2. Une telle construction permet de disposer d'une certi- tude absolue de la position occupée par l'arête 8 et de sa confor- mation en anode courbe, exactement centrée sur le centre de la paroi 3, de telle sorte que tous les points de cette arête se trouvent exactement à égale distance d'un tel centre Cette construction per- met de maintenir, dans un État stable rigide, une anode allongée en lui conférant un rayon de courbure déterminé et en la développant sur une étendue angulaire en rapport avec les caractéristiques de dispersion possibles du rayonnement émis ou réfléchi Plus générale- ment, une telle construction permet de conformer l'arête 8 suivant la courbe quelconque désirée pour la détection. De manière à pouvoir localiser l'endroit de l'arête 8 au niveau duquel se produit l'avalanche d'électrons résultant de l'impact d'une particule élémentaire du rayonnement à détecter avec le fluide gazeux, le détecteur gazeux courbe est associé-à une barrette 10 de mesure de collection des charges positives induites par la-présence d'ions positifs résultant de l'avalanche d'élec- trons. La barrette 10 est constituée de bandes cathodes 11,. conductrices, s'étendant parallèlement entre elles, en présentant une direction orthogonale à l'ar 8 te 8 Les bandes cathodes sont placées parallèlement au plan de la lame 7, par exemple, le long de la face interne de la paroi 12 du corps I opposée à la paroi 3 Les bandes cathodes Il traversent le corps I à l'extérieur duquel elles sont reliées à une ligne à retard 13 de conception connue dans la technique. Selon la fig 1, le corps 1 est réalisé en une matière isolante et comporte intérieurement un revêtement conducteur 14 formant cathode, au sens général, isolé des bandes Il. La fig 2 montre, schématiquement, un exemple de-réali- sation selon lequel le corps 1 est en matière conductrice et sup- porte la lame 7 par un élément de paroi rapporté 15, réalisé en une matière isolante Dans cet exemple, le corps en matière conductrice est relié à la masse par une connexion 16 Dans un tel cas, la barrette 10 est montée sans contact ou liaison électrique avec le corps 1. Dans tous les cas, le corps I possède des moyens per- mettant de maintenir l'enceinte 2 remplie du mélange gazeux désiré. Selon une réalisation préférée, illustrée par la fig 3, le maintien de la lame 7 dans le corps I est assuré par un support intermédiaire 17 qui est, de préférence, constitué par deux demi- parties 18 a et 18 b complémentaires Les demi-parties 18 a et 18 b peuvent être reliées ensemble par l'intermédiaire d'organes de liai- son 19 de tout type convenable Les demi-parties 18 a et 18 b sont réalisées en une matière isolante et conformées pour délimiter entre elles, -une fois assemblées, un encastrement 20 capable de retenir la lame 7 à partir de son arête longitudinale 9. Les demi-parties 18 a et 18 b complémentaires sont con- formées pour présenter, une fois assemblées, une forme courbe centrée sur le centre de courbure de la paroi 3 Ainsi, par un tel support 17, il devient possible d'assurer efficacement-le maintien de la lame 7 dans une position stable et, simultanément, d'imposer à une telle lame la courbure recherchée Il est ainsi possible d'utiliser pour constituer la lame 7 une bande conductrice d'épaisseur conve- nable, déformable Plastiquement ou plastiquement, et qui est ainsi maintenue dans un état déformé par son encastrement entre les par- ties complémentaires 18 a et 18 b Dans un tel cas, une extrémité du support 17 comporte une borne 21 conductrice permettant d'établir un contact électrique entre la lame 7 et un conducteur 22 reliant ladite lame à une source de tension positive par rapport au poten- tiel des cathodes (qui est en général à la masse). La fig 4 illustre une variante de réalisation dans la- quelle le support 17 est réalisé de manière à délimiter lui-même une fenêtre 23 dans laquelle s'étend l'arête 8 de la lame 7 mainte- nue comme dit précédemment en référence à la fig 3. De bons résultats de détection sont obtenus en utilisant une lame 7 en acier inoxydable, dont l'épaisseur peut âtre comprise entre 10 et 100/OO Un détecteur du type ci-dessus, contenant dans l'en- ceinte 2 un fluide gazeux constitué par un mélange d'argon, de mé- thane, de forane 13 81 confiné sous une pression d'un bar, a permis d'obtenir des résultats de localisation en régime proportionnel, au moyen d'une lame de 4054 t d'épaisseur à laquelle était appliquée'une tension positive de 3 700 volts, pour un rayonnement X de 8 Ke V d'é- nergie. Des résultats particulièrement satisfaisants ont été obtenus en régime de fonctionnnement, dit de sillages lumineux au- tocoupants, en mettant en oeuvre les moyens suivants - fluide gazeux argon eo 60 % éthane 25 % formaldéhyde-diméthylacétal 15 % pression 2 bars épaisseur de la lame 40 t tension 7 000 volts Avec des conditions telles que ci-dessus, une résolu- tion spatiale à mi-hauteur de 180/m a été obtenue,-soit, dans cette expérience, une résolution angulaire de 0,05 . Les résultats ci-dessus ont été obtenus en utilisant un corps 1 en st 9 salit avec une face avant en aluminium pour rigi- difier l'ensemble. Dans ces réalisations, la lame conductrice possédait une longueur linéaire de 25 cm et était conformée selon un rayon de courbure de 20 cm. La lame 7 décrite ci-avant peut comporter une arête active 8 conformée de différentes façons Cette arête 8 peut &tre effilée (fig 5), à bords francs (fig 6) ou arrondie. L'arête 8 peut aussi être constituée par un fil 81 rap- porte de toute façon convenable, notamment par collage sur une lame 71, comme illustré par la fig 7. Il peut aussi être retenu de constituer l'arête 8 en conformant une lame 72 autour d'un fil 82 $ comme cela est illustré par la fig 8. Les exemples ci-dessus ne sont donnés qu'à titre non limitatif car d'autres géométries peuvent être retenues pour faire assumer à l'anode courbe les deux fonctions de l'invention, savoir pour la lame 7, le support de l'arête 8 et le main- tien de la courbure désirée sans perturber outre me- sure le champ électrique, pour l'arête 8, le lieu o le champ électrique est très intense et provoque le phénomène d'avalanche. Dans ce qui précède, il est indiqué que l'objet de l'in- vention permet une détection de position monodimensionnelle, Il est possible de réaliser un détecteur courbe en vue d'une détection bidimensionnelle en adoptant une structure telle que celle représentée schématiquement par la fig 9 Selon cette figure, le'détecteur comprend, à l'intérieur de l'enceinte étanche un support isolant 24 maintenant N lames courbes 7 a, par exemple par encastrement Les lames 7 a sont parallèles entre elles et dirigées pour que leur plan soit parallèle ou sensiblement parallèle à la direction de propagation d'une particule ou d'un rayonnement. Chaque lame 7 a présente, face au sens de propagation, une arête 8 a courbe en général concave. La détermination de la lame 7 a qui a reçu l'avalanche fournit, par le traitement de l'impulsion électronique négative qui s'y déclenchela localisation dans la dimension X. La localisation dans la dimension Y est obtenue, comme dans l'exemple précèdent, en mettant en oeuvre une structure 25 de bandes cathodes llas'étendant parallèlement aux arêtes 8 a selon une direction orthogonale à celle des-lames 7 a Les bandes cathodes lia sont, par exemple, portées par un support 26 mince isolant et sont reliées à une ligne à retard 13 a La structure est disposée en amont des arêtes 8 a par rapport au sens de propagation selon la flèche f. ;L'invention n'est pas limitée aux exemples décrits et représentés car diverses modifications peuvent y être apportées sans sortir de son cadre. REVENDICATIONS I Détecteur gaz eux courbe à lame du type comprenant un corps courbe ( 1) définissant une enceinte-( 2) contenant un fluide gazeux sous une certaine pression, délimitant une fenêtre d'entrée ( 4) d'un rayonnement à détecter et comportant, intérieurement, au moins un élément allongé ( 7) parallèle à des électrodes de-catho- de dont l'une peut être confondue avec la fenêtre, isolé du corps, porté à un potentiel positif élevé et formant un capteur d'ava- lanche d'électrons crdée par l'impact d'une particule ou rayonne- ment amené à traverser le fluide gazeux, caractérisé en ce que le capteur ( 7) est constitué par une structure du type à au moins une lame conductrice courbe maintenue par le corps pour faire saillie dans l'enceinte et pro- sentant une de ses arêtes longitudinales ( 8) parallèlement à l'axe de la fenêtre. 2 Détecteur gazeux selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend une lame courbée selon un rayon de courbure perpendiculaire à son plan. 3 Détecteur gazeux selon la revendication 1, carac- térisé en ce qu'il comprend N lames parallèles entre elles et à la direction de rayonnement et offrant chacune une arête courbe face au sens de propagation dudit rayonnement. 4 Détecteur gazeux selon la revendication 1, 2 ou 3, caractérisé en ce que la lame conductrice ( 7) présente une épaisseur comprise entre 10 et 100 l. Détecteur gazeux selon l'une des revendications 1 à 4, caractérise en ce que la lame ( 7) est portée par un corps ( 1) en matière isolante comportant un revêtement conducteur ( 14) sur les faces internes des parois autres que celles supportant la lame, revêtement formant une partie de la cathode. 6 Détecteur gazeux selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la lame ( 7) est portée par un support ( 15) en matière isolante adapté dans un corps en matière conductrice. 7 Détecteur gazeux selon la revendication 1 Lou 2, caractérisé en ce que la lame conductrice ( 7) s'étend parallèlement à et entre, d'une part, la fenêtre d'entrée ( 4) et, d'autre part, une pluralité de bandes cathodes ( 11) conductrices parall-les entre elles, de direction orthogonale à celle de la lame et reliées à une ligne à retard ( 13), le rayon de courbure de ladite lame étant per- pendiculaire à son plan. 8 Détecteur gazeux selon la revendication 7, carac- térisé en ce que la lame ( 7) est portée par un support ( 17) réalisé en deux demi-parties complémentaires ( 18 a-18 b) immobilisant la lame et lui conférant la courbure choisie, 9 Détecteur gazeux selon la revendication 3, carac- térisé en ce que les lames parallèles s'étendent parallèlement à une structure cathode placée en amont des lames par rapport au sens de propagation de la particuie ou du rayonnement.