Brevet FR2543691A1 — publié le 19841005

L'invention concerne des détecteurs destinés i dé- tecter la position d'une radiation ionisante et elle décrit une manière innovatrice pour construire des détecteurs de position fonctionnant dans un simple mode de détection de particules. En particulier, l'invention décrit en détail un certain nombre de dispositifs utilisant un matériau scintil lant comme support de détection Dans un grand nombre d'applications de la physique nucléaire, de la médecine (c'est-à-dire, de la mise en image médicale), la définition avec une bonne précision d'une position d'interaction de particules à l'intérieur d'un support de détection a une grande importance.Tout détecteur de radiation est constitué d'un support de détection (c'est-a-dire, un matériau scintillant, un semiconducteur, un gaz ionisant, etc.) dans lequel a lieu l'interaction initiale avec une particule, et de dispositifs de lecture qui reçoivent amplifient etvalident les signaux créés pendant l'interaction initiale. Dans les détecteurs de position construits pour dater les informations de position on opère soit en affectant des moyens de lecture séparés à chaque élément de résolution de position, soit en divisant le signal reçu entre différents dispositifs de lectures Le premier procédé augmente le coût du dispositif, le second implique une intensité de signal en rapport et rend la validation de signal plus difficile La conception commune d'un canal de détecteur scin- tillant incorpore un certain volume d'un matériau scintillant plus un tube photomultiplicateur (PMT), suivi d'un moyen électronique destiné à amplifier, valider et enregistrer le signal.Pour le détecteur complètement exposé, la résolution de position est limitée par les dimensions du matériau scin- tillant (scintillateur). Un procédé utilisé pour améliorer la résolution de position est d'utiliser des détecteurs plus petits et d'aug- menter le nombre de canaux incluant des scintillateurs, des tubes PMT et des circuits électroniques. Le principal inconvénient de ce procédé est le cout, généralement proportionnel au nombre de canaux de détection couvrant une certaine zone de détection. Un autre procédé utilisé pour améliorer la ré- solution de position est d'associer un scintillateur à un ensemble de tubes PMT et de définir le lieu de scintillation par division de lumière.On a proposé différentes approches analogiques et numériques dans lesquelles l'augmentation de coût était modérée en partageant les tubes PMT et les circuits électroniques entre un certain nombre de scintillateurs ou d'éléments de résolution. Toutes ces approches ont l'inconvénient que la petite quantité de lumière disponible initialement doit être encore divisée, ce qui diminue la précision de définition des caractéristiques énergétiques et temporelles des photons reçus. La présente invention fournit un nouveau procédé pour obtenir des informations de position à partir de détecteurs de radiation ionisante. En particulier, l'invention rend possible pour des détecteurs de scintillation le partage de tubes PMT et de circuits électroniques pour un certain nombre d'éléments de résolution, la quantité totale de lumiè- re étant utilise par un simple photomultiplicateur. Un but de l'invention est de fournir un moyen éco- nomique pour améliorer la résolution de position- sans dété- riorer la validation de signal (c'est-à-dire, la résolution énergétique et temporelle). Selon l'invention, la forme du signal créé dans le support de détection à la suite d'une interaction avec la particule détectée est rendue une fonction de la position d'interaction. Cela peut être réalisé en utilisant les carac- téristiques naturelles du support de détection, en utilisant un ensemble de supports de détection avec différents matéri- aux ou en faisant varier l'état chimique ou physique d'un simple support de détection. Les moyens de lecture du détec- teur doivent Incorporer un discrimînateur de forme de signal. Spécifiquement, pour les détecteurs de scintillas tion, la forme de l'impulsion lumineuse de scintillation est contrôlée par la position à laquelle l'interaction d'une particule de radiation (par exemple2 des photons x ou gamma) s'est produite. On le réalise en utilisant un ensemble de scintillateurs constitués de différents matériaux ou en fai- sant varier 11 état chimique ou physique d'un matériau scin- tillant pour un seul scintillateur Belon l'invention, ce ou ces scintillateurs sont couplés à au moins un photomultiplicateur, suivi du circuit électronique destiné à valider et enregistrer le signai Ce circuit électronique comprend un discriminateur de forme d'impulsion dont le signal de sortie définit la position d'interception d'une particule de radiation. Un but de 1' invention est de fournir un. procédé pour déterminer la position d'interaction de radiation dans un détecteur. Un autre but de l'invention est de fournir un dispositif simple pour mettre en oeuvre le procédé précédent, Un autre but encore de l'invention est de fournir un dispositif non coûteux pour mettre en oeuvre le procédé précédent. Un autre but de l'invention est de fournir un détecteur de scintillation pour la détection de position d'interaction de construction simple et de faible coût. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention seront mis en évidence dans la description suivante, donnée à titre d'exemple non limitatif, en référence aux dessins annexés dans lesquels Figure 1 représente la forme d'impulsion obtenue selon le matériau de scintillateur utilisé; Figure 2 représente la forme d'impulsion obtenue dans un scintillateur BGO selon la température du cristal; Figure 3 est un schéma fonctionnel d'un détecteur de position comportant un canal et un ensemble de scintillateurs; Figure 4 est un schéma fonctionnel d'un détecteur de position comme sur la Figure 3 mais comportant deux cristaux BGO maintenus à des températures différentes; ; Figure SA est un schéma fonctionnel d'une structure spécifique de discriminateur de forme d'impulsion destiné à mesurer la constante de temps de chute d'inipulsion; Figure 5B est une courbe qui indique la période d'intégration entre un niveau préréglé et après un temps préré glé; Figure 6 est un schéma fonctionnel semblable à celui de la Figure 4 mais qui incorpore différents matériaux scintillants dans les cristaux; Figure 7 est un schéma fonctionnel semblable à celui de la Figure 4 mais avec un seul scintillateur ayant des caractéristiques de scintillation variant le long de celui-ci; et Figure 8 est un schéma fonctionnel semblable à celui de la Figure 4 mais qui incorpore un cristal BGO avec un gradient de température à travers celui-ci. Pendant l'interaction d'une particule ionisante avec un support de détection, un signal est créé dans le support proprement dit à la suite d'un transfert d'énergie de la particule jusqu'au support. Ce signal peut avoir un carac stère différent comme les photons lumineux, les phonons sonores, les charges électriques, etc. Après réception du signal, celui-ci est généralement converti en un signal électrique commode et il est en outre amplifié et validé. Si le détec- teur fonctionne dans un simple mode de détection de particules, an peut observer une impulsion de signal reflétant les caractéristiques du support de détection et son état chimique et physique. Spécifiquement, pour des détecteurs scintillants, pendant l'interception de particules (par exemple, des rayons x ou gamma) par un scintillateur, un grand nombre de photons lumineux sont libérés. Les photons atteignant la cathode du tube PMT sont convertis en impulsions de courant, qui sont in dégrées jusqu'à un certain degré par le tube PMT proprement dit et par l'amplificateur. L'impulsion de courant observée à la sortie de l'amplificateur est généralement appelée une impulsion lumineuse. La forme de signal, ou spécifiquement le terme de forme d'impulsion lumineuse utilisé dans la suite, doit être considérée statistiquement. Cela signifie qu'une fonction de certaines caractéristiques choisies de l'impulsion de signal (c'est-à-dire, la constante de temps de chute, la constante de temps de montée, l'amplitude) doit être traitée comme une variable aléatoire. Des variations de la forme d'impulsion signifient simplement une variation de la répartition de cette variable. La forme du signal est fonction de la répartition dans le temps des photons, phonons, charges, etc. libérés. Dans certains eas, cette forme peut entre naturellement fonction de la position d'interaction. Dans d'autres cas, le choix du support de détection ou la modification de l'état chimique ou physique du support établit 14 dépendance voulue. Spécifiquement, la forme de l'impulsion lumineuse est fonction de la répartition des photons libérés qui est une caractéristique du matériau de scintillation et de son état chimique et physique. La Figure 1 représente la forme d'impulsion obtenue selon le matériau scintillant utilisé. Des impulsions typiques sont représentées pour différents ma- tériaux utilisés actuellement. La Figure 2 représente la forme d'impulsion obtenue dans un scintillateur BGO selon la température du cristal. On notera que le temps de chute augmente pour une température inférieure L'art antérieur indique qu'on peut faire varier le signal de sortie d'un scintillateur par l'application de champs électromagnétiques. En faisant varier le dopage chimique, en appliquant une pression, des ultrasons, ou des fréquences radio, etc., on peut faire varier les caractéristiques d'un scintillateur et ainsi la forme de l'impulsion lumineuse engendrée. sur la Figure 3, le canal de détecteur de position comprend un ensemble 10 de (N) scintillateurs produisant cha- cun une forme d'impulsion lumineuse différente. Les scintillateurs sont couplés de préférence à un tube PST unique suivi du circuit électronique 14 pour amplifier, valider et enregistrer le signal. Le moyen de validation (que l'on considère généralement constitué par des discriminateurs d'énergie ou de temps) comprend un discriminateur de forme d'impulsion spécial 13 comportant N états de sortie imposés selon le scintillateur rendu actif. Les Figures 4 et 5 représentent des structures spé- civiques qui sont des variantes du cas général décrit plus haut. Sur la Figure 4, l'étage de scintillation 10 est cons- titué par deux cristaux BGO, maintenus chacun à des températures différentes telles que la différence de température est supérieure i 25 C. Les impulsions produites par les deux cristaux ont des formes différentes comme le montre la Figure 2, c'est-à=dire des temps de chute différents. La Figure 5 représente le schéma fonctionnel d'un discriminateur de forme d'impulsion utilisé dans cette structure spécifique. Le discriminateur est constitué d'un détecteur de niveau 15, d'un dispositif de minutage 17, d'un intégrateur 16 et d'un discriminateur de niveau de sortie 18. L'intégration commen- ce quand le bord descendant va au-dessous d'un niveau préré- glé et se termine après un temps préréglé (T2 - T1). En raison de la forme approximativement exponentielle du bord descendant de l'impulsion, le signal de sortie,de l'intégrateur est presque indépendant de l'amplitude d'impulsion d'entrée mais il est très dépendant de la constante de temps de chute d'impulsion. Une autre conception spécifique du cas général représenté sur la Figure 3 consisterait à utiliser différents matériaux scintillants comme on l'a représenté sur la Figure 6. La variation de l'état physique ou chimique du scintillateur peut être produite à l'intérieur du meme corps scintillant que sur la Figure 7. La différence entre les Fi- gures 3 et 7 est que, au lieu d'avoir un ensemble de scintil- lateurs, on utilise un seul scintillateur 10 avec une variant tion continue ou discontinue des caractéristiques de scintil- lateur.Il est évident qu'on peut concevoir des structures combinant les deu structures représentées sur les Figures 3 et 7 Une structure spécifique utilisant la conception générale représentée sur la Figure 7 est représentée sur la Figure 8. Dans ce cas, on crée un gradient de température C travers un seul cristal BGO. Le temps de chute de l'impulsion lumineuse varie graduellement à travers le cristal en fonc- tion de la position d'interception de rayon Le discriminateur de forme d'impulsion h3 prend à nouveau l'un des N états de sortie en fonction de la valeur du temps de chute d'impulsion détecté. Pareillement, une variation continue d'un paramètre de scintillateur peut être le résultat d'un dopage chimique, d'un champ électromagnétique, etc Ainsi, l'invention fournit un paramètre, dont la valeur varie d'une position à une autre à l'intérieur du support, et elle peut comprendre A. L'utilisation d'un support sous la forme d'un scintillateur. B. L'utilisation d'un ensemble de détecteurs dont les paramètres séparés diffèrent de l'un aux autres. C. L'utilisation de paramètres qui sont fonction de l'état physique ou de la composition chimique du support, y compris de sa température. D. L'utilisation de paramètres variant à travers le support dont les valeurs sont fonction en position du dopage, de 1'application d'un champ électrique ou d'ultrasons. Dtautres exemples de réalisation de l'invention peuvent être envisagées par l'homme de l'art sans sortir pour autant du cadre de l'invention telle qu'elle est définie dans les revendications qui suivent. REVENDICATIONS 1. Détecteur pour la détection de position d'une radiation ionisante, caractérisé en ce qu'il comprend un support de détection (10) dont au moins un paramètre a une valeur qui varie d'une position à une autre à l'intérieur du support d'une manière prédéterminée, le support produisant une impulsion de signal à la suite d'une interaction de ce support avec une radiation ionisante, l'impulsion de signal ayant une caractéristique qui est fonction de la valeur dudit paramètre, et des moyens (13) pour évaluer la caractéristique de l'impulsion de signal pour déterminer ainsi la position de l'interaction avec la particule. 2. Détecteur de position selon la revendication 1, caractérisé en ce que le support de détection (1Q) est un scintillateur. 3. Détecteur de position selon la revendication 1, caractérisé en ce que le support (10) est un simple corps et en ce que le paramètre varie d'une position à une autre à travers le support, 4. Détecteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le support (10) comprend un ensemble de détecteurs, les valeurs du paramètre dans chacun de l'ensemble des détecteurs différant, la position de l'interaction étant détermi née par celles-ci. 5. Détecteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens pour évaluer la caractéristique de l'is- pulsion de signal sont constitués par un dîscriminateur de forme d'impulsion (13). 6. Détecteur selon l'une quelconque des revendica tions 1 à 3, caractérisé en ce que le paramètre est l'état physique du support (10). 7. Détecteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le paramètre est la composition chimique du support (10). 8. Détecteur selon la revendication 6, caractérisé en ce que l'état physique du support (10) est la température. 9. Détecteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les différences de valeur du paramètre à travers le support (10) sont obtenues selon la position en fonction d'un ou de plusieurs paramètres sui vants : un dopage, un champ électrique, une pression et des ultrasons. 10. Détecteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la caractéristique est un temps de chute d'impulsion. 11. Détecteur selon la revendication 10, caract- risé en ce que les impulsions de signal provenant de chaque détecteur ont un temps de chute distinctif et en ce que le discriminateur de forme d'impulsion (13) évalue la chute d'amplitude de chaque impulsion pendant une période prédéter- minée commençant au moment ou l'impulsion est descendue jus qu'à un niveau prédéterminé. 12. Détecteur selon l'une des revendications 2 ou 3, caractérisé en ce qu'il comprend en outre un tube photomultiplicateur PMT recevant le signal de sortie du détecteur, et un amplificateur (12) comportant une entre pour recevoir le signal de sortie du tube photomultiplicateur et une sortie pour envoyer un signal à un discriminateur de for- me d'impulsion (13). 13. Détecteur selon l'une des revendications 2 ou 4, caractérisé en ce qu'il comprend en outre un tube photomultiplicateur PST ayant une entrée pour recevoir le signal de sortie des détecteurs, et un amplificateur (12) ayant une entre pour rece- voir le signal de sortie du tube photomultiplicateur et une sortie pour envoyer un signal à un discriminateur de forme d'impulsion (13).