Brevet FR2596165A1 — publié le 19870925

DETECTEUR DE RADIATIONS IONISANTES La présente invention concerne un détecteur de radiations ionisantes destiné à mesurer la direction d'arrivée d'une radiation ionisante. - La figure 2 montre un dispositif de détection de radiations ionisantes telles que des rayonsd qui est décrit dans le document Lecture n 483, National Conference of Electronics and Communication Society, 1986. Sur la figure 2, la référence 1 désigne un substrat semiconducteur de type p et la 10 référence 2 désigne une région de type n (région n+) qui est formée dans le substrat semiconducteur de type p, 1. La référence 3 désigne un transistor de précharge destiné à précharger de façon électrostatique la région de type n 2, de façon à lui donner une tension positive, et la tension de grille de ce 15 transistor est commandée par un signal d'entrée appliqué sur une borne 31. La référence 4 désigne un amplificateur de détection destiné à présenter en sortie une tension ayant subi une conversion d'impédance, qui correspond à la variation de tension de la région de type n, 2. La borne 11 du substrat de 20 type p 1 est polarisée à une tension négative par rapport à la tension de la source 32 du transistor de précharge 3 ou à la tension d'alimentation positive 42 de l'amplificateur de détection. Ce détecteur de radiations ionisantes fonctionne de 25 la manière suivante. Tout d'abord, lorsque des rayons a tombent sur la région n+ 2 du détecteur de radiations, comme le montre une flèche A, des paires électron-trou sont créées sous l'effet de l'excitation par l'énergie de la radiation, dans la région situee le long du chemin que suit la radiation incidente. Dans un état dans lequel la région de type n 2 est chargée par le transistor de précharge 3 a une tension positive par rapport 5 au substrat de type p 1, la jonction p-n 12 est polarisée en inverse, et des électrons faisant partie des paires électrontrou excitées par la radiation sont collectés dans la région de type n 2, pour annuler les charges positives qui se trouvent dans cette région, ce qui a pour effet d'abaisser la ten10 sion de la région de type n 2. Cette tension décroissante est soumise à une conversion d'impédance par l'amplificateur de détection 4, et elle est émise sur la borne de sortie 41. La région de type n 2 est à nouveau préchargee à une tension positive par l'intermédiaire du transistor de précharge 3 au bout d'une durée prédéterminee, ce qui permet de détecter les rayons o incidents suivants. Dans le fonctionnement décrit ci-dessus, le nombre de paires électrontrou qui sont produites varie en fonction de l'angle d'incidence des rayons 0, et il en résulte que le 20 courant d'électrons qui entre dans la région de type n 2 varie également. Dans un tel cas, le détecteur de radiations émet une tension qui dépend de la direction d'incidence, et cette tension varie également en fonction de la variation de l'énergie de la radiation incidente. Ceci signifie qu'il n'est pas 25 possible de déterminer la direction d'incidence à partir de l'amplitude de la tension de sortie. Le détecteur de radiations ionisantes de l'art antérieur est construit de la manière qu'on vient d'indiquer, et pour détecter la direction d'arrivée en utilisant ce détecteur 30 il est nécessaire de déterminer si la sensibilité du détecteur présente ou non un caractère directionnel, et de déterminer la direction de sensibilité lorsqu'il est directionnel, ou de rendre le détecteur directionnel en plaçant sur sa surface avant un élément tel qu'un collimateur, lorsqu'il n'est pas directionnel. En outre, pour déterminer la direction d'arrivée, il est nécessaire de connaître la direction d'intensité maximale en effectuant la mesure plusieurs fois en plaçant le détecteur dans diverses orientations. Il est en outre impossible d'utiliser ce procédé dans un cas dans lequel l'intensité de 5 la radiation ionisante incidente varie au cours du temps, du fait que le signal de sortie détecté change sous l'effet de divers facteurs pendant des mesures de direction effectuées à plusieurs moments. Un but de l'invention est de procurer un détecteur 10 de radiations ionisantes perfectionné capable de détecter la direction d'arrivée d'une radiation ionisante, et également capable d'effectuer la détection avec une précision élevée, même en présence de variations de l'intensité de la radiation au cours de temps. La présente invention procure un détecteur de radiations ionisantes capable de détecter la direction d'arrivée d'une radiation, qui comprend: un détecteur de radiations à structure multicouche qui est constitué par un ensemble de détecteurs à structure plane, chacun d'eux comprenant des moyens 20 détecteurs à structure plane constitués par un ensemble de détecteurs élémentaires qui sont disposés régulièrement sur un plan et qui réagissent à une radiation ionisante, et des moyens détecteurs de position qui détectent la position du détecteur élémentaire qui a réagi à la radiation incidente, les 25 détecteurs à structure plane étant disposés de façon qu'il y ait une distance prédéterminée entre eux; et des moyens calculateurs de direction d'arrivée destinés à déterminer la direction d'arrivée de la radiation ionisante, sur la base des signaux de sortie des moyens détecteurs de position respectifs 30 des détecteurs à structure plane respectifs. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre d'un mode de réalisation, donné à titre d'exemple non limitatif. La suite de la description se réfère aux dessins annexés sur lesquels: La figure 1 est une vue en perspective montrant un détecteur de radiations ionisantes qui constitue un mode de réalisation dé l'invention; et La figure 2 est une vue en perspective montrant un détecteur de radiations ionisantes de l'art antérieur. On va maintenant considérer spécialement la figure 1 pour expliquer l'invention en détail. Sur la figure 1, la référence 101 désigne une cellule détectrice qui constitue un détecteur élémentaire, la référence 100 désigne un détecteur de radiations à structure plane qui est obtenu en disposant régulièrement les -cellules détectrices 101 en un réseau bidimensionnel, la référence 102 désigne une région de cellules détectrices disposées de façon régulière et la référence 103 désigne un détecteur de position destiné à détecter les positions des cellules qui ont été traversées par une radiation, ce détecteur se trouvant à la périphérie de la région 102. Les références 200 et 300 désignent des détecteurs de radiations à structure plane ayant la même structure que le détecteur de radiations à structure plane 100, et les différents détecteurs de radiations à structure plane sont empilés les uns sur les 20 autres en étant mutuellement séparés par une distance prédéterminée. La référence 400 désigne un circuit calculateur de direction d'incidence destiné à déterminer la direction d'incidence de la radiation, à partir des positions de passage de 25 la radiation qui sont émises par les circuits détecteurs de position respectifs 103, 203, 303, dans les détecteurs à structure plane respectifs. Ce circuit calculateur de direction d'incidence 400 est établi dans un plan qui est accolé aux plans des détecteurs de radiations à structure plane 100, 30 200 et 300, dans la structure multicouche. Les circuits détecteurs de position 103, 202, 303 et le circuit calculateur de direction d'incidence 400 sont conçus de façon à avoir une faible sensibilité de réponse aux radiations, pour ne pas réagir a la radiation considérée. Les détecteurs de radiations à structure plane 100, , 300 décrits cidessus sont réalisés au moyen d'unemémoire vive dynamique. de type habituel, comprenant des cellules de mémoire disposées de manière plane, qui remplissent la fonction de détecteurs élémentaires, et des décodeurs et des am5 plificateurs de lecture qui fonctionnent conjointement en détecteur de position, en lisant le contenu des cellules de mémoire. En outre, on réalise un détecteur de radiations ' structure multicouche 600 en empilant les détecteurs de radiations à structure plane 100, 200 et 300 sur un substrat semi10 conducteur, avec des pellicules isolantes intercalées entre les détecteurs. On va maintenant décrire le fonctionnement de ce dispositif. Lorsqu'une radiation tombe dans la direction désignée par la flèche A sur la cellule détectrice élémentaire 101 15 qui se trouve dans la couche de détecteur de radiations à structure plane 100 occupant la position la plus élevée, la cellule détectrice élémentaire 101 réagit à la radiation, et sa position (x1, y1) est émise par le circuit détecteur de position 103 qui se trouve dans la couche supérieure 100. Apres 20 avoir traversé la couche supérieure 100 qui est mince, la radiation A tombe sur la cellule détectrice élémentaire 201 dans la seconde couche 200. La cellule détectrice élémentaire 201 réagit alors à la radiation, et sa position (x2, y2) est émise par le circuit détecteur de position 202 qui se trouve dans la seconde couche 200. D'une manière similaire à ce qui précède, une information de position (x3, y3) est émise à partir de la troisième couche 300. Les informations de sortie (x1, Y1} à (x3, y3) des couches à structure plane respectives sont émises par le cir30 cuit détecteur de position 103, 203, 303 des couches respectives, sous la forme de signaux de sortie 104, 105, 204, 205, 304, 305, et ces signaux sont appliqués au circuit calculateur de direction d'incidence 400. Ce circuit 400 calcule la direction d'incidence de la radiation à partir des informations de 35 sortie (x1, y1) à (x3, y3). Par exemple, lorsque x1 = x2 = x3 et Y1 = Y2 = Y3, on détermine que la radiation est arrivée dans une direction perpendiculaire à la surface de la structure multicouche considéree. En outre, lorsque x1 = x2 = x3 et Y Y2 ou Y2 Y3' on détermine que la radiation est venue d'un plan contenant l'axe x et perpendiculaire à la surface de la structure multicouche, et on calcule l'angle d'incidence'a partir de Y1l Y2 et y3. Dans une mémoire vive dynamique, on n'a pas toujours affaire à la situation dans laquelle seules les cellules de 10 mémoire réagissent à la radiation, et il peut arriver qu'une ligne de bit ou une ligne de mot réagisse principalement à la radiation, selon la structure. Ceci signifie qu'on peut déterminer la position d'incidence de la radiation (x, y) au moyen d'une structure obtenue en disposant deux couches de mémoire vive dynamique de façon que les lignes qui réagissent à la radiation, qui consistent en une ligne de bit ou une ligne de mot, soient disposées de façon mutuellement perpendiculaire, et dans un tel cas les deux couches constituent un détecteur de radiations à structure plane qui effectue une opération de 20 détection d'une manière similaire à celle indiquée ci-dessus. En outre, la radiation qui tombe sur une cellule peut avoir une influence non seulement sur cette cellule mais également sur d'autres cellules se trouvant dans le même plan, et dans un tel cas, on ne peut détecter la position d'incidence 25 (x, y) que sous la forme d'une distribution d'intensité. Dans un tel cas, on peut obtenir la direction d'incidence sous la forme d'une fonction de distribution, au moyen d'un dispositif comportant une fonction de calcul permettant de déterminer de telles fonctions de distribution. Dans le mode de réalisation décrit ci-dessus, on utilise une mémoire vive dynamique en tant que détecteur à structure plane, mais on peut également utiliser des détecteurs à structure plane obtenus en disposant de façon régulière d'autres détecteurs élémentaires qui réagissent à la radiation, 35 en employant par exemple une mémoire vive statique, un disposi- tif à couplage de charge ou un réseau logique programmable. Dans le mode de réalisation décrit ci-dessus, on utilise trois couches de détecteurs de radiations à structure plane, mais, théoriquement, deux couches au moins sont suffi5 santes pour constituer une structure multicouche permettant d'atteindre le but de l'invention. En outre, si on augmente. le nombre de cellules détectrices contenues dans le détecteur de radiations à structure plane, ou le nombre de couches de détecteurs de radiations à structure plane, il est possible 10 d'augmenter la précision de la détection de direction. Il est en outre également possible de déterminer l'énergie de la radiation incidente en combinant la valeur du signal de sortie de chaque couche avec le résultat du calcul de la direction d'arrivée, par l'utilisation d'un dispositif 15 ayant une épaisseur accrue pour l'ensemble du détecteur de radiations à structure multicouche, du fait d'un nombre accru de couches de détecteurs de radiations à structure plane, ou d'une distance accrue entre les couches. On peut également utiliser le procéde employé dans 20 le détecteur de radiations ionisantes décrit ci-dessus, pour détecter la direction d'incidence d'un faisceau étroit de rayons infrarouges, en remplaçant les cellules détectrices de chaque structure plane par des circuits sensibles aux rayons infrarouges. Comme le montre de façon évidente la description qui précède, l'invention procure un dispositif destiné à détecter la direction d'arrivée d'une radiation ionisante qui est constitué par un ensemble de détecteurs de radiations à structure plane empilés en une structure multicouche. Ainsi, 30 contrairement à la situation classique dans laquelle on doit effectuer plusieurs fois une mesure en utilisant un dispositif qui présente une sélectivité en ce qui concerne la direction d'incidence, comme par exemple en plaçant le dispositif dans diverses orientations afin de déterminer la direction d'inten35 site maximale, l'invention permet d'effectuer la mesure de di- rection d'arrivée en une courte durée et avec une précision élevée. Elle permet en outre d'effectuer la mesure même dans un cas dans lequel l'intensité de la radiation ionisante incidente varie au cours du temps. Il va de soi que de nombreuses modifications peuvent être apportées au dispositif décrit et représenté, sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1. Détecteur de radiations ionisantes permettant de détecter la direction d'arrivée d'une radiation, caractérisé en ce qu'il comprend: un détecteur de radiations à structure multicouche qui est constitué par un ensemble de détecteurs à structure plane (100, 200, 300), chacun d'eux comprenant des moyens détecteurs à structure plane (102, 202, 302) constitués par un ensemble de détecteurs élémentaires (101, 201, 301) qui sont disposés régulièrement dans un plan 10 et qui réagissent à une radiation ionisante, et des moyens détecteurs de position (103, 203, 303) qui détectent la position du détecteur élémentaire (101, 201, 301) qui a réagi à la radiation incidente, les détecteurs à structure plane (100, 200, 300) étant disposés de façon qu'il y ait une 15 distance prédéterminee entre eux; et des moyens calculateurs de direction d'arrivée (400) destinés à déterminer la direction d'arrivée de la radiation ionisante à partir des signaux de sortie des moyens détecteurs de position respectifs (103, 203, 303) des détecteurs à structure plane respectifs (100, 20 200, 300). 2. Détecteur de radiations ionisantes selon la revendication 1, caractérisé en ce que chaque détecteur de radiations à structure. plane (. 100, 200, 300) est constitué par une mémoire vive dynamique dont une cellule de mémoire cons25 titue le détecteur élémentaire précité (101, 201, 301). 3. Détecteur de radiations ionisantes selon la revendication 1, caractérisé en ce que chaque détecteur de radiations à structure plane (100, 200, 300) comprend deux mémoires vives dynamiques disposées d'une manière telle que des 30 lignes sensibles aux radiations, qui sont soit des lignes de mot soit des lignes de bit des deux mémoires vives dynamiques, qui constituent conjointement le détecteur élémentaire, soient placées de façon mutuellement perpendiculaire. 4. Détecteur de radiations ionisantes selon la re35 vendication 1, caractérisé en ce que les moyens calculateurs de direction d'arrivée (400) sont conçus de façon à déterminer la direction d'arrivée ainsi que le niveau d'énergie de la radiation ionisante.