Brevet FR2620236A1 — publié le 19890310

DETECTEUR DE RADIATIONS La présente invention concerne un détecteur de radiations convenant pour être utilisé, par exemple, dans un dispositif pour tomographie axiale informatisé A positrons (appelée plus simplement TC a positrons) pour mesurer la répartition cu distribution d'un nucléide émettant des positions et administré à un corps humain. Un dispositif de TC à positrons est un dispositif destiné à présenter les résultats de mesure dans des images obtenues par administration d'un isotope (IR) émettant des positions, tels que 11C, 13N, 150, 18F, ou analogue, à un patient, par détection des rayons (511 KeV), émis dans des directions opposées, à l'aide de deux détecteurs de radiations disposés simultanément autour du patient, et par mesure de la répartition de cet IR dans le patient. Jusqu'à présent, pour améliorer la résolution spatiale de la TC A positrcns, on a proposé d'utiliser un détecteur de radiations du type à multicanaux dans lequel un scintillateur A monocristal de GSO (silicate de gadolinium dopé avec du cérium Gd2Si05;Ce) et un scintillateur à monocristal de EGO (germanate de bismuth Bi4Ge3012) sont combinés chacun avec un tube multiplicateur (L. Eriksson et al: IEEE Trans. Nucl. Sci., vol 33, No.1, pp 446-451 (1986)). Du fait que le temps de déclin de luminescence de EGO est de 300 ns et que celui de GSO est de 60 ns, il est possible de déterminer lequel des scintillateurs, a BG0 ou à GSO, transmet une radiation grâce à la différence du temps de déclin de luminescence dans un tel détecteur de radiation du type è multicanaux. Mais, dans ce cas, la résolution temporelle est faible, du fait qu'elle est déterminée par le scintillateur à BGO dont le temps de déclin de luminescence est plus long. Par conséquent, il existe un problème en ce sens que l'effet procuré par l'utilisation du scintillateur à GSO dont le temps de déclin de luminescence est très court, est faible. Pour améliorer la résolution temporelle de la IC à positrons, il est nécessaire d'utiliser une combinaison de deux types de scintillateurs présentant un temps de déclin de luminescence très court et, en même temps, des temps de déclin de luminescence différents. Nais on n'a trouvé aucune combinaison de scintillateurs ayant de telles propriétés. Par ailleurs, comme scintillateur présentant un temps bref de déclin de luminescence que l'on peut modifier à l'aide de la concentration d'un élément dopant, on connait CaF2 dopé avec Ce (B. Jone, et al: Nucl. Instr. and keth., vol. 143, p 487 (1977)). Mais ce scintillateur ne peut pas être utilisé dans la pratique, étant donné que la puissance lumineuse de sortie peut aussi être modifiée par la quantité de Ce en tant que dopant. En outre, du fait que ce scintillateur a un faible coefficient d'absorption des rayons X ou des rayons, en raison de son petit numéro atomique effectif et de sa faible densité, la résolution temporelle est encore plus mauvaise quand on utilise ce scintillateur avec un dispositif de TC à pcsitrons. Un objet de la présente invention est de fournir un détecteur de radiations perfectionné à la fois en ce qui concerne la résolution spatiale et la résolution temporelle quand on l'utilise avec un dispositif de TC à positrons. La présente invention permet de réaliser un détecteur de radiations comprenant un scintillateur et un photodétecteur pour détecter la lumière de ce scinitillateur, ledit scintillateur comprenant une combinaison de deux ou plus de deux monocristaux de silicate de gadolinium dopé par du cérium et représenté par la formule: Gd2(1-x)Ce2xSiO5 (I) ou x se situe dans l'intervalle 5 x 10-4 À x C 1 x 10-2, et présentant des valeurs de x différentes dans cette formule (I). La présente invention permet de réaliser aussi un détecteur de radiations comprenant un scintillateur et un photodétecteur pour détecter la lumière de ce scintillateur, ledit scintillateur comprenant un monocristal de silicate de gadolinium dopé avec du cérium et représenté par la formule: Gd2(1-x)ce2xSiO5 (I) c x se situe dans l'intervalle 5 x 10-4 et la valeur de x étant modifiée dans le mcnocristal. La figure 1 est un graphique montrant la relation entre la quantité ajoutée de Ce (x) et le temps de déclin de luminescence. Les figures 2(a) et 2(b) sont des graphiques montrant respectivement les relations entre la concentration de Ce, le temps de déclin de luminescence et les distances par rapport aux c6tés avant des scintillateurs 1 et 1'; et la figure 3 est une vue en perspective d'un détecteur de radiations comprenant un scintillateur et un photodétecteur. Le détecteur de radiations de la présente invention est caractérisé par l'utilisation d'un scintillateur spécial que l'on va expliquer en se référant a la figure 1. La figure 1 est un graphique montrant la relation entre la quantité ajoutée de Ce (x) et le temps de déclin de luminescence d'un scintillateur réalisé A partir d'un monocristal de silicate de gadolinium dopé avec-du cérium (GSO) représenté par la formule: Gd2(l-x)Ce2xSiO5 (I) o x est modifié de 3 x 10-4 à 2 x 10-2. Comme on peut le voir sur la figure 1, quand x est égal à 3 x 10-4, le temps de déclin de luminescence devient 350 ns, ce temps étant fâcheusement plus long que celui obtenu avec le scintillateur a BGO. Par ailleurs, quand x est égal a 1,5 x 10-2 ou plus, le cristal est coloré, de sorte que la puissance de sortie lumineuse est plus faible. Par conséquent, la valeur préférable de x se situe entre 5 x 10-4 et 1 x 10-2 (5 x 10-4 x Z 1 x 10-2). Les valeurs apparaissant sur la figure 1 peuvent être mises en tableau comme suit: TABLEAU 1 x dans la Temps de déclin formule (I) de luminescence x 10-4 220 I 1,5 x 10-3 100 2,5 x 10-3 80l x 10-3 60 1 x 1o-2 J 40 l 1,5 x 10-2 30 On peut obtenir le monocristal de silicate de gadolinium dopé avec du cérium (GSO) de la formule (I) par croissance à partir d'un bain de fusion à l'aide du procédé Czochralski. Par exemple, un scintillateur réalisé avec un monocristal de GSO de la formule (I), o x est égal à 1,5 x 10-3, présente un temps de déclin de luminescence de 100 ns, tandis que celui réalisé avec un monocristal de GSO de la formule (I), o x est égal à 5 x 10-3, présente un temps de déclin de luminescence de 60 ns. Quand un scintillateur comprenant une combinaison de ces monocristaux est combiné avec un tube photomultiplicateur, comme représenté sur la figure 3, et utilisé dans un dispositif de TC à positions, la résolution temporelle se trouve améliorée de façon remarquable par rapport à un détecteur de radiations classique du type à multicanaux, dans lequel on utilise la combinaison GSO-BGO. La figure 3 est une vue en perspective d'un détecteur de radiations dans lequel la référence 5 désigne un monocristal de GSO dont x = 1,5 x 10-3 et la référence 6 un monocristal de GSO dont x = 5 x 10-3, et la référence 7 désigne un tube photomultiplicateur. Dans la présente invention, deux ou plus de deux monocristaux de GSO correspondant à la formule (I), o x a une valeur comprise entre 5 x 10-4 et 1 x 10-2 et présentant des valeurs de x différentes, sont utilisés en combinaison pour former un scintillateur. La ccmbinaison de deux ou plus de deux monocristaux de GSO correspondant à la formule (I) présentant des valeurs différentes de x, exige, dans une certaine mesure, une différence de temps de déclin de luminescence pour fixer la résolution spatiale. Cette différence dépend des performances du photodétecteur et une différence d'environ 20% de la valeur de x est suffisante si on prend en considération les performances des photodétecteurs actuels. Par conséquent, il est important de choisir des valeurs convenables de x pour deux ou plus de deux monocristaux de GS0O correspondant à la formule (I) afin de porter la différence des valeurs de x à 20% ou plus. En utilisant le détecteur de radiations de la présente invention dans un dispositif de TC à positrons, il est possible d'améliorer non seulement la résolution spatiale et la résolution temporelle simultanément, mais également la résolution spatiale due aux propriétés telles que le coefficient d'absorption de radiations, etc., étant donné que la matrice du scintillateur est formée des mêmes matériaux qui ne diffèrent que par les valeurs de x. Il est également possible d'utiliser comme scintillateur un cu plusieurs monocristaux autres que ceux mentionnés ci-dessus en plus de la combinaison de deux ou plus de deux monocristaux de GSO correspondant à la formule (I), présentant des valeurs de x différentes. Du fait que la plage de variation du temps de déclin de luminescence, qui est dû à la quantité de Ce dans le monocristal de GS0, est limitée quand on utilise comme scintillateur la combinaison de deux ou plus de deux monocristaux de GSO correspondant a la formule (I) présentant des valeurs de x différentes, la réalisation d'un détecteur de radiations du type à multicanaux comportant trois ou plus de trois canaux a tendance a être difficile. En particulier, quand les monocristaux de GSO sont combinés avec un ou plusieurs scintillateurs présentant un temps de déclin de luminescence de 60 ns ou moins, ou bien un temps de déclin de luminescence supérieur à 220 ns, il est possible d'obtenir un détecteur de radiations du type à multicanaux comportant trois canaux ou plus. Des exemples de monocristaux donnant le temps de déclin de luminescence inférieur à 60 ns et utilisés comme scintillateur sont CsF, BaF2, scintillateur en matière plastique, etc. Des exemples de monocristaux donnant le temps de déclin de luminescence supérieur à 220 ns et utilisés comme scintillateur sont CsI:Tl, Bi4Ge3012, Cd ;04, NaI:Tl, CaF2:Ev, KI:T1, Ca ,04, Znl.O4, etc. Comme on l'a mentionné ci-dessus, un scintillateur que l'on réalise en utilisant un monocristal de GSO correspondant à la formule (I), o x est égal à 1,5 x 10-3, présente un temps de déclin de luminescence de 100 ns et celui que l'on réalise en utilisant un monocristal de GSOC correspondant à la formule (I), ou x est égal à 5 x 10-3, présente un temps de déclin de luminescence de 60 ns. D'autre part, un scintillateur que l'on réalise en utilisant un monocristal de Bi4Ge3012 obtenu à l'aide du procédé Czochralski présente un temps de déclin de luminescence de 300 ns. Quand ces trois scintillateurs sont reliés à un tube phlotomultiplicateur, il est possible de déterminer quel est le scintillateur qui transmet la radiation. En utilisant comme scintillateur un ou plusieurs monocristaux présentant le temps de déclin de luminescence de 60 ns ou moins, ou le temps de déclin de luminescence supérieur a 220 ns en plus de la combinaison de deux ou plus de deux monocristaux de GSO, correspondant à la formule (I) dont les valeurs de x sont différentes, il est possible de choisir le temps de déclin de luminescence dans une large plage, afin d'améliorer encore les propriétés du détecteur de radiations de la présente invention. Dans la présente invention, il est également possible d'utiliser comme scintillateur un monocristal de GSO, correspondant à la formule (I) o la valeur de x varie dans le mcnocristal, de préférence de 20% ou plus. Grâce à l'utilisation d'un tel monocristal, cn peut améliorer encore la résolution spatiale en comparaison du cas o l'on utilise une pluralité de monocristaux de GSO qui présentent des quantités différentes de Ce ajouté et que l'on soumet à un traitement séparé pour obtenir des scintillateurs, et on peut améliorer le traitement compliqué des cristaux. En modifiant la quantité de Ce ajouté au monocristal de GSO correspondant a la formule (I), on peut modifier facultativement, de façon répartie, le temps de déclin de luminescence dans le monocristal et, de ce fait, améliorer facilement la résolution spatiale. On peut expliquer ce phénomène en se référant à la figure 2(a) et à la figure 2(b) qui sont des graphiques montrant les relations entre la concentration utilisable de Ce, le temps de déclin de luminescence et la distance par rapport au côté avant du scintillateur 1 ou du scintillateur 1'. La figure 2(a) montre un cas dans lequel la quantité ajoutée (concentration) de Ce est modifiée de façon progressive. La figure 2(b) montre un cas dans lequel la quantité ajoutée (concentration) de Ce est modifiée par degrés. Par exemple, si on fait croître à l'aide du procédé de Czochralski un monocristal de Gd2(l-x)ce2xsio5 ou x est modifié de façon continue de 1,5 x 10-2 jusqu'à 5 x 10-3, et si on utilise ce monocristal pour réaliser un scintillateur, celui-ci présente un temps de déclin de luminiescence de ns dans la partie haute et 60 ns dans la partie basse, et ce temps de déclin varie de façon continue entre deux valeurs, comme représenté sur la figure 2(a). Sur les figures 2(a) et 2(b) , les références 1 et 1' désignent des scintillateurs, les références 2 et 2' des photodétecteurs, les références 3 et 3' les courbes de distribution de concentration de Ce et les références 4 et 4' les courbes de distribution du temps de déclin de luminescence. Quand on utilise un tel scintillateur a monocristal de GSO du type a distribution de concentration de Ce dans un détecteur de radiations du type multicanaux auquel on a, en outre, recours dans une TC à positrons, la résolution spatiale se trouve améliorée de façon remarquable. En particulier, quand un tel détecteur de radiations est appliqué à une TC à multicanaux qui exige une résolution spatiale plus élevée, l'effet est très important. Selon les besoins, on peut utiliser le scintillateur à monocristal de GSO du type distribution de concentration de Ce en combinaison avec des scintillateurs du type a distribution ou du type classique comme second et troisième scintillateurs. REVENDICATIONS 1. Détecteur de radiations comprenant un scintillateur (1;1') et un photodétecteur (2;2') pour détecter la lumière de ce scintillateur, caractérisé en ce que le scintillateur comprend une combinaison de deux ou plus de deux monocristaux (5;6) de silicate de gadolinium dopé avec du cérium et représentés par la formule: Gd2(1-x)Ce2xSiO5 (I) ou x se situe dans l'intervalle 5 x 10-4 C x C 1 x 10-2, et présentant des valeurs de x différentes dans cette formule (I). 2. Détecteur de radiations selon la revendication 1, caractérisé en ce que la différence des valeurs de x dans la formule (I) est déterminée de manière à être de 20% au plus. 3. Détecteur de radiations selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'un des monocristaux présente une valeur de x de 5 x 10-3 et l'autre monocristal présente une valeur de x de 1,5 x -3; 4. Détecteur de radiations selon la revendication 1, caractérisé en ce que le scintillateur comprend, en outre, un ou plusieurs monocristaux autres que ceux définis dans la revendication 1. 5. Détecteur de radiations selon la revendication 4, caractérisé en ce que les monocristaux présentent un temps de déclin de luminescence de 60 ns ou moins ou un temps de déclin de luminescence supérieur à 220 ns. 6. Détecteur de radiations selon la revendication 5, caractérisé en ce que le monocristal présentant un temps de déclin de luminescence de 60 ns ou moins est CsF, BaF2, ou un scintillateur en matière plastique. 7. Détecteur de radiations selon la revendication 5, caractérisé en ce que le monocristal présentant un temps de déclin de luminescence supérieur à 220 ns est CsI:Tl, Bi4Ge3012, CdkO4, NaI:Tl, CaF2:Ev, KI:Tl, CaVl04 ou Znl'04. 8. Détecteur de radiations comprenant un scintillateur (1;1') et un photodétecteur (2;2') pour détecter la lumière venant de ce scintillateur, caractérisé en ce que le scintillateur comprend un monocristal de silicate de gadolinium dopé avec du cérium et représenté par la formule: Gd2(1-x)Ce2xSiO5 (I) o x se situe dans l'intervalle 5 x 10-4 Z x la valeur de x changeant dans le monocristal. 9. Détecteur de radiations selon la revendication 8, caractérisé en ce que la valeur de x change de façon continue dans le monocristal. 10. Détecteur de radiations selon la revendication 8, caractérisé en ce que la valeur de x change par degrés. 11. Détecteur de radiations selon la revendication 8, caractérisé en ce que la valeur de x est modifiée de 20% ou plus. 12. Détecteur de radiations selon la revendication 8, caractérisé en ce que le scintillateur comprend, en outre, un ou plusieurs monocristaux autres que ceux définis dans la revendication 8. 13. Détecteur de radiations selon la revendication 12, caractérisé en ce que les monocristaux présentent un temps de déclin de luminescence de 60 ns ou moins, ou un temps de déclin de luminescence supérieur à 220 ns. 14. Détecteur de radiations selon la revendication 13, caractérisé en ce que le monocristal présentant un temps de déclin de luminescence de 60 ns ou moins est CsF, BaF2, ou un scintillateur en matière plastique. 15. Détecteur de radiations selon la revendication 13, caractérisé en ce que le monocristal présentant un temps de déclin de luminescence supérieur a 220 ns est CsI:Tl, Bi4Ge3012, Cd ,C4, NaI:Tl, CaF2:Ev, KI:Tl, Cal;04 ou Zn 04.