Brevet FR2638567A1 — publié le 19900504

PROCEDE ET DISPOSITIF DE LOCALISATION BIDIMENSIONNELLE DE PARTICULES NEUTRES. La présente invention concerne notamment un dispositif pour la détection et la localisation de particules dans un flux de particules neutres émises par une source, comprenant: - un convertisseur solide sensiblement plan, propre, sous l'impact de ces particules neutres, à produire des charges électriques; - des moyens d'amplification de charges, destinés à etre portés à un potentiel électrique différent de celui du convertisseur, et à produire une amplification de charges par ionisation stimulée d'un gaz environnant; des moyens de collectage de charges, comprenant des éléments conducteurs électriquement isolés les uns des autres; et, - une enceinte perméable aux particules neutres, renfermant le convertisseur, les moyens d'amplification de charges, les moyens de collectage de charges, et le gaz. Un dispositif de ce type est décrit dans la demande de brevet européen publiée sous le numéro O 228 933. Ce dispositif connu a permis l'obtention d'images de très haute qualité d'objets de dimensions et de densité importantes, irradiés par une source de particules neutres, telles que photons X, photons gamma, ou neutrons, ces objets étant disposés entre la source et le dispositif et explorés par balayage (scanning). L'intérêt manifesté par les spécialistes de l'imagerie pour ce dispositif antérieur a conduit à en rechercher une optimisation, notamment dans le but d'en étendre les applications. En particulier, alors que le dispositif antérieur était conçu pour donner une image par balayage, ce qui impose des contraintes de déplacement relatif de l'objet inspecté par rapport au dispositif, l'un des objectifs de la présente invention était de doter ce dispositif antérieur d'une précision de collectage de charges qui rende possible son adaptation à l'obtention d'images bidimensionnelles directement réalisées sans balayage, et c'est dans ce contexte et avec cette finalité qu'a été conçue la présente invention. Le dispositif de l'invention, destiné à la détection et la localisation de particules dans un flux de particules neutres émises par une source, et comprenant: - un convertisseur solide sensiblement plan, propre, sous l'impact de ces particules neutres, à produire des charges électriques; - des moyens d'amplification de charges, destinés à etre portés à un potentiel électrique différent de celui du convertisseur, et à produire une amplification de charges par ionisation stimulée d'un gaz environnant; - des moyens de collectage de charges, comprenant des éléments conducteurs électriquement isolés les uns des autres; et, - une enceinte perméable aux particules neutres, renfermant le convertisseur, les moyens d'amplification de charges, les moyens de collectage de charges, et le gaz; est essentiellement caractérisé en ce que lesdits moyens d'amplification de charges comportent des lignes électriquement conductrices, distinctes desdits éléments de collectage de charges, en ce que le convertisseur comprend des éléments de conversion électriquement isolés les uns des autres, et en ce que les éléments de collectage de charges comprennent certains au moins de ces éléments de conversion. Alors que les éléments conducteurs de collectage de charges servaient également à l'amplification des charges dans le dispositif antérieur, des moyens d'amplification et de collectage de charges totalement separés sont prévus dans le dispositif de l'invention. Cette disposition particulière permet, en séparant les contraintes de conception qui pèsent sur les moyens d'amplification de charges d'une part et sur les moyens de collectage de charges de l'autre, d'éliminer des compromis qui limitaient la résolution du système connu. En supprimant ces compromis, l'invention étend les possibilités du dispositif connu et permet notamment de le rendre propre à la réalisation d'images bidimensionnelles obtenues sans balayage. Selon un mode de réalisation particulier du dispositif de l'invention, correspondant précisément à cette application, lesdits éléments de conversion propres à assurer le collectage de charges sont constitués de cellules réparties suivant une matrice bidimensionnelle. De préférence, lesdites lignes d'amplification de charges sont des fils fins disposés dans au moins un plan sensiblement parallèle à celui du convertisseur, et sensiblement parallèles les uns aux autres. Dans le cas où les particules neutres utilisées sont des neutrons, les cellules comprennent avantageusement un matériau de conversion choisi dans le groupe comprenant le gadolinium, le bore, et le lithium, tandis que dans le cas ou les particules neutres utilisées sont des rayons X, en particulier des X mous, les cellules comprennent avantageusement un matériau de conversion choisi dans le groupe comprenant le fer, et l'argent. Dans une réalisation industrielle de l'invention, le convertisseur comprend par exemple une plaque isolante dont une face porte les cellules, cette plaque comportant, pour chaque cellule, une traversée mettant cette cellule en contact électrique avec un conducteur aboutissant sur l'autre face de cette plaque. Le procédé de l'invention, qui est destiné à permettre de détecter et de localiser des particules dans un flux de particules neutres émises par une source, et qui comprend les opérations consistant à: - recevoir ces particules sur un convertisseur solide sensiblement plan, et produire ainsi des charges électriques -à partir de ces particules neutres; - amplifier ces charges par ionisation stimulée d'un gaz environnant; et - collecter, en différents emplacements espacés les uns des autres, les charges présentes dans au moins un plan sensiblement parallèle au convertisseur; est essentiellement caractérisé en ce que l'opération de collectage de charges consiste à collecter des charges de polarité opposée à celle des charges qui sont amplifiées par ionisation. De préférence, le collectage des charges est effectué sur le convertisseur lui-meme, ce dernier comprenant à cette fin des éléments électriquement isolés les uns des autres, dont chacun est disposé en l'un desdits emplacements différents, et dont chacun assure le collectage de charges en plus d'une conversion des particules neutres. Les emplacements de collectage forment avantageusement une matrice bidimensionnelle plane, et l'opération d'amplification de charges comprend l'établissement d'au moins un potentiel électrique, différent de celui du convertisseur, le long de plusieurs lignes d'un plan parallèle au convertisseur, et dont chacune correspond de préférence à une rangée de la matrice bidimensionnelle. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront clairement de la description qui en est faite ci-après, à titre indicatif et nullement limitatif, en référence aux dessins annexés, parmi lesquels: - la figure 1 est une vue schématique représentant, en perspective, la mise en oeuvre d'un dispositif conforme à l'invention; - la figure 2 est une vue schématique éclatée d'un dispositif conforme à l'invention; et - la figure 3 est une vue en coupe d'un dispositif de détection utilisable dans le système de la figure 1, faite suivant le plan III-III de la figure 2; La figure 1 représente en 1 une source de particules neutres, par exemple une source de rayons X mous, mais plus typiquement une source de neutrons thermiques dans les applications principales de l'invention. Une partie au moins du flux de particules émis par cette source traverse un objet à examiner 2 et parvient au dispositif 3 sur lequel porte plus. particulièrement la présente invention. Comme le montre plus en détail la figure 2, ce dispositif 3 comprend tout d'abord une enceinte, destinée -à renfermer un gaz et formée d'une embase 4a et d'un couvercle 4b rendus solidaires l'un de l'autre de façon revanche vis-å-vis de l'atmosphère, le couvercle 4b étant en revanche perméable aux particules neutres émises par la source 1, aux neutrons par exemple. Le gaz contenu dans l'enceinte peut etre composé de tout mélange gazeux autorisant l'apparition d'une amplification électronique par ionisation stimulée, par exemple un mélange de 50 pourcent de gaz carbonique et de 50 pourcent d'une substance d'extinction (quencher), tel que l'isobutane, la pression du mélange étant typiquement de l'ordre de un à cinq bars. A l'intérieur de l'enceinte, et parallèlement à l'embase 4a sont disposés: - un convertisseur solide sensiblement plan 5, propre, sous l'impact de ces particules neutres, à produire des charges électriques; - un réseau plan 6 de fils conducteurs tels que 6a, 6b, disposé à distance du convertisseur; - et une grille plane de fils conducteurs 7, elle-meme disposée à distance du réseau 6. Le convertisseur 5 et la grille plane sont reliés à un potentiel électrique de référence, et sont par exemple portés à des potentiels voisins du potentiel de la terre regnant à l'extérieur de l'enceinte. Les fils du réseau plan 6 sont en revanche relies à une source externe de potentiel électrique qui délivre un potentiel positif + V par rapport aux potentiels moyens du convertisseur 5 et de la grille 7, par exemple de l'ordre de 2000 à 7000 volts. Le convertisseur 5 comprend une plaque isolante 8, mieux visible sur la figure 3, et une matrice bidimensionnelle de cellules, telles que 9a, 9b, 9c, disposées sur une face de la plaque 8. Chacune des cellules, telles que 9a, est destinée à fournir un signal représentant un point d'une image bidimensionnelle de l'objet 2. Chacune des cellules fonctionne donc indépendamment de ses voisines, et limage obtenue est constituée d'une matrice de points dont chacun correspond à l'une de ces cellules. L'intensité lumineuse associée à un point de l'image dépend de la quantité de particules reçues par la cellule correspondante, cette quantité étant elle-meme dépendante de l'épaisseur et de la nature du matériau dont est fait l'objet dans l'angle solide délimité par la source d'une part et par la cellule en question d'autre part. Le fonctionnement du dispositif est illustré sur la figure 3. Le trajet ondulé T1 représente celui d'une particule neutre, un neutron par exemple, qui, après avoir été émise par la source 1 et traversé l'objet 2, le couvercle 4b du détecteur, la grille 7 et le plan de fils 6, atteint une cellule 9c du convertisseur 5. Frappée par cette particule neutre, la cellule 9c, constituée d'un matériau adéquat, émet de façon statistiquement observable et reproductible un électron rapide dont la trajectoire est représentée en T2. En traversant l'enceinte, cet électron rapide provoque l'ionisation du gaz sur son parcours, et les électrons ainsi produits dérivent vers le fil le plus proche, par exemple 6c, du réseau 6 sous l'effet du champ électrique résultant de la différence entre les potentiels du convertisseur 5 et du plan de fils 6. Ce mouvement est repéré par les flèches telles que T3 sur la figure 3. Parvenus à quelques diamètres du fil 6c, ces électrons sont très violemment accélerés par le champ électrique, dont la valeur augmente considérablement au voisinage immédiat du fil. Ils acquièrent alors suffisamment d'énergie pour ioniser le gaz à leur tour, provoquant ainsi une amplification électronique. Le phénomène décrit, dont résulte une multiplication considérable de la charge électrique, représentée par le nombre final d'électrons produit par chaque électron rapide, se poursuit jusqu'à ce que toutes les charges négatives créées, autrement dit tous les électrons, aient été collectées par le fil, 6c en l'occurrence. Les ions positifs correspondants, représentant un nombre de charges égal à celui des charges de l'ensemble des électrons créés, s'écartent du fil 6c dont ils sont repoussés en raison de leur charge, et dérivent vers les cathodes les plus proches, constituées par la grille 7 d'une part et par le convertisseur 5 d'autre part. Les ions positifs créés du côte de la grille sont recueillis par cette dernière tandis que ceux créés du côté du convertisseur 5 sont recueillis par une cellule de celui-ci, la cellule 9c en l'occurrence. Leur mouvement est repéré sur la figure 3 par les flèches en pointillé T4. Comme le montre la figure 3, le convertisseur 5 présente une structure en couches supportée par une plaque isolante 8, cette dernière étant par exemple contituée par une carte de circuit imprimé en résine époxy, d'un épaisseur de 3.2 millimètres. La surface supérieure de cette plaque est recouverte d'une couche de cuivre 10, de quelques microns d'épaisseur. Sur la couche de cuivre 10 est déposée une couche de colle conductrice 11, grâce à laquelle l'ensemble peut etre recouvert d'une couche d'un matériau de conversion 12, par exemple une feuille de gadolinium, d'une épaisseur d'un dixième de millimètre, préalablement dorée pour en éviter l'oxydation. Cet empilage de couches 10, 11, et 12, déposé sur la plus grande partie au moins de la surface de la plaque 8, est ensuite découpé, par des traits de fraise scie tels que 13 attaquant la face supérieure de cette plaque, en éléments électriquement isoles les uns des autres, qui constituent les cellules 9a, 9b, 9c, etc. De plus, la plaque isolante 8 comporte, pour chaque cellule telle que 9c, une traversée telle que 14c mettant cette cellule en contact électrique avec un conducteur tel que 15c aboutissant sur l'autre face de la plaque 8. Dans les conditions exposées, les fils tels que 6c jouent le rôle de moyens d'amplification et de collectage de charges négatives, tandis que les cellules jouent à la fois le rôle de moyens de conversion et de moyens de collectage de charges positives. En fait, dans la mesure où le signal utile, pour chaque point de l'image de l'objet, est constitué par le signal électrique présent sur les conducteurs tels que 15c, les seuls moyens de collectage de charges utiles sont constitués par les cellules telles que 9c. De préférence, chaque fil tel que 6c est tendu exactement au-dessus d'une rangée de cellules telles que 9c, celles-ci ayant avantageusement une forme rectangulaire ou carrée. A titre d'exemple, la grille 7 peut etre constituée de fils d'acier inoxydable d'un diamètre de 50 microns chacun, s'entrecroisant à angle droit, suivant un pas de 500 microns, le rôle de cette grille étant de permettre une symétrisation du champ électrique sur les fils tels que 6c. Le plan de fils 6 est réalisé sous la forme d'un tissage sur un cadre isolant de fils de tungstène dorés d'un diamètre de 20 à 100 microns chacun, disposés parallèlement les uns aux autres suivant un pas de 2.54 millimètres. L'ensemble des fils est relié à une source de potentiel électrique extérieur à l'enceinte 3, délivrant une tension de 5000 volts par exemple. La distance entre le plan de fils 6 et le convertisseur 5 d'une part et la distance entre le plan de fils 6 et la grille 7 d'autre part sont de préférence égales et de l'ordre de 1 à 5 millimètres. Les cellules telles que 9c ont par exemple la forme de carrés de 2 millimètres de côté, réalisés au pas de 2.54 millimètres. Le matériau de conversion 12 utilisé dans les cellules telles que 9c est avantageusement constitué de gadolinium dans le cas où les particules neutres émises par la source 1 sont des neutrons thermiques, et de fer ou d'argent dans le cas où ces particules sont des rayons X, en particulier des X mous. Les conducteurs tels que 15c sont d'une part reliés au potentiel de terre par l'intermédiaire de capacités respectives telles que 16c, d'autre part reliés, chacun au moins pendant un intervalle de temps donné, à un dispositif électronique 17, de type connu en soi, dont la fonction est de convertir le signal présent sur chacun de ces conducteurs en un point d'une image vidéo et/ou en une information susceptible d'etre stockée dans une mémoire optique, électronique, ou autre. REVENDICATIONS. 1. Dispositif pour la détection et la localisation de particules dans un flux de particules neutres émises par une source, comprenant: - un convertisseur solide sensiblement plan, propre, sous l'impact de ces particules neutres, à produire des charges électriques; - des moyens d'amplification de charges, destinés à etre portés à un potentiel électrique different de celui du convertisseur, et à produire une amplification des charges par ionisation stimulee d'un gaz environnant; - des moyens de collectage de charges, comprenant des éléments conducteurs électriquement isolés les uns des autres; et, - une enceinte perméable aux particules neutres, renfermant le convertisseur, les moyens d'amplification de charges, les moyens de collectage de charges, et le gaz; caractérisé en ce que lesdits moyens d'amplification de charges comportent des lignes électriquement conductrices, distinctes desdits éléments de collectage de charges, en ce que le convertisseur comprend des éléments de conversion électriquement isolés les uns des autres, et en ce que les éléments de collectage de charges comprennent certains au moins desdits eléments de conversion. 2. Dispositif suivant la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits éléments de conversion propres à assurer également le collectage de charges sont constitués de cellules réparties suivant une matrice bidimensionnelle. 3. Dispositif suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que lesdites lignes d'amplification de charges sont disposées dans au moins un plan sensiblement parallèle à celui du convertisseur, et sont sensiblement parallèles les unes aux autres. 4. Dispositif suivant l'une quelconque des revendications précédentes, combinée a la revendication 2, caractérisé en ce que lesdites cellules comprennent un matériau de conversion choisi dans le groupe comprenant le gadolinium, le bore, et le lithium. 5.Dispositif suivant l'une quelconque des revendications précédentes, combinée à la revendication 2, caractérisé en ce que lesdites cellules comprennent un matériau de conversion choisi dans le groupe comprenant le fer et l'argent. 6. Dispositif suivant la revendication 4 ou 5, caractérisé en ce que le convertisseur comprend une plaque isolante dont une face porte lesdites cellules, cette plaque comportant, pour chaque cellule, une traversée mettant cette cellule en contact électrique avec un conducteur aboutissant sur l'autre face de cette plaque. 7. Procédé pour détecter et localiser des particules dans un flux de particules neutres émises par une source, comprenant les opérations consistant à: - recevoir ces particules sur un convertisseur solide sensiblement plan, et produire ainsi des charges électriques à partir de ces particules neutres; - amplifier ces charges par ionisation stimulée d'un gaz environnant; et - collecter, en différents emplacements espacés les uns des autres, les charges présentes dans au moins un plan sensiblement parallèle au convertisseur; caractérisé en ce que l'opération de collectage de charges consiste à collecter des charges de polarité opposée à celle des charges qui sont amplifiées par ionisation. 8. Procédé suivant la revendication 7, caractérisé en ce que le collectage des charges est effectué sur le convertisseur lui-meme, ce dernier comprenant des éléments électriquement isolés les uns des'autres, dont chacun est disposé en l'un desdits emplacements différents, et dont chacun assure le collectage de charges en plus d'une conversion des particules neutres. 9. Procédé suivant l'une quelconque des revendications 7 et 8, caractérisé en ce que lesdits emplacements de collectage forment une matrice bidimensionnelle plane. 10. Procédé suivant l'une quelconque des revendications 7 A 9, caractérisé en ce que l'opération de multiplication de charges comprend l'établissement, le long de plusieurs lignes d'un plan parallèle au convertisseur, d'au moins un potentiel électrique différent de celui du convertisseur.