Brevet FR2640426A1 — publié le 19900615

PERFECTIONNEMENTS AUX CHAMBRES A DERIVE. La présente invention concerne une chambre å dérive pour la détection de particules neutres qui se propagent suivant une direction de propagation moyenne déterminée, cette chambre comprenant: - un convertisseur solide, propre å convertir des particules neutres en particules ionisantes; - un gaz ionisable environnant le convertisseur, propre å donner naissance a des charges électriques lorsqu'il est traversé par des particules ionisantes; - au moins un guide de charges, propre å permettre l'établissement, å l'intérieur du gaz, d'un champ électrique å gradient non nul, et à ménager aux charges un parcours sans obstacle solide a travers ce gaz, sous l'influence de ce champ électrique; et - un organe de détection de charges, propre å collecter ces dernières dans au moins une région de l'espace vers laquelle elles sont canalisées par le guide, et à fournir un signal représentatif de cette région et/ou de l'intensité des charges collectées. Une chambre de ce type est décrite dans l'article "The high density multiwire drift chamber", écrit par A.P.Jeavons, G.Charpak et R.J.Stubbs, et paru dans la revue "Nuclear Instruments and Nethods" numéro 124, en 1975, aux pages 491 a 503. En dépit de son intérêt, qui est de permettre la détection et la localisation bidimensionnelle de particules neutres, cette chambre connue impose, en raison de son efficacité moyenne, quelques contraintes et restrictions sur le plan de ses applications. On connait par ailleurs, par la demande de brevet européen publiée sous le numero 0 228 933, un dispositif permettant, avec une excellente efficacité, la détection unidimensionnelle de particules neutres. Dans ce contexte, le but de la présente invention est de réaliser un dispositif qui, à la fois, présente une efficacité sensiblement égale à celle du dispositif de la demande de brevet européen précitée et dispose, comme la chambre décrite dans l'article précédemment mentionné, d'un organe de dérive de charges qui permette la réalisation d'un détecteur bidimensionnel. A cette fin, la chambre de dérive conforme à l'invention est essentiellement caractérisée en ce que le convertisseur comprend un matériau de conversion solide s'étendant dans un plan disposé a incidence rasante par rapport à la direction de propagation moyenne des particules neutres, et en ce que le guide comprend deux feuilles espacées l'une de l'autre, sensiblement parallèles entre elles et au convertisseur, placées au voisinage de ce dernier, et comprenant chacune une couche d'un matériau électriquement résistif en deux emplacements au moins de laquelle sont appliqués des potentiels électriques différents, ces emplacements étant espacés l'un de l'autre suivant une direction non perpendiculaire à la direction de propagation moyenne des particules neutres. Dans la mesure où le convertisseur utilisé est électriquement conducteur, chaque feuille appartenant à un guide de charges comprend une couche d'un matériau isolant disposée entre une couche correspondante de matériau électriquement résistif et un convertisseur correspondant. De préférence, le matériau électriquement résistif présente une résistance au moins égale a 30 mégohms par carré. Ainsi, l'expression "matériau résistif" ne doit pas etre ici comprise comme excluant les matériaux couramment dits "électriquement isolants", mais seulement comme excluant les matériaux couramment dits "électriquement conducteurs". En particulier, la couche de matériau résistif peut etre directement constituée par le gaz ionisable présent au voisinage immédiat de la couche de matériau isolant, bien que ce gaz lui-meme soit généralement classé comme un isolant. Dans le cas ou la résistance électrique de la couche de matériau résistif n'est pas absolument homogène, il peut être avantageux de ménager dans la couche résistive des pistes sensiblement parallèles les unes aux autres, dans l'espace séparant deux desdits emplacements sur lesquels sont appliqués des potentiels électriques différents, ces pistes étant propres à permettre l'application de potentiels électriques intermédiaires par rapport à ces potentiels électriques différents. Cette disposition est également utilisable dans le cas ou le matériau isolant est constitué par le gaz lui-méme. Dans son application principale, dans laquelle l'organe de détection est du type à détection bidimensionnelle, cette chambre comprend un empilement alterné de convertisseurs en plaques et de guides de charges, disposés parallèlement les uns aux autres. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront clairement de la description qui en est faite ci-apres, à titre indicatif et nullement limitatif, en référence aux dessins annexés, parmi lesquels: - la figure 1 est une vue schématique éclatée représentant, en perspective, un dispositif conforme à l'invention; - la figure 2 est une vue en coupe de ce meme dispositif. La figure 1 représente en 1 une source de particules neutres, par exemple une source de rayons gamma. Une partie au moins du flux de particules émis par cette source traverse un objet à examiner 2 et parvient, en suivant une direction moyenne 3, sur le dispositif de l'invention représenté sur le reste de la figure et supposé fixe par rapport å la direction moyenne 3. Ce dispositif comprend tout d'abord une enceinte, non représentée, étanche vis-à-vis de l'atmosphère mais perméable aux particules neutres émises par la source 1, et destinée å renfermer un gaz ionisable, selon un principe connu en soi de l'homme de l'art. A l'intérieur de l'enceinte, fixés à celle-ci, sont disposés les autres éléments représentes sur la figure 1, a savoir: - un empilement alterné 4 de convertisseurs solides plans et de guides de charges plans disposés parallèlement les uns aux autres; - une grille plane 5 faite de fils conducteurs, placée à distance de l'empilement; et - un réseau plan 6 de cellules de collectage de charges, disposé à distance de la grille, ce réseau et la grille constituant ensemble un organe de détection de charges. Bien que, pour des raisons de clarté, les éléments tels que 4a, qui constituent l'empilement 4, apparaissent sur la figure 1 comme de simples plaques, chacun de ces éléments, comme ceci ressortira plus clairement dans la suite de la description, est composite et comprend, à l'exception des éléments extremes de l'empilement, une plaque d'un matériau de conversion, en tantale par exemple, enserrée entre deux feuilles appartenant à deux guides de charges adjacents. Chaque élément de l'empilement 4, donc notamment chaque convertisseur solide, est disposé a incidence rasante par rapport à la direction moyenne de propagation 3 des particules neutres, faisant par exemple avec celle-ci un angle de 0,2 à 5 degrés. Des entretoises tels que 7a, 7b, constituées par exemple de plaques de résine époxy, et des goupilles telles que 8a, 8b, ou tous autres moyens mécaniques adéquats tels que le collage, sont prévues pour tenir ensemble, à l'espacement recherché et parallèles les uns aux autres, les éléments tels que 4a de l'empilement 4. A titre indicatif, ces éléments peuvent etre disposés les uns A côté des autres avec un pas de 2,5 millimètres. La grille 5 est par exemple faite de fils d'acier inoxydable, d'un diamètre de 0,1 millimètre, tendus le long de deux directions perpendiculaires, au pas de 0,5 millimètres. Le réseau plan de cellules de collectage de charges comprend essentiellement une plaque isolante 6a supportant des cellules de forme carrée, telles que 6b, disposées selon une matrice bidimensionnelle, au pas de 2,54 millimètres par exemple. D'autres détails du dispositif sont visibles sur la figure 2. Pour des raisons de concision, cette dernière représente deux éléments d'empilement différents, 4a, 4b, correspondant à deux modes de réalisation différents de l'empilement 4, et qui ne coexisteraient normalement pas dans un meme empilement. Chacun de ces éléments est conçu autour d'un convertisseur solide, par exemple d'une plaque de tantale 9a ou 9b disposée à incidence rasante par rapport à la direction de propagation 3 des particules neutres. Entre les deux convertisseurs voisins 9a et 9b est disposé un guide de charges 10, comprenant, de part et d'autre d'un espace libre central 10c, deux éléments de guidage de charges lOa et lOb, appartenant aux éléments d'empilement respectifs, 4a et 4b. Chaque élément de guidage de charges adopte la forme d'une feuille comprenant une couche d'un matériau résistif et une couche d'un matériau isolant. La couche résistive, telle que lla, llb, est sensiblement parallèle au convertisseur correspondant, tel que 9a ou 9b, placée au voisinage de ce dernier, et électriquement isolée de lui grâce à la couche isolante telle que 12a, 12b, par exemple constituée par une couche d'air, de vernis, ou une feuille d'un polymère isolant. A titre d'exemple, cette couche isolante peut etre faite d'une feuille du polymère connu sous la marque "Kapton", d'une épaisseur de 25 microns. La résistance électrique de la couche résistive est au moins égale à 30 mégohms par carré et par exemple égale à 100 mégohms par carré. Des potentiels électriques différents sont appliqués en au moins deux emplacements de chaque couche résistive de chaque feuille, et de préférence sur des pistes telles que les pistes 13s, 13i, 14s, l4i, perpendiculaires au plan de la figure 2, ces pistes étant, pour chaque élément d'empilement, espacées l'une de l'autre suivant une direction non perpendiculaire a la direction de propagation moyenne 3 des particules neutres. A titre d'exemple, ces pistes sont réalisées en cuivre avec une largeur de 0,3 millimètres et un pas de 5 millimètres et sont conçues pour etre orientées perpendiculairement à la direction moyenne de propagation 3 des particules neutres. Selon un premier mode de réalisation, visible sur l'élément d'empilement 4a, la couche résistive lia peut etre constituée d'un polymère ou d'un mélange de polymères présentant la résistivité requise, soit de façon intrinsèque, du fait de sa structure ou de sa composition, soit parce qu'il a été chargé par un matériau, tel que du carbone, lui conférant la résistivité adéquate. Dans ce cas, la résistivité de la couche lia étant très homogène, les potentiels électriques différents peuvent être n'être appliqués que sur les deux pistes 13s et 13i seulement, la piste 13s, la plus éloignée de la grille 5, étant par exemple raccordée à un potentiel V1 tandis que la piste 13i, la plus proche de la grille 5, est raccordée à un potentiel V2, les potentiels V1 et V2 étant tels que le champ électrique créé dans l'espace central lOc soit par exemple compris entre 0,2 et 1 kV/cm. Selon un second mode de réalisation, visible sur l'élément d'empilement 4b, la couche résistive llb peut être constituée d'une pâte résistive directement étalée sur la couche isolante 12b, par exemple un mélange d'encres conductrice et isolante, telle que les encres connues sous la marque "Acheson". Dans ce dernier cas, il peut etre avantageux, pour compenser les effets négatifs d'une éventuelle hétérogénéité de résistance de la couche résistive ilb, de prévoir, en plus des pistes extremes l4s et 14i respectivement raccordées aux potentiels V1 et V2, des pistes telles que 14j et 14t, disposées entre les pistes 14i et 14s et raccordées aux noeuds intermédiaires d'un diviseur de tension branché entre les potentiels V1 et V2. Comme il est déjà dit précédemment, la couche résistive llb peut aussi etre directement constituée par le gaz ionisable présent au voisinage immédiat de la couche résistante 12b. De façon optionnelle, les faces externes des éléments d'empilement tels que 4a ou 4b peuvent ne pas etre recouvertes d'éléments de guidage de charges tels que lOa ou lOb. La longueur des éléments d'empilement tels que 4a, 4b, autrement dit leur dimension dans une direction perpendiculaire au plan de la figure 2, est par exemple de l'ordre de 30 centimètres, tandis que la hauteur de ces éléments, autrement dit leur dimension dans le sens vertical de cette figure, est par exemple de l'ordre de 15 centimètres. A distance de l'empilement 4, et parallèlement aux convertisseurs tels que 9a s'étendent la grille plane 5 et le réseau plan de cellules de collectage de charges 6. La distance entre l'empilement 4 et la grille 5 est par exemple de l'ordre de quelques millimètres, et la distance entre la grille 5 et le réseau 6 est de l'ordre de 4 millimètres. La grille 5 est reliée & un potentiel électrique VO suffisant pour permettre l'extraction des électrons de l'empilement 4, par exemple de l'ordre de quelques centaines de V/cm, tandis que les cellules, telles que 6b, du réseau 6 sont individuellement reliées au potentiel de terre par l'intermédiaire de capacités telles que 15. Comme le montre la figure 2, les cellules 6b sont disposées sur une face de la plaque isolante 6a et de manière à etre électriquement isolées les unes par rapport aux autres; à cette fin, la plaque 6a est par exemple constituée par une plaque de résine époxy chargée de fibre de verre, telle que celles qui sont utilisées pour la réalisation de circuits imprimés. Chacune des cellules, telles que 6b, est destinée i fournir un signal représentant un point dune image bidimensionnelle de l'objet 2. Chacune des cellules fonctionne donc indépendamment de ses voisines, et l'image 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 sur le trajet des particules ayant donné naissance aux charges détectées par cette cellule. Le fonctionnement du dispositif est le suivant. Le trajet ondulé T1 représente celui d'une particule neutre, un photon gamma par exemple, qui, après avoir été émise par la source 1 et traversé l'objet 2 et l'élément de guidage de charges 10a, atteint le convertisseur 9a. Frappé par cette particule neutre, ce dernier émet de façon statistiquement observable et reproductible un électron rapide dont la trajectoire est représentée en T2 par un trait continu. En traversant le gaz environnant, cet électron rapide provoque l'ionisation du gaz sur son parcours, et les électrons ainsi produits dérivent vers la grille 5 sous l'effet du champ électrique résultant de la différence entre les potentiels V1 et V2. Ce mouvement est repéré sur la figure 2 par les flèches en pointillé telles que T3. Après avoir traversé la grille 5, ces électrons sont à nouveau accélérés par le champ électrique régnant entre la grille 5 et le réseau 6. Ils acquièrent alors suffisamment d'énergie pour ioniser le gaz à leur tour, provoquant ainsi une amplification électronique. Les électrons ainsi créés sont collectés par les cellules telles que 6b à l'endroit ou ils ont été canalisés par le guide de charges 10. La charge qui en résulte sur la capacité correspondante 15 est ensuite détectée par un circuit électronique 16, de type connu en soi, dont la fonction est de convertir le signal présent sur cette capacité en un point d'une image vidéo et/ou en une information susceptible d'être stockée dans une mémoire optique, électronique, ou autre. Dans la description qui précède, l'organe de détection de charges que constituent ensemble la grille 5 et le réseau de collectage de charges 6 fonctionne suivant un mode connu de l'homme de l'art sous le nom de "PPAC", caractérisé par une accélération des électrons au moyen d'un champ électrique uniforme formé entre deux plaques parallèles. Ce mode de fonctionnement, qui conduit à un gain relativement modeste, par exemple de l'ordre de 1000, est particulièrement adapté à l'utilisation de sources 1 de forte intensité et permet l'obtention d'images bidimensionnelles dynamiques. Cependant, le guide de charges 10 précédemment décrit est également utilisable en combinaison avec un organe de détection de charges fonctionnant suivant un autre mode et/ou présentant une structure différente. En particulier, il est possible d'adapter l'organe de détection 5, 6 représenté sur la figure 2 à un mode de fonctionnement autorisant un gain beaucoup plus élevé. Une telle adaptation peut notamment etre réalisée en disposant, entre la grille 5 et le réseau 6, un plan de fils tendus parallèlement les uns aux autres et à la grille 5,- de manière que chaque fil se trouve a la verticale d'une rangée correspondante de cellules telles que 6b. Sous réserve qu'ils aient un diamètre assez faible, par exemple de l'ordre de 20 a 50 microns, et qu'ils soient reliés à un potentiel positif par rapport au potentiel de terre, par exemple de 1000 à 3000 volts, ces fils collectent les électrons canalisés par le guide 10 en les accélérant de façon considérable, ce dont il résulte une multiplication du nombre de ces électrons par un facteur pouvant atteindre 106 ou 107. Les ions positifs correspondant à ces électrons sont alors collectés par les cellules telles que 6b, comme l'étaient les électrons eux-memes dans le mode de fonctionnement "PPAC" précédemment décrit. Dans la mesure où il conduit a un gain très élevé, le mode de fonctionnement utilisant une avalanche électronique sur un plan de fils est particulierement adapté à l'utilisation de sources 1 de faible intensité. REVENDICATIONS. 1. Chambre à dérive pour la détection de particules neutres se propageant suivant une direction de propagation moyenne déterminée, comprenant: - un convertisseur solide (9a, 9b), propre à convertir des particules neutres en particules ionisantes; - un gaz ionisable environnant le convertisseur, propre à donner naissance à des charges électriques lorsqu'il est traversé par des particules ionisantes; - au moins un guide de charges (10), propre à permettre l'établissement, à l'intérieur du gaz, d'un champ électrique à gradient non nul, et à ménager aux charges un parcours sans obstacle solide à travers ce gaz, sous l'influence de ce champ électrique; et - un organe de détection de charges(5, 6), propre a collecter ces dernières dans au moins une région de l'espace vers laquelle elles sont canalisées par le guide, et à fournir un signal représentatif de cette région et/ou de l'intensité des charges collectées, caractérisée en ce que le convertisseur (9a, 9b) comprend un matériau de conversion solide s'étendant dans un plan dispose à incidence rasante par rapport à la direction de propagation moyenne (3) des particules neutres, et en ce que le guide comprend deux feuilles espacées l'une de l'autre (lOa, lOb}, sensiblement parallèles entre elles et au convertisseur, placées au voisinage de ce dernier, et comprenant chacune une couche d'un matériau électriquement résistif (lla, llb) en deux emplacements au moins de laquelle sont appliqués des potentiels électriques différents (V1, V2), ces emplacements étant espacés l'un de l'autre suivant une direction non perpendiculaire å la direction de propagation moyenne (3) des particules neutres. 2. Chambre a dérive suivant la revendication 1, caractérisée en ce que chaque feuille comprend une couche d'un matériau isolant (12a, 12b), disposée entre une couche correspondante de matériau électriquement résistif et un convertisseur correspondant. 3. Chambre a dérive suivant la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que le matériau électriquement résistif présente une résistance au moins égale à 30 mégohms par carré. 4. Chambre à dérive suivant la revendication 2, caractérisée en ce que la couche de matériau résistif est directement constituée par le gaz ionisable présent au voisinage immédiat de la couche de matériau isolant. 5. Chambre suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que des pistes sensiblement parallèles les unes aux autres tl4t; 14j) sont ménagées dans la couche résistive, dans l'espace séparant deux desdits emplacements (14s, 14i) sur lesquels sont appliqués des potentiels électriques différents, ces pistes étant propres à permettre l'application de potentiels électriques intermédiaires par rapport à ces potentiels électriques différents. 6. Chambre suivant l'une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle l'organe de détection est du type à détection bidimensionnelle, caractérisée en ce qu'elle comprend un empilement alterné de convertisseurs en plaques et de guides de charges, disposés parallèlement les uns aux autres.