Brevet FR2646519A1 — publié le 19901102

Procédé et dispositif pour déterminer la distribution des rayons P émergeant d'une surface. La présente invention concerne la détermination de la distribution des rayons P émergeant de la surface d'un corps, notamment d'une couche mince, contenant des radio-éléments émetteurs de rayons P. On sait que de nombreuses techniques, utilisées notamment en biologie, biochimie, médecine et chimie, mettent en oeuvre la détermination de la distribution des rayons P émis par les radio-éléments présents dans des corps à étudier. La technique la plus ancienne et la plus communé- ment utilisée consiste à appliquer un film photogra- phique sur la surface émettrice des rayons P et à observer, après développement, le noircissement du film provoqué par les rayons g reçus par celui-ci. Mais cette technique exige des temps de pose très longs, de plu- sieurs jours, voire de plusieurs semaines ou même plusieurs mois. Pour accélérer les mesures, on a déjà proposé de mettre en oeuvre un détecteur de rayons g comportant une chambre à avalanches contenant un gaz entre deux élec- trodes, constituées par des grilles parallèles, dont l'une forme anode et l'autre cathode contre laquelle la surface à observer est appliquée, chambre dans laquelle les rayons P, émis par cette surface, libèrent des électrons par ionisation du gaz entre les électrodes en formant des avalanches qui ionisent des atomes du gaz, les atomes ainsi ionisés produisant une émission de lumière, qui après amplification de brillance par des amplificateurs de brillance (nécessaire du fait de sa faible intensité), est détectée par des caméras vidéo, notamment du type CCD (dispositif à couplage de charge), ce qui permet la localisation des points d'entrée, dans le volume gazeux de la chambre, des rayons P émis par les radio-éléments de la surface à observer. Une telle technique est décrite dans un document CERN-EP/88-165 du 25 novembre 1988 de MM. CHARPAK, DOMINIK et ZAGANIDIS. Si cette technique permet de déterminer bien plus rapidement que la méthode photographique la distribution des rayons P issus d'une surface, elle exige par contre un matériel coûteux, notamment du fait du prix élevé des amplificateurs de brillance et des caméras de type CCD, et la sensibilité des caméras de type CCD n'est pas uti- lisée au maximum, du fait que ces caméras sont surtout sensibles à la lumière visible, tandis que la lumière émise par les avalanches du dispositif décrit dans l'ar- ticle précité n'est en général pas concentrée dans le domaine spectral visible et est d'une intensité relati- vement faible, ce qui exige un amplificateur de lumière. On sait en outre que, dans une chambre contenant un gaz, entre deux grilles-électrodes parallèles entre lesquelles est appliquée une tension continue V, il existe une valeur seuil Vs de cette tension V (fonction du gaz remplissant la chambre) à partir de laquelle, à la suite d'une ionisation du gaz sous l'effet du passage d'une particule ionisante, une étincelle se produit et cette étincelle court-circuite les deux électrodes. Un tel phénomène peut être mis en oeuvre pour réaliser un détecteur ou compteur de paticules fortement ionisantes, telles que des particules a, chaque parti- cule provoquant une étincelle qui court-circuite les grilles-électrodes en arrêtant le détecteur pendant un court instant; puis celui-ci est à nouveau prêt pour compter une nouvelle particule. Par contre, un tel type de détecteur est très difficile à mettre au point pour la détection des parti- cules D qui ont un faible pouvoir ionisant, car il est très difficile de régler la tension continue V à un seuil Vs' tel que seuls les rayons D produisent des étincelles qui sont détectées, sans production d'étin- celle dans la chambre d'ionisation par les rayons cos- miques ou par les électrons émis par l'électrode cons- tituant la cathode. On a toutefois proposé de réaliser des chambres à avalanches, mais à plusieurs étages, pour constituer des détecteurs de rayons 9 (et éventuellement de neutrons lents) par exemple dans les deux articles ciaprès: - PETERSEN, CHARPAK, MELCHART et SAULI dans Nuclear Instruments and Methods 176 (1980), p. 239-244; et - CHARPAK, MELCHART, PETERSEN et SAULI dans IEEE Transactions on Nuclear Sciences, Vol. NS-28 n l, Feb. 1981, p. 849-851. Dans ce type de détecteur avec une structure à multiétages, on prévoit: - un premier étage de préamplification, qui com- porte une première chambre entre deux grilles-électrodes parallèles - dont une première grille constituant catho- de, contre laquelle est appliquée la surface à examiner émettrice de rayons È, et une seconde grille, polarisée positivement par rapport à la première - entre lesquel- les est appliquée une tension continue, apte à réaliser une préamplification de gain faible, de l'ordre de 103 à 104; - un deuxième étage de transfert, qui comporte une deuxième chambre délimité par des grilles-électrodes auxiliaires; et - un troisième étage de multiplication, qui com- porte une troisième chambre dans laquelle les électrons, ayant traversé la seconde grille précitée du premier étage et l'étage de transfert, sont multipliés à nouveau entre deux grilles-électrodes parallèles en donnant lieu à des avalanches qui peuvent être localisées par divers moyens électroniques. Si le champ électrique entre les deux grilles de la chambre du troisième étage est tel que les 'ions produits dans l'avalanche ne peuvent retourner dans la chambre du premier étage à travers l'étage de transfert du fait de grilles-électrodes auxiliaires soumises à un champ pulsé approprié, on empêche pendant un certain temps le transfert, sur la cathode d'entrée de la pre- mière chambre, des ions qui risqueraient de produire une nouvelle émission d'électrons par cette cathode et donc une nouvelle avalanche dans la troisième chambre, qui provoquerait une décharge permanente auto-entretenue. Une telle disposition à trois étages ou chambres, avec des grillesélectrodes pulsées dans le deuxième étage, présente l'inconvénient d'exiger des moyens de réglage, difficiles à contrôler, pour éviter le retour vers la première chambre d'ions résultant des avalan- ches; ceci permet toutefois d'accroître le gain de la troisième chambre à un niveau tel que des étincelles visibles s'y produisent, mais avec l'inconvénient que les étincelles ainsi produites dans la troisième chambre sont des filaments relativement étendus dont l'observa- tion ne permet pas une localisation précise des points d'émergence des rayons f hors de la surface émissive à observer, qui est appliquée-contre la cathode d'entrée. La présente invention a pour objet de palier les inconvénients précités des' techniques antérieures en permettant de réaliser un procédé et un dispositif simples de détermination très précise de la répartition des rayons $ émis par une surface, avantageusement au moyen d'une lecture optique, sans moyens de réglage compliqués et sans mise en oeuvre d'amplificateur de lumière. A cet effet on prévoit selon l'invention - d'une part, un couplage par impédances élec- triques (condensateurs, résistances et/ou bobines de self) entre étages du détecteur; et - d'autre part, un remplissage gazeux approprié permettant d'obtenir, dans l'étage de multiplication, des étincelles sous forme de points localisés brillants. L'invention a donc tout d'abord pour objet un procédé pour la détermination de la distribution des rayons 9 émergeant d'une surface, procédé qui consiste à faire passer ces rayons P à travers: - un premier étage de préamplification sensi- blement proportionnelle, constitué par une première chambre délimitée par deux grilles-électrodes, parallè- les entre elles, entre lesquelles est appliquée une ten- sion continue, dont la grille-électrode formant cathode est celle contre laquelle est appliquée ladite surface émettrice de rayon A, - un second étage de transfert, constitué par une seconde chambre disposée entre celle des deux grilles-électrodes précitées qui forme anode et une troisième grille-électrode parallèle à celle-ci et pola- risée positivement par rapport à elle; et - un troisième étage de multiplication, consti- tué par une troisième chambre disposée entre cette troisième grille-électrode et une quatrième grille-élec- trode polarisée anodiquement par une tension continue relativement à cette troisième grille; ces trois chambres étant remplies d'au moins un gaz; et qui est caractérisé en ce que - d'une part, on réalise un couplage par impé- dances entre ces quatre grilles-électrodes et - d'autre part, ledit au moins un gaz est choisi pour que, d'une manière automatique grâce audit couplage par impédances, les étincelles produites par multiplica- tion dans la troisième chambre ne puissent, sous l'effet du retour d'ions à travers l'étage de transfert vers la cathode de la première chambre, produire une décharge permanente, et que lesdites étincelles se présentent sous forme de points localisés brillants sur la surface de la cathode de celle-ci. Dans le premier étage est produite, sous l'effet du champ électrique créé entre ces deux grilles-élect- rodes, une avalanche d'électrons initiée préférentielle- ment par les électrons d'ionisation libérés dans le gaz contenu dans ce premier étage, près de la grille-cathode de celui-ci, par les rayons e qui pénètrent dans cet étage. Dans le deuxième étage les électrons de l'avalan- che précitée sont transférés du premier au troisième étage. L'invention a également pour objet un dispositif pour la mise en oeuvre du procédé précité, comprenant: - une enceinte remplie d'au moins un gaz et qui comporte une première chambre de préamplification propor- tionnelle, délimitée par une première grille-électrode et une deuxième grille-électrode parallèle à la première; une deuxième chambre de transfert, délimitée par ladite deuxième grille-électrode et une troisième grille-électrode parallèle à celle-ci; et une troisième chambre de multiplication, délimi- tée par la troisième grille-électrode et une quatrième grille-électrode parallèle à celle-ci; - une première source de tension continue, bran- chée entre la première et -la deuxième grilles-électro- des, la première étant polarisée pour constituer, par rapport à la deuxième, une cathode destinée à recevoir sensiblement contre elle la surface émettrice de rayons 9 à examiner; - une deuxième source de tension continue pour polariser la troisième grille-électrode positivement par rapport à la deuxième grille-électrode; et - une troisième source de tension continue pour polariser la quatrième grille- électrode positivement par rapport à la troisième grille-électrode; et caractérisé 2646'519 en ce qu'il comprend en outre un ensemble d'impé- dances, constitué par un réseau de condensateurs, résis- tances et/ou bobines de self, connecté auxdites grilles- électrodes, et en ce que ledit au moins un gaz est constitué par au moins un gaz rare (notamment argon, néon et/ou hélium) additionné d'une faible proportion d'au moins un gaz organique (notamment triethylamine, tétraméthylpen- tane et/ou méthylal). On peut noter que le procédé et le dispositif se- lon l'invention permettent de neutraliser toutes les sources d'électrons secondaires différés éjectés par la cathode du premier étage. La lumière qui sort du dispositif, en fait pro- duite par les points localisés brillants, est observable par une caméra (notamment une caméra de faible ouverture ou une caméra de type CCD) ou même à l'oeil nu. On peut connecter la caméra vidéo directement à une calculatrice. Un tel détecteur, relativement peu coûteux et ne nécessitant ni réglage compliqué, ni matériel cher d'ob- servation a de nombreuses applications, notamment: - l'imagerie des rayons g émis par une surface émettrice appliquée contre la face d'entrée de la pre- mière chambre; - le comptage, avec un très faible bruit de fond, des rayons g émis par des échantillons comportant des radio-éléments, même si leur radioactivité est très faible; en effet, le bruit de fond du détecteur est de l'ordre de 1 point lumineux brillant ou tache par minute et par cm2, ce qui permet de détecter pratiquement sans bruit de fond des rayons P en provenance d'une zone de 1 mm2. On va décrire maintenant un mode de réalisation préféré d'un détecteur mettant en oeuvre les perfec- tionnements selon l'invention, avec référence à la figure unique annexée. Sur cette figure, on a représenté en 1 un corps comportant des radioéléments et présentant une surface 2 sensiblement plane qui émet des rayons 1 (référencés g sur la figure) dont on désire déterminer la distribu- tion. Le détecteur proprement dit comprend une enceinte 3 avec une face d'entrée 4 transparente aux rayons A, constituée par exemple par une feuille en "mylar" alumi- nisé épaisse de 6 microns, contre laquelle est appliquée la surface 2, et une face de sortie 5 constituée par une fenêtre optique permettant le passage de lumière dans le domaine du visible. Cette enceinte comporte trois chambres 6, 7 et 8 formant trois étages successifs I, II et III. La première chambre 6 de l'étage I est une cham- bre de préamplification des électrons e à l'entrée, dans la chambre 3, des rayons 1 ayant franchi la face d'en- trée 2, avec un gain de l'ordre de 103 à 104; cette chambre 6 est délimitée par une première grille-élec- trode 9 et une deuxième grille-électrode 10 parallèle à celle-ci, séparées par un intervalle de 4,3 mm. La deuxième chambre 7 de l'étage II forme chambre de transfert pour les électrons multipliés e' et elle est délimitée par la deuxième-grilleélectrode 10 et une troisième grille-électrode 11 parallèle à celle-ci, distante de 12 mm. La troisième chambre 8 constituant le troisième étage III est une chambre de multiplication ou d'ioni- sation dans laquelle les électrons transférés e' provo- quent au niveau de la troisième grille 11, notamment aux points de croisement des fils constituant cette grille, des étincelles E qui ont la forme de points lumineux brillants; la lumière L issue de ces points lumineux se propage à travers cette chambre 8 et traverse la fenêtre optique constituant face de sortie 5; cette chambre 8 est délimitée par la troisième grille-électrode 11 et une quatrième grille-électrode 12 parallèle à celle-ci, distante de 5 mm. Trois sources de tension continue 13, 14 et 15 appliquent, aux points 13a, 14a et 15a respectivement, des tensions continues positives + V1, + V2 et + V3 respectivement par rapport à la masse, à laquelle sont connectés également les points 16a et 16b. Des résistances 17, 18, 19, 20 et 21, de valeurs R1, R2, R3, R4 et R5 respectivement, sont connectées entre le point 16a et la grille-électrode 9, le point 13a et la grille-électrode 10, le point 16b et le point 16c, le point 14a et la grille-électrode 11, et le point a et la grilleélectrode 12, respectivement, tandis que deux condensateurs 22 et 23 de capacités C1 et C2 respectivement, sont connectés le premier entre le point 16c et la grille 10 et le second entre le point 16c et la grille 12; l'ensemble 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23 forme un dispositif de régulation à impédances empêchant automatiquement la production et l'amplification d'élec- trons secondaires produits en particulier par le retour, vers la grillecathode 9, des ions positifs émis par une étincelle E dans la troisième chambre 8. Enfin, l'enceinte 3 est remplie, sensiblement à la pression athmosphérique, d'un mélange gazeux compor- tant un gaz rare, tel que l'argon, le néon ou l'hélium, et un gaz organique, tel que la triéthyamine, le tétra- méthylpentane ou le méthylal. On a utilisé en particulier dans cet exemple un mélange d'argon et de 2% de triethylamine, avec les valeurs ci-après des tensions, résistances et capacités, respectivement en volts, mégohms et picofarads, données à titre d'exemple non limitatif: V1 V2 V3 R1 R2 R3 R4 R5 C1 C2 3125 4000 7325 2 100 2 10 100 470 470 Les grilles-électrodes, notamment la troisième grille au niveau de laquelle se produisent les étin- celles en forme de points localisés brillants, sont constituées par des fils métalliques, disposés suivant deux directions perpendiculaires entre elles, ayant un diamètre de 10 à 200 microns, par exemple de l'ordre de microns, deux fils successifs étant écartés l'un de l'autre d'une distance de 100 à 2000 microns, par exem- ple de l'ordre de 500 microns, dans chaque direction. Sur la figure, on a également indiqué la direc- tion des champs électriques E1, E2 et E3 produits par l'ensemble des sources de tension, résistances et con- densateurs. La lumière L', essentiellement dans le domaine visible, qui traverse la face de sortie 5, peut être observée soit à l'oeil nu, soit au moyen d'une caméra K, par exemple une caméra photographique de faible ouver- ture ou une caméra vidéo du type CCD, sans nécessiter d'amplificateur de lumière. Le fonctionnement du détecteur, qui vient être décrit avec référence à la figure unique, est le sui- vant. Un rayon P émergeant de la surface 2 du corps radioactif 1 traverse la face d'entrée 4 et se présente dans l'enceinte 3, au niveau de la première grille- électrode 9 formant cathode, sous la forme d'un ou de quelques électrons d'ionisation e qui sont amplifiés ou multipliés dans la première chambre 6 en donnant quel- ques milliers d'électrons e'qui se déplacent vers la grille-électrode 10 formant anode, sous l'effet du pre- mier champ électrique E1. On notera que c'est l'électron e le plus proche de la cathode 9, c'est-àdire celui du rayon P à son entrée, qui donne l'avalanche ou nuage d'électrons e' le plus important et qui produira la suite des phénomè- nes décrits ci-après; c'est ce qui permettra de locali- ser avec précision le rayon g arrivant de la surface 2 et traversant la face 4 au niveau o il frappe la grille-électrode 9. Une fraction des électrons e' (environ 10%) tra- verse ensuite la deuxième grille-électrode 10 et se dé- plaçe, sous l'effet du champ électrique E2, vers la troisième grille-électrode 11 en traversant la chambre de transfert 7. Enfin, les électrons e' traversent la grille 11 et provoquent, après une deuxième multiplication au ni- veau de celle-ci, plus précisément au croisement des fils constitutifs de cette grille, des décharges ou étincelles sous forme de points lumineux brillants E, alors que, dans les détecteurs antérieurs à étincelles, on obtenait une étincelle constituée par un filament raccordant les deux grilles-électrodes délimitant la troisième chambre. En outre ce point lumineux ou tache cathodique E se trouve exactement en alignement (dans la direction perpendiculaire aux grilles-électrodes parallèles) avec l'impact, sur la grille-électrode 9 formant cathode, du rayon O émis par la surface 2 et représenté par l'élec- tron e, ce qui permet de bien localiser cet impact, et de plus la lumière L émise est dans le domaine du viti- ble, donc facile à observer à l'oeil nu ou à photogra- phier avec une caméra ordinaire et/ou filmer avec une caméra vidéo, par exemple du type CCD, éventuellement reliée à une calculatrice (non représentée). L'avalanche formant point lumineux E dans la troisième chambre 8 produit une impulsion électrique entre les grilles-électrodes 11 et 12 et celleci, par le réseau à impédances 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, réduit le gain dans la première chambre 6 entre les grilles-électrodes 9 et 10 en appliquant une impulsion de tension négative sur la grille-électrode 10, d'o empêchement de l'amplification d'électrons secondaires produits par l'impact sur la grille-électrode 9 d'ions positifs engendrés par l'étincelle E et donc d'une émission intempestive d'électrons par cette grille- électrode constituant cathode. Eventuellement, si les rayons P émis par la sur- face 2 du corps 1 sont peu pénétrants (par exemple si le corps 1 comporte du tritium comme radioélément), il est possible de rendre cette surface 2 conductrice en éva- porant sur elle une couche conductrice mince et d'utili- ser cette surface 2 pour constituer l'ensemble de la face d'entrée 4 et de la cathode 9 du détecteur. Comme il va de soi, 1 t'invention ne se limite nullement aux modes d'application et de réalisation qui ont été plus spécialement envisagés; elle en embrasse, au contraire, toutes les variantes. REVENDICATIONS 1. Procédé pour la détermination de la distri- bution des rayons P émergeant d'une surface, qui consiste à faire passer ces rayons à tra- vers: - un premier étage de préamplification sensi- blement proportionnelle, constitué par une première chambre délimitée par deux grilles-électrodes, paral- lèles entre elles, entre lesquelles est appliquée une tension continue, dont la grille-électrode formant cathode est celle contre laquelle est appliquée ladite surface émettrice de rayons ô, - un second étage de transfert, constitué par une seconde chambre disposée entre celle des deux grilles-électrodes précitées qui forme anode et une troisième grille-électrode parallèle à celle-ci et po- larisée positivement par rapport à elle; et - un troisième étage de multiplication, cons- titué par une troisième chambre disposée entre cette troisième grille-électrode et une quatrième grille-élec- trode polarisée anodiquement par une tension continue relativement à cette troisième grille; ces trois chambres étant remplies d'au moins un gaz et qui est caractérisé en ce que - d'une part, on réalise un couplage par impé- dances entre ces quatre grilles-électrodes et - d'autre part, ledit au moins un gaz est choisi pour que, d'une manière automatique grâce audit couplage par impédances, les étincelles produites par multiplica- tion dans la troisième chambre ne puissent, sous l'effet du retour d'ions à travers l'étage de transfert vers la cathode de la première chambre, produire une décharge permanente, et que lesdites étincelles se présentent sous forme de points localisés brillants sur la surface de la cathode de celle-ci. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit au moins un gaz est constitué par au moins un gaz rare additionné d'une faible proportion d'au moins un gaz organique. 3. Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé selon la revendication 1 ou 2, comprenant: - une enceinte (3) remplie d'au moins un gaz et qui comporte - une première chambre (6) de préamplification proportionnelle, délimitée par une première grille- électrode (9) et une deuxième grille-électrode (10) parallèle à la première; une deuxième chambre (7) de transfert, délimitée par ladite deuxième grille-électrode (10) et une troi- sième grille-électrode (11) parallèle à celle-ci; et une troisième chambre (8) de multiplication, délimitée par la troisième grille- électrode (11) et une quatrième grille-électrode (12) parallèle à celle- ci; - une première source (13) de tension continue, branchée entre la première et la deuxième grilles- électrodes, la première (9) étant polarisée pour cons- tituer, par rapport à la deuxième (10), une cathode destinée à recevoir sensiblement contre elle la surface (2) émettrice de rayons P à examiner; - une deuxième source (14) de tension continue pour polariser la troisième grille-électrode (11) po- sitivement par rapport à la deuxième grille-électrode (10); et - une troisième source (15) de tension continue pour polariser la quatrième grille-électrode (12) posi- tivement par rapport à la troisième grille-électrode (11); et caractérisé en ce qu'il comprend en outre un ensemble d'impé- dances, constitué par un réseau de condensateurs (22, 23), résistances (17, 18, 19, 20, 21) et/ou bobines de self, connecté auxdites grillesélectrodes, et en ce que ledit au moins un gaz est constitué par au moins un gaz rare additionné d'une faible proportion d'au moins un gaz organique. 4. Dispositif selon la revendication 3, caracté- risé en ce que le gaz rare est choisi parmi l'argon, le néon et l'hélium, tandis que le gaz organique est choisi parmi le triéthylamine, le tétraméthylpentane et le mé- thylal. 5. Dispositif selon la revendication 3 ou 4, ca- ractérisé en ce que.les grilles-électrodes (9, 10, 11, 12) sont constituées par des fils métalliques dont l'é- paisseur est de l'ordre de 10 à 200 microns, écartés l'un de l'autre d'une distance de l'ordre de 100 à 2000 microns et disposées suivant deux directions perpendi- culaires entre elles.