Brevet FR2653233A1 — publié le 19910419

La présente invention concerne un dispositif de détection de rayonnement. Par "rayonnement", on entend notamment un rayonnement X ou un rayonnement gamma ou même un rayonnement constitué par des électrons de grande énergie. L'invention trouve des applications dans de nombreux domaines, notamment en physique (radio- cristallographie...), dans le domaine médical (radiographie, tomographie, angiographie...), dans Le domaine industriel (détection de défauts, inspection de soudures...) et dans le domaine de la sécurité (contrôle de bagages...). On connaît déjà divers dispositifs de détection de rayonnement. Ainsi une plaque photographique associée à un écran renforçateur a-t-elle lontemps constitué le seul moyen pour réaliser l'acquisition et la visualisation d'images X. Cette technique est d'ailleurs actuellement encore en usage mais est progressivement remplacée depuis peu par des systèmes réalisant l'acquisition d'un image X sous forme numérique afin de pouvoir la visualiser en temps réel, sans nécessiter l'étape de développement et de fixation qu'exigent les systèmes photographiques traditionnels. Plusieurs systèmes permettant l'acquisition d'une image X sous forme numérique sont déjà connus mais présentent des inconvénients: Les chambres à fils, par exemple commercialisées par la société Schlumberger, ont une efficacité de détection qui est limitée à environ 25%. Une telle efficacité ne s'obtient d'ailleurs qu'avec une chambre assez volumineuse. La résolution spatiale de ces chambres n'est pas très bonne (de l'ordre de quelques millimètres). De plus, ces chambres sont remplies de gaz (l'argon ou le xénon par exemple) dont la pollution progressive est gênante, les chambres nécessitant un système de recyclage qui est encombrant. Les systèmes, par exemple commercialisés par la société Thomson, comportant des photodiodes qui sont associées en barrettes au pas de 1 ou 0,5 mm et qui sont précédées par un scintillateur constitué par une couche d'environ 0,3 mm de Gd202S, ont une mauvaise efficacité de détection dans la gamme allant de 100 à keV étant donné la faible épaisseur du scintillateur. Cette épaisseur ne peut cependant pas être accrue sans prendre le risque de déteriorer la résolution spatiale. De plus, ce scintillateur présente une atténuation non négligeable des photons visibles. Les amplificateurs de brillance, par exemple commercialisés par les sociétés Philips et Thomson, constituent des capteurs bidimensionnels, ce qui peut être avantageux dans certains cas, car aucun système de balayage externe n'est nécessaire. Cependant, ces amplificateurs de brillance présentent plusieurs inconvénients, à savoir une grande sensibilité aux rayons X diffusés par un objet à analyser et une dynamique limitée et, finalement, la nécessité d'un compromis entre la résolution et le pouvoir d'arrêt de ces amplificateurs de brillance. La présente invention concerne un dispositif de détection de rayonnement qui, contrairement aux dispositifs connus, mentionnés précédemment, présente à la fois une grande efficacité de détection et une bonne résolution spatiale. A cet effet, la présente invention utilise une plaque mince d'une matériau scintillateur dense, le rayonnement à détecter pénétrant dans la plaque suivant la tranche de celle-ci, la profondeur de la plaque suivant la direction du rayonnement étant suffisante pour permettre l'arrêt de la majeure partie du rayonnement qui a pénétré dans la plaque. Ainsi la faible épaisseur du matériau scintillateur permet une bonne résolution spatiale et sa grande profondeur, comptée suivant la direction du rayonnement incident, permet une grande efficacité de détection. De façon précise, la présente invention a pour objet un dispositif de détection d'un faisceau de rayonnement de direction déterminée, dispositif caractérisé en ce qu'il comprend: - au moins une plaque mince d'un matériau scintillateur dense, cette plaque étant destinée à être disposée parallèlement à la direction du faisceau de sorte que ce dernier pénètre dans la plaque par la tranche de celle-ci, cette plaque ayant une profondeur suffisante suivant la direction du faisceau pour arrêter la majeure partie du rayonnement qui a pénétré dans la plaque, et - au moins un groupe de fibres optiques fluorescentes, excitables par la lumière visible émise par le matériau scintillateur sous l'impact du rayonnement, ces fibres ayant des portions d'extrémité parallèles, adjacentes et fixées à l'une des deux faces de la plaque de telle façon que les portions d'extrémité des fibres soient parallèles à la direction du faisceau, permettant ainsi la localisation, suivant la tranche de la plaque, de l'impact des particules du rayonnement incident. Selon un premier mode de réalisation particulier du dispositif objet de l'invention, l'autre face de la plaque est rendue réflectrice pour la lumière émise par le matériau scintillateur sous l'impact du rayonnement. Selon un deuxième mode de réalisation particulier, le dispositif objet de l'invention comprend deux plaques minces du matériau scintillateur, qui encadrent l'ensemble formé par les portions d'extrémité des fibres. Selon un troisième mode de réalisation particulier, le dispositif objet de l'invention comprend deux groupes de fibres optiques fluorescentes, l'ensemble formé par les portions d'extrémité des fibres de l'un des groupes et l'ensemble formé par les portions d'extrémité des fibres de l'autre groupe encadrant la plaque de matériau scintillateur; de préférence, les portions d'extrémité de l'un des ensembles sont placées en quinconce vis-à-vis des portions d'extrémité de l'autre ensemble: ces ensembles sont décalés l'un par rapport à l'autre de telle façon qu'en observant la plaque par la tranche, les axes des portions d'extrémité des fibres forment les sommets d'une ligne en zigzag. Dans une réalisation particulière de l'invention, la plaque de matériau scintillateur a une structure isotrope. Dans une autre réalisation particulière de l'invention, la plaque est apte à guider la lumière visible qui est émise par le matériau scintillateur sous l'impact du rayonnement, de façon sensiblement perpendiculaire aux faces de la plaque, vers les fibres, la structure de la plaque étant alors anisotrope. Dans une réalisation particulière correspondant à une telle structure anisotrope, la plaque de matériau scintillateur a une structure en piliers, ces piliers sont orientés perpendiculairement aux faces de la plaque, sont disposés suivant des rangées parallèles et sont aptes à guider la lumière visible émise par le matériau scintillateur sous l'impact du rayonnement, et les portions d'extrémité des fibres sont disposées parallèlement à ces rangées. Enfin, de préférence, le matériau scintillateur dense est inorganique. Il est par exemple à base d'iodure de césium. En effet, un matériau scintillateur organique tel que le polystyrène par exemple, est caractérisé par un trop faible pouvoir d'arrêt des photons X, ce qui conduit à une faible efficacité de détection; de plusy dès que l'énergie d'un photon X dépasse 20 keV l'interaction par effet Compton dans le polystyrène devient plus probable que l'interaction par effet photoélectrique et la diffusion des photons secondaires qui en résulte provoque une perte de résolution. Dans la présente invention, on peut par exemple utiliser en temps que matériau scintillateur CsI(Tl), qui est peu hygroscopique et qui a l'avantage d'avoir une bonne efficacité de conversion et une densité importante, conduisant à un pouvoir d'arrêt suffisant, et un effet Compton qui n'est prédominant qu'au-delà de 300 keV. On peut également utiliser le matériau scintillateur CsI(Na) qui a un spectre d'émission différent mais est hygroscopique. La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description suivante, d'exemples de réalisation donnés à titre purement indicatif et nullement limitatif, en référence aux dessins annexés sur lesquels: - la figure 1 est une vue schématique d'un dispositif conforme à l'invention, utilisant une plaque de matériau scintillateur de structure isotrope, - la figure 2 illustre schématiquement une application du dispositif représenté sur La figure 1 au contr8le de bagages, - les figures 3 et 4 sont des vues schématiques d'autres modes de réalisation particuliers utilisant encore une plaque de matériau scintillateur de structure isotrope, et - les figures 5 et 6 illustrent schématiquement d'autres modes de réalisation de l'invention, utilisant une plaque de matériau scintillateur de structure anisotrope. Le dispositif conforme à l'invention, qui est schématiquement représenté sur la figure 1 est destiné à détecter un rayonnement, par exemple un rayonnement X ou un rayonnement gamma, et comprend à cet effet une plaque mince 2, de structure isotrope, d'un matériau scintillateur dense, apte à émettre une lumière visible sous l'impact du rayonnement. Le dispositif représenté sur la figure 1 comprend aussi une pluralité de fibres optiques fluorescentes 4, par exemple des fibres optiques plastiques fluorescentes (à gaine optique et coeur en plastique, le coeur étant fluorescent), dont les portions d'extrémité respectives 6 sont parallèLes, placées les une contre les autres et fixées sur une face de la plaque 2, parallèlement à la longueur ou à la largeur de celle-ci, ces portions d'extrémité formant ainsi une sorte de tapis placé contre l'une des faces de la plaque 2. On choisit des fibres fluorescentes qui sont excitables par la lumière visible émise par le scintillateur sous l'impact du rayonnement. Etant donné un faisceau du rayonnement à détecter, de direction déterminée, on dispose la plaque parallèlement à cette direction, de telle façon que les portions d'extrémités 6 des fibres 4 soient parallèles à la direction du faisceau, le rayonnement pénétrant ainsi dans la plaque par la tranche 8 de celle-ci. On choisit une plaque 2 ayant une profondeur P, selon la direction du faisceau, variable selon l'énergie des photons, mais suffisante pour que la plaque soit capable d'arrêter l'essentiel du rayonnement incident. Sous l'impact de ce dernier, le scintillateur émet une lumière visible qui excite le matériau fluorescent avec lequel est dopé le coeur des fibres 4. En fait, étant donné un point d'impact d'une particule (photon pour un rayonnement X ou gamma) du rayonnement, seulement une ou quelques fibres voisines sont excitées par la lumière visible résultante et l'on peut ainsi localiser ce point d'impact en analysant la lumière de fluorescence dont une partie est guidée jusqu'à l'extrémité de chaque fibre, opposée à celle qui est fixée à la plaque. On dispose ainsi d'un détecteur linéaire permettant la localisation des particules du rayonnement. Ce sont les fibres 4 du détecteur qui assurent cette fonction de localisation. En vue d'augmenter le nombre de photons de scintillation reçus par chaque fibre, on peut rendre réflectrice de la lumière émise par le scintillateur, la face de la plaque 2, opposée à celle qui porte les portions d'extrémité des fibres. A cet effet, on peut par exemple recouvrir cette face opposée d'une couche d'aluminium. A titre purement indicatif et nullement limitatif, on utilise des fibres fluorescentes, dont la gaine optique a un diamètre de l'ordre de 0,5 mm et une plaque mince de CsI(Tl), de forme rectangulaire et les portions d'extrémité des fibres fluorescentes sont disposées parallèlement à la largeur de la plaque; la longueur L de cette plaque est de l'ordre de quelques dizaines de centimètres et son épaisseur E est de l'ordre de quelques dixièmes de millimètre; la largeur, ou profondeur P dans le cas présent, est quant à elle de l'ordre de 2 à 3 cm pour la détection de photons X et de l'ordre de 5 à 6 cm pour la détection de photons gamma, ce qui donne à la plaque un très grand pouvoir d'arrêt (proche de 100%X pour les photons X jusqu'à 300 keV), le dispositif conservant cependant une bonne résolution spatiale, voisine de 0,5 mm, du fait de la faible épaisseur de la plaque. En utilisant le dispositif de détection avec une source de rayonnement (par exemple X) munie d'une fente de collimation, le dispositif présente l'intérêt d'être très peu sensible aux photons X diffusés par l'objet à analyser. Le dispositif, muni d'un système électronique approprié de lecture des informations fournies par le tapis de fibres, permet l'acquisition d'images X ou gamma sous forme numérique. En utilisant une plaque de grande longueur L ou bien plusieurs dispositifs dont les plaques respectives sont placées les unes à côté des autres de telle façon que leurs longueurs L s'ajoutent, on peut faire l'acquisition d'images de grandes dimensions. Dans ce dernier cas, les plaques peuvent être distribuées suivant une ligne polygonale centrée sur le tube X, afin d'éviter l'effet de parallaxe. Comme système de lecture, on peut utiliser un système comprenant successivement, à la suite des fibres fluorescentes, un intensificateur d'image auquel aboutissent les extrémités des fibres, opposées à celles qui sont du côté de la plaque, un système de réduction de section (ou "taper" dans les publications en langue anglaise) et un dispositif à transfert de charges (matrice de diodes CCD) permettant d'intégrer, durant un certain temps, le signal lumineux fourni par chaque fibre. Le gain de l'intensificateur d'image est ajustable en fonction de l'objet à analyser: on augmente ce gain lorsque l'objet est très opaque et on diminue le gain lorsqu'il l'est moins. Ceci permet de stocker le maximum de charges dans la matrice CCD pour chaque photon X ou gamma incident, tout en restant cependant toujours en deçà de la saturation du système. L'imprécision due à la "statistique" des charges collectées dans chaque puits CCD est alors minimale. Les faces des extrémités des fibres fixées sur le scintillateur peuvent être rendues réflectrices de la lumière guidée dans ces fibres, dans le but d'augmenter le signal reçu par le système de lecture. A cet effet, on peut par exemple recouvrir ces faces d'une couche 11 d'aluminium. Bien entendu, comme le dispositif de détection est de type Linéaire, des moyens de balayage sont nécessaires pour reconstituer une image en deux dimensions. La figure 2 illustre schématiquement une application de L'invention au contrôle de bagages 12 qui défilent, sur un tapis roulant 14, devant un dispositif de détection 16 conforme à l'invention, un seul bagage étant représenté sur La figure 2. Une source ponctuelle 18 de rayons X est placée sous le tapis roulant 14 (fait d'un matériau transparent aux rayons X), en regard du dispositif 16. Cette source est munie d'un collimateur 20 à fente rectiligne et orientée perpendiculairement à la direction de défilement des bagages, et permet ainsi d'obtenir un faisceau de rayons X en forme d'éventail 22 qui traverse un bagage 12 arrivant au niveau de la source. Le dispositif 16 comprend une pluralité de dispositifs élémentaires du genre de celui qui a été décrit en faisant référence à la figure 1, les plaques respectives 2 de ces dispositifs élémentaires étant disposées côte à côte en arc de cercle, au-dessus du tapis roulant 14, perpendiculairement à la direction de défilement des bagages, de façon que le faisceau en éventail 22 "tombe" sur les tranches juxtaposées des plaques 2 de matériau scintillateur. On voit également sur la figure 2 l'un des systèmes électroniques de lecture du dispositif de détection 16 susceptible d'être utilisé. Ce système comprend successivement un intensificateur d'image 24, un système de réduction de section ou "taper" 26 et une matrice CCD 28 qui est reliée à des moyens de traitement et de visualisation permettant de voir les objets 30 métalliques susceptibles d'être présents dans les bagages. Le schéma d'application de la figure 2 fait apparaître un avantage du dispositif de l'invention: il permet la réalisation d'un détecteur dont la partie électronique est complètement déportée en dehors du faisceau de rayonnement. Le dispositif conforme à l'invention, qui est schématiquement représenté sur la figure 3, diffère de celui qui est représenté sur la figure 1 par le fait qu'il comprend en outre une autre plaque mince 44 de matériau scintillateur, qui est identique à la plaque 2 et fixée aux portions d'extrémités 6 des fibres de telle façon que ces dernières soient encadrées par les plaques minces 2 et 44. On augmente ainsi le coefficient d'utilisation de la source de rayonnement (tube générateur de rayons X par exemple). Le dispositif conforme à l'invention, qui est schématiquement représenté sur la figure 4, diffère de celui qui est représenté sur la figure 1 par le fait qu'il comprend en outre un autre ensemble de fibres optiques plastiques fluorescentes 46, dont les portions d'extrémités respectives 48 sont parallèles, placées les unes contre les autres et fixées, parallèlement aux portions d'extrémité 6, sur la face de la plaque 2, opposée à celle qui porte ces portions d'extrémité 6, ces dernières et les portions d'extrémité 48 étant placées en quinconce: elles sont décalées les unes par rapport aux autres de sorte qu'en observant le dispositif par la tranche, les axes des portions d'extrémité 6 et 48 forment les sommets d'une ligne en zigzag. Ce dispositif présente l'avantage d'améliorer la résolution spatiale. Bien entendu, dans ce cas, la face de la plaque, qui porte les portions d'extrémité 48, n'est pas aluminisée. Avec le dispositif représenté sur la figure 4, on peut utiliser Le système de lecture représenté sur la figure 2, toutes les fibres 4 et 46 aboutissant à l'intensificateur d'image. Dans l'invention, on peut utiliser des fibres dont les portions d'extrémité fixées à La plaque de matériau scitillateur ont une section circulaire ou une section sensiblement carrée. Par ailleurs, au lieu d'utiliser une plaque de structure isotrope, on peut utiliser une plaque de structure anisotrope qui envoie préférentiellement la lumière visible de scintillation de façon sensiblement perpendiculaire aux faces de cette plaque. Pour ce faire, on peut utiliser (figure 5) une plaque mince 50 comportant un substrat 51 et, sur ce substrat, des rangées parallèles et adjacentes de piliers, ou aiguilles, de CsI(TL) par exemple cylindriques, qui sont perpendiculaires aux faces de la plaque 50 (c'est-à-dire orientés suivant l'épaisseur de la plaque) et donc perpendiculaires à la direction du rayonnement incident. Une telle plaque est réalisable par des techniques de dépôt particulières. A ce sujet, on pourra notamment se référer à l'article de K. OBA et al. intitulé "A CsI(Na) scintillation plate with high spatial resolution" et publié dans la revue Advances in electronics and electron physics, vol.74 (1988) pp.247 à 255. La hauteur des piliers ne dépasse pas une valeur de l'ordre de vingt fois le diamètre de ces piliers. A titre d'exemple, on réalise des piliers dont le diamètre est de l'ordre de 25 micromètres et dont la hauteur est de l'ordre de 0,5 Pam. On notera que les portions d'extrémité des fibres fluorescentes sont parallèles aux rangées de piliers. L'avantage du dispositif de la figure 5 est qu'il conduit à un très faible intercouplage et que le nombre de photoéLectrons en bout de chalne de réception (matrice CCD) est plus élevé que dans la configuration utilisant une plaque de matériau scintillateur de structure isotrope. On a représenté schématiquement sur la figure 6 un autre dispositif conforme à l'invention, dont la plaque mince de matériau scintillateur 52 a encore une structure anisotrope conduisant à une émission de lumière visible de scintillation préférentiellement suivant une direction sensiblement perpendiculaire aux faces de la plaque 52. Pour ce faire, on utilise une plaque mince 52 de CsI(TL) comportant un certain nombre de lignes de déviation de lumière 54, constituées par des petits cylindres minces juxtaposés et perpendiculaires aux faces de la plaque 52 dans laquelle ces cylindres créent des discontinuités optiques. Les lignes de déviation 54 sont par exemple obtenues en bombardant La plaque 52 par des ions lourds perpendiculairement aux faces de la plaque 52. A cet effet, on utilise par exemple des ions de Xénon de 5 MeV par nucléon. Sur les traces du bombardement, la matière du scintillateur devient amorphe et, de ce fait, est susceptible de modifier le trajet d'un rayon lumineux pour orienter ce dernier de façon sensiblement perpendiculaire aux faces de la plaque lorsqu'il sort de celle-ci. REVENDICATIONS 1. Dispositif de détection d'un faisceau de rayonnement de direction déterminée, dispositif caractérisé en ce qu'il comprend: - au moins une plaque mince (2, 44, 50, 52) d'un matériau scintillateur dense, cette plaque étant destinée à être disposée parallèlement à la direction du faisceau de sorte que ce dernier pénètre dans la plaque par la tranche de celle-ci, cette plaque ayant une profondeur suffisante suivant la direction du faisceau pour arrêter la majeure partie du rayonnement qui a pénétré dans la plaque, et - au moins un groupe de fibres optiques fluorescentes (4, 46), excitables par la lumière visible émise par le matériau scintillateur sous l'impact du rayonnement, ces fibres ayant des portions d'extrémité (6, 48) parallèles, adjacentes et fixées à l'une des deux faces de la plaque de telle façon que les portions d'extrémité des fibres soient parallèles à la direction du faisceau, permettant ainsi la localisation, suivant la tranche de la plaque, de l'impact des particules du rayonnement incident. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'autre face de la plaque est rendue réflectrice pour la lumière émise par le matériau scintillateur sous l'impact du rayonnement. 3. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend deux plaques minces (2, 44) du matériau scintillateur, qui encadrent l'ensemble formé par les portions d'extrémité (6) des fibres. 4. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend deux groupes de fibres optiques fluorescentes (4, 46), l'ensemble formé par les portions d'extrémité des fibres de l'un des groupes et l'ensemble formé par les portions d'extrémité des fibres de l'autre groupe encadrant la plaque de matériau scintillateur. 5. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que les portions d'extrémité de l'un des ensembles sont placées en quinconce vis- à-vis des portions d'extrémité de l'autre ensemble. 6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la plaque (2, 44) de matériau scintillateur a une structure isotrope. 7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la plaque (50, 52) de matériau scintillateur est apte à guider la lumière visible qui est émise par le matériau scintillateur sous l'impact du rayonnement, de façon sensiblement perpendiculaire aux faces de la plaque. 8. Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que la plaque (50) de matériau scintillateur a une structure en piliers, en ce que ces piliers sont orientés perpendiculairement aux faces de la plaque, sont disposés suivant des rangées parallèles et sont aptes à guider la lumière visible émise par le matériau scintillateur sous l'impact du rayonnement, et en ce que les portions d'extrémité des fibres sont disposées parallèlement à ces rangées. 9. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que le matériau scintillateur dense est inorganique. 10. Dispositif selon la revendication 9, caractérisé en ce que le matériau scintillateur dense est à base d'iodure de césium.