Brevet FR2657694A1 — publié le 19910802

La présente invention concerne la détection des rayonnements et, plus particulièrement, un détecteur de scintillations à deux dimensions pour un rayonnement d'éner- gie élevée tel que les rayons-X et les rayons gamma. On fabrique généralement les détecteurs de rayons gamma et d'imagerie radiographique à corps solide à deux dimensions en fixant une plaque à la surface d'une puce d'imagerie électronique, ou en déposant une couche d'un matériau scintillant sur cette surface Il est nécessaire de disposer d'un matériau scintillant, qui produise un rayonne- ment de basse énergie en réponse à un rayonnement d'énergie élevée, car le rayonnement à énergie élevée n'est pas facilement absorbé dans les éléments standards en semi- conducteur Comme les puces en Si sont plus petits que l'élément fini d'imagerie radiographique, on doit assembler une mosaïque de petites puces Il est souhaitable d'éliminer les zones insensibles au périmètre des puces en silicium et entre celles-ci, espace o l'on pourrait monter les fils d'interconnexion et les éventuels composants d'interface Les grands détecteurs de la technique antérieure, constitués d'une mosaïque de ces détecteurs individuels, comportent des bandes insensibles o les réseaux de détecteurs individuels en Si butent les uns contre les autres Par exemple, on sait d'après l'article "Cs I(Na) Scintillation Plate With High Spatial Resolution" (Plaque de scintillation en Cs I(Na) avec résolution spatiale élevée), de M Ito et al, IEEE Trans on Nuclear Science, Vol NS-34, No 1, Février 1987, pages 401- 405, comment utiliser les éléments multiples d'un scintilla- teur Cependant, la lumière peut passer entre les éléments, ce qui se traduit par un couplage parasite entre eux, qui provoque un rendement plus faible et des images floues. Par conséquent, le présente invention a pour objet un détecteur de rayonnement et un procédé de détection avec des points morts et un couplage parasite réduits, et présentant aussi une efficacité plus élevée. En bref, on atteint ces objets ainsi que d'autres objets avec un détecteur selon la présente invention pour un premier type de rayonnement comportant une multitude de moyens, disposés en mosaïque, pour émettre un second type de rayonnement en réponse au rayonnement incident du premier type, chacun des moyens étant façonné de manière à avoir des extrémités à la fois larges et étroites, l'une des extrémités étant destinée à recevoir le rayonnement du premier type; des moyens pour réfléchir le second type de rayonnement disposés entre chaque moyen de la multitude de moyens; et des moyens pour fournir un signal en réponse au rayonnement du second type, ces moyens étant accouplés optiquement à l'autre des extrémités. Un détecteur de scintillations selon la présente invention comprend une plaque de matériau scintillant ayant des premier et second côtés, une multitude de rainures étroites s'étendant à partir du premier côté, et une multitude de rainures larges s'étendant à partir du second côté, respectivement, et communiquant avec les premières rainures. Un procédé de réalisation d'un détecteur de scintil- lations selon la présente invention comprend les étapes consistant à former d'abord une multitude de rainures larges sur un premier côté d'une plaque d'un matériau scintillant; et à former ensuite une multitude de rainures étroites sur un second côté de la plaque, respectivement, en communication avec la multitude de rainures larges. La suite de la description se réfère aux figures annexées qui représentent respectivement figure 1, une vue isométrique d'un réseau en mosaïque selon un premier mode de réalisation de l'invention; figure 2, une vue en coupe prise le long de la ligne 2-2 de la figure 1; figure 3, une vue isométrique d'un second mode de réalisation du réseau en mosaïque; figure 4, diverses configurations schématiques du réseau et des photodétecteurs; et figure 5, une vue schématique d'un autre mode de réalisation de la mosaïque et des photodétecteurs. Dans la description de la présente invention on a appliquée les mêmes références à des éléments correspondants. En figure 1, on a représenté un réseau 10 sur une plaque en mosaïque d'un matériau à scintillations comportant de premières extrémités larges ou faces 12 qui sont disposées de manière à recevoir un premier type de rayonnement, par exemple la lumière ultraviolette ou des rayons-X incidents 14, et des secondes extrémités étroites ou faces 16 fixées à un détecteur de lumière 18 à circuits intégrés en semi- conducteur, par une colle optiquement transparente A partir des premières extrémités 12 s'étendent une première multitude de rainures étroites 20, alors qu'à partir des secondes extrémités 16 s'étendent une seconde multitude de rainures larges 22, qui communiquent respectivement avec la première multitude de rainures 20 Ainsi, la plaque 10 comprend une multitude d'éléments 23 définis par les rainures 20 et 22. L'étroitesse des rainures 20 a pour effet de rendre minimum l'étendue de la partie insensible du détecteur, car les extrémités larges 12 occupent la presque totalité de la surface de la plaque 10 qui reçoit le rayonnement 14. On peut réaliser les rainures 20 et 22 en procédant 4 - d'abord à la découpe des rainures larges 22 dans un premier coté de la plaque 10 avec une lame de scie de largeur importante, par exemple de 100 Pm de largeur, d'une profon- deur suffisante, par exemple de 600 1 m, de façon à pouvoir procéder avec succès aux découpes étroites plus difficiles. On retourne alors la plaque 10 de façon que le second côté soit en regard de l'opérateur On éclaire le matériau de scintillation, transparent sur le plan optique, ce qui permet à l'opérateur de voir les rainures 22, facilitant la mise en alignement des rainures 20 et 22 de manière à les faire communiquer Alors, on découpe les rainures étroites 22 avec une scie étroite, par exemple d'une largeur de 25 im, jusqu'à une profondeur typique de 100 pm. Le matériau de scintillation de la plaque 10 peut être constitué d'un oxyde d'une céramique frittée des terres rares, tel que l'absorbeur de rayons-X, Y:Gd En particulier, la plaque 10 peut comprendre entre environ 20 et 50 moles pourcent de Gd 203, entre environ un et six moles pourcent de Eu 203, le reste étant Y 203 Plus particulièrement, elle peut comprendre environ 30 moles pourcent de Gd 203 environ 3 moles pourcent de Eu 03, et environ 67 moles pourcent de Y 203. Le cas échéant, on peut ajouter environ 0,02 mole pourcent de Pr 203 comme réducteur de phosphorescence résiduelle On trouvera des détails sur de tels matériaux qui constituent de bons scintillateurs dans les brevets de la technique anté- rieure, par exemple dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique 4 518 546 De tels matériaux sont également robustes, chimiquement inertes, stables et micro-usinables Ils sont aussi sensiblement transparents à la bande de la lumière visible car le mélange peut être fritté à une densité théorique presque parfaite et présentent une structure cristalline cubique Cela élimine les imperfections et les changements de l'indice de réfraction aux limites des grains, ceux-ci provoquant la diffusion optique et la réduction de la transparence Ainsi, la plaque 10 peut être épaisse pour une bonne absorption des rayons-X sans perte importante de la sensibilité optique On pourrait également utiliser pour constituer le matériau de la plaque 10 d'autres scintilla- teurs transparents, par exemple B Gd O, qui est un bon absorbeur de rayons-X. Comme représenté en figure 2, les rainures 20 et 22 sont remplies d'un moyen réfléchissant 24, par exemple d'une métallisation, telle que Al, ou d'un adhésif optiquement réfléchissant et d'une charge De préférence, le moyen réfléchissant 24 est constitué d'un oxyde métallique, par exemple de Ti O 2, fixé à la plaque 10 par un liant à base de colle époxy Ti O 2 constitue un bon choix pour le moyen 24 car il est blanc et par conséquent réfléchit la plupart des couleurs, et présente une réflexion diffuse de sorte que la lumière diffusée sortira des plus probablement de la plaque et ne sera pas absorbée par celle-ci On peut trouver des détails sur un tel revêtement dans les brevets des Etats-Unis d'Amérique 4 560 877 et 4 563 584 En particulier, les particules de Ti O 2 doivent avoir un diamètre correspondant à environ la longueur d'onde des photons émis (on en fera la description ci-après). Une partie 25 du moyen réfléchissant 24 est disposée sur les extrémités larges 12 de manière à empêcher la transmission des photons générés par scintillation (qu'on décrit ci-dessous) à partir de celles-ci Une épaisseur typique pour la partie 25 est environ lmm; on peut utiliser d'autres valeurs pour l'épaisseur Si l'on désire faire l'imagerie d'un rayonnement de très faible énergie, par exemple la lumière ultraviolette, ou de rayons-X avec une énergie inférieure à environ 1 O Ke V, on doit alors éliminer la partie 25 de manière à ce qu'elle ne bloque pas l'entrée du rayonnement dans les éléments 23. Un moyen pour fournir un signal ou détecteur de lumière 18 comprend des dispositifs individuels 18 a et 18 b, comportant des zones optiquement actives 26 constituées 6 - d'éléments d'imagerie DTC, de photodiodes, etc, de façon à détecter la lumière présente au droit des extrémités étroites 16 L'étroitesse des extrémités 16 permet d'obtenir des surfaces 28 entre zones 26 qui peuvent comprendre des amplificateurs, des connexions, etc, d'o la réalisation d'un détecteur 18 compact En outre, cette étroitesse réduit le couplage parasite entre les éléments 23 Un joint plat 29 entre dispositifs 18 a et 18 b du détecteur 18 élimine les bandes mortes dans la réponse du détecteur ou le manque d'homogénéité de l'échantillonnage spatial dans les images résultantes Un fil 90 relie les dispositifs 18 a et 18 b, alors qu'un fil 92, et d'autres fils semblables (non représentés) pourraient s'étendre à travers une plaquette à circuits (non représentée) et être utilisés pour connecter le détecteur 18 à une alimentation (non représentée) ou pour fournir des signaux de sortie. En fonctionnement, les rayons-X 14 tombent sur l'ex- trémité large 12, puis entrent dans la plaque 10, o ils sont principalement absorbés par les atomes Gd A leur tour, les atomes Gd provoquent la création de paires d'électrons-trous, lesquelles provoquent la scintillation de la plaque 10, c'est-à-dire l'émission de photons de lumière visible Si la plaque 10 est constituée du matériau décrit cidessus ainsi que dans la présent brevet, elle émettra de la lumière à une longueur d'onde de 611 p m, laquelle est rouge, par suite de la présence d'atomes Eu Comme le matériau est sensiblement transparent à cette longueur d'onde, les photons seront transmis à travers les éléments 23, comme cela est représenté par le trajet 30 d'un photon particulier de scintillation Ce photon est réfléchi à l'extrémité large 12 à cause de la partie 25 La réflexion se produit alors aux fentes larges 22 par suite de la présence du moyen réfléchissant 24 Bien que non représenté, si le trajet 30 frappe les rainures 20, il se produit une réflexion similaire Finalement, le trajet 30 tombera sur la zone active 26 Comme le moyen 18 est de préférence en Si, il est particulièrement sensible à la lumière de cette longueur d'onde et fournit un signal électrique en réponse au photon incident. On remarquera que les réflexions provoquées par le moyen réfléchissant 24 réduisent le couplage optique parasite entre les éléments 23 comme cela est le cas de la petite surface des extrémités étroites 16 et se traduit par conséquent par une image plus claire et une efficacité plus élevée En particulier, il y a une fonction de transfert plus élevée de la modulation car le coefficient de remplissage du planimage 18 est presque de 100 % En outre, le fait que le circuit 18 soit couplé optiquement à la plaque 10 par contact direct aide aussi à maintenir un rendement élevé. Dans un second mode de réalisation de la plaque 10 de la présente invention, comme représenté en figure 3, les rainures larges 22 on une forme rectangulaire On peut réaliser les rainures 22 avec une scie de grande largeur à face plate En général, on peut utiliser d'autres formes pour les rainures 22 Les rainures 20 et 22 sont remplies, et les extrémités larges 12 recouvertes d'un moyen réfléchissant 24 comme dans le cas du premier mode de réalisation La figure 4 a représente le mode de réalisation de la plaque 10 de la figure 3 dans lequel le photodétecteur 18 est monté directe- ment sur les extrémités étroites 16 et est donc semblable à celui des figures 1 et 2 Un problème que soulève éventuelle- ment l'agencement du montage direct des figures 1 et 2, et 4 a est que l'adhésif utilisé pour monter le détecteur 18 sur la plaque 10 peut provoquer la diffusion et par conséquent un couplage optique parasite entre les éléments 23. Les figures 4 b et 4 c représentent des agencements permettant de réduire le couplage parasite En figure 4 b, les extrémités larges 12 restent en regard des rayons-X 14. Cependant, le détecteur 18 n'est plus monté directement sur la plaque 10, mais est disposé à une certaine distance de celle-ci Une lentille convexe double 32 (on peut utiliser 8 - d'autres types) focalise la lumière provenant de chacune des extrémités étroites 16 sur le détecteur 18 (pour simplifier on a seulement représenté les trajets 34 des rayons lumineux provenant de trois des extrémités 16). La figure 4 (c) représente un agencement inverse, c'est-à-dire que les extrémités étroites 16 sont en regard des rayons-X incidents 14 et les extrémités larges 12 sont en regard de la lentille 32 et du détecteur 18 On remarquera que le moyen réfléchissant 24 recouvre les extrémités étroites 16 On utilise ce mode de réalisation pour détecter des rayons-X d'énergie élevée, par exemple supérieure à environ 150 Ke V, qui pénètrent facilement la partie 25 du moyen réfléchissant 24 se trouvant sur les extrémités étroites 16 et aussi la partie située entre les extrémités 16 dans les rainures 22 En outre, comme la majeure partie de la scintillation se produit à proximité des extrémités larges 12, et que les extrémités larges 12 ont une grande surface en regard du détecteur 18, le rendement est encore amélioré. Pour l'agencement de la figure 4 (c) le détecteur 18 peut être également monté directement sur les extrémités larges 12. Le cas échéant, en figures 4 b et 4 c, on peut utiliser des fibres optiques (non représentées) à la place de la lentille 32 pour appliquer optiquement la lumière provenant des extrémités étroites 16 au détecteur 18 afin d'améliorer le rendement De plus, dans les modes de réalisation des figures 4 b et 4 c, les rainures 24 peuvent être arrondies, comme on le voit le mieux en figure 1. La figure 5 représente plus en détail une façon de mettre en oeuvre le mode de réalisation de la figure 4 c On dispose la plaque 10 à l'extérieur d'une enceinte 36 Les trajets 34 des rayons lumineux traversent une ouverture 37 ménagée dans l'enceinte 36 et tombent sur une lentille de collimation 40 et ensuite sur un miroir 38 monté diagonale- ment La lentille 40 n'a pas besoin d'être présente si la plaque 10 est disposée de façon appropriée et si le miroir 38 9 - sous-tend un champ de vision suffisamment grand A partir du miroir 38, la lumière est focalisée par une lentille 32 sur le détecteur 18, lequel peut être refroidi par un moyen connu, par exemple par du N 2 liquide, par effet Peltier, etc. Les signaux engendrés par le détecteur 18 sont appliqués à un circuit 42 de pré-amplification et tampon Un moyen de protection 44, par exemple en Pb, W, etc, protège le détecteur 18 et le circuit 42 contre le rayonnement parasite 94 Le circuit 42 fournit un signal de sortie analogique échantillonné à un convertisseur analogique-numérique (non représenté) La sortie du convertisseur est appliqué à un dispositif de visualisation (non représenté). - REVENDICATIONS 1 Détecteur pour un premier type de rayonnement, caractérisé en ce qu'il comprend une multitude de moyens, disposés dans une mosaïque ( 10),pour émettre un second type de rayonnement en réponse au rayonnement incident du premier type ( 14), chaque moyen ayant une extrémité étroite ( 16) et une extrémité large ( 12), l'une des extrémités étant destinée à recevoir le rayonnement incident du premier type; un moyen ( 24) pour réfléchir un second type de rayonnement disposé entre chaque moyen de la multitude de moyens, et un moyen ( 18) pour fournir un signal en réponse au rayonnement du second type, ce moyen étant accouplé optique- ment à l'autre extrémité. 2 Détecteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le premier type de rayonnement comprend des rayons-X et le second type de rayonnement la lumière visible. 3 Détecteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que la multitude de moyens est constituée d'un matériau scintillant. 4 Détecteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le moyen émetteur est constitué d'un oxyde d'une céramique frittée des terres rares. 5 Détecteur selon la revendication 4, caractérisé en ce que l'oxyde comprend un absorbeur de rayons-X en Y:Gd. 6 Détecteur selon la revendication 5, caractérisé en ce que l'absorbeur est constitué d'environ 20 à 50 moles pourcent de Gd 203, d'environ 1 à 6 moles pourcent de Eu 203, le reste étant Y 203. 7 Détecteur selon la revendication 6, caractérisé en ce que l'absorbeur comprend environ 30 moles pourcent de Gd 203, environ 3 moles pourcent de Eu 203, et environ 67 moles pourcent de Y 203 O 8 Détecteur selon la revendication 7, caractérisé en il - ce que l'absorbeur comprend en outre environ 0,02 mole pourcent de Pr 203. 9 Détecteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le moyen émetteur comprend un composé de B. 10 Détecteur selon la revendication 9, caractérisé en ce que le composé comprend du B Gd O. 11 Détecteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le moyen réfléchissant comprend Ti O 2. 12 Détecteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le moyen de fourniture est directement en contact avec l'autre extrémité. 13 Détecteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que la première extrémité et l'autre extrémité, respec- tivement, présentent des extrémités large et étroite. 14 Détecteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'autre extrémité et la première extrémité, respecti- vement, présentent des extrémités large et étroite. Détecteur selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend en outre un moyen de lentille ( 32) pour fournir un couplage optique entre le moyen de fourniture et l'autre extrémité. 16 Détecteur selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend en outre une enceinte ( 36) présentant une ouverture ( 37), la multitude de moyens étant disposée à l'extérieur de l'enceinte à proximité de l'ouverture, le moyen de fourniture étant à l'intérieur de l'enceinte, et un moyen ( 44) de protection du moyen de fourniture étant disposé à l'extérieur de l'enceinte en étant sur celle-ci. 17 Détecteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le moyen réfléchissant est également disposé sur les premières extrémités. 18 Détecteur pour un premier type de rayonnement, caractérisé en ce qu'il comprend une multitude de moyens, disposés dans une mosaïque ( 10), pour émettre un second type de rayonnement en réponse à 12 - un rayonnement incident du premier type, chaque moyen présentant des extrémités large ( 12) et étroite ( 16), les extrémités étroites étant destinées à recevoir le rayonnement incident du premier type ( 14); et un moyen de détecteur ( 18) pour fournir un signal en réponse au rayonnement du second type, le moyen de détecteur étant couplé optiquement aux extrémités larges. 19 Détecteur selon la revendication 18, caractérisé en ce qu'il comprend en outre un moyen ( 24) pour réfléchir le second type de rayonnement, disposé entre la multitude de moyens. Détecteur selon la revendication 19, caractérisé en ce que le moyen réfléchissant est également disposé sur les extrémités étroites. 21 Détecteur selon la revendication 19, caractérisé en ce que le moyen réfléchissant comprend Ti O 2. 22 Détecteur selon la revendication 18, caractérisé en ce que le moyen émetteur comprend un oxyde d'une céramique frittée des terres rares. 23 Détecteur de scintillations, caractérisé en ce qu'il comprend une plaque de matériau scintillant ( 10) présentant des premier ( 12) et second ( 16) côtés, une multitude de rainures étroites ( 20) s'étendant à partir du premier côté, et une multitude de rainures larges ( 22) s'étendant à partir du second côté, respectivement, qui communiquent avec les premières rainures. 24 Procédé de fabrication d'un détecteur de scintil- lations, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes consis- tant à: former tout d'abord une multitude de rainures larges ( 22) sur un premier côté d'une plaque d'un matériau de scintillation; et ménager alors une multitude de rainures étroites ( 20) sur un second côté de la plaque, respectivement, qui communiquent avec la multitude de rainures larges.