Brevet FR2671880A1 — publié le 19920724

"Détecteur de rayonnement". Les interactions particule-matière (gaz, semi-conducteurs) et rayonnement-matière (scintillateur, semi-conducteur) permettent de détecter des particules ou rayonnements de haute énergie et donc de les localiser et d'en mesurer l'énergie. La localisation bidimensionnelle peut s'effectuer soit au moyen d'une matrice de détecteurs associés à une électronique individuelle de traitement, soit avec un seul détecteur de grande dimension associé à un dispositif de lecture adapté. A titre d'exemples de détecteurs de grande dimension, nous pouvons citer : les chambres à fils constituant des détecteurs à ionisation de gaz utilises principalement pour la détection de particules chargées ; les détecteurs matriciels semi-conducteurs au germanium ou au silicium, le silicium étant utilisé en détection des particules, le germanium pour celle des photons de haute énergie ( Si l'association scintillateur-photomultiplicateur peut être considérée comme faisant appel à un principe différent de localisation, les chambres à fils et les détecteurs matriciels semi-conducteurs ont des caractéristiques communes quant à leur schéma électrique équivalent, ce qui permet de leur associer des techniques de détection comparables. Le schéma équivalent d'un détecteur élémentaire (semi-conducteur ou fil d'une chambre à fils) est représenté en figure 1 sur laquelle Q5(t) est une impulsion de courant (de type Dirac) d'intégrale Q proportionnelle à l'énergie de la particule ou du photon reçu et Cd est la capacité parasite du fil ou de la diode constituant le détecteur semi-conducteur. Sur la figure 2, on a représenté un détecteur de rayonnement matriciel de type connu, permettant la détection bidimensionnelle de la position et de l'énergie du rayonnement. Sur cette figure, la référence 1 représente un cristal semi-conducteur dont la face supérieure li est de type P et la face inférieure 12 de type N. Sur ce dessin, les deux faces du semiconducteur 1 sont représentées comme étant pourvues de rainures parallèles 2 délimitant des électrodes 3. Il sera cependant noté que, dans la pratique, suivant les techniques de fabrication utilisées de nos jours, ces rainures n'existent pas réellement, les différentes bandes 3 de type P étant séparées par des bandes 2 de type N obtenues par la diffusion d'impuretés de types P et N comme cela est connu dans la technique des semi-conducteurs. Ce semi-conducteur l est polarisé en inverse pour créer une importante zone de charge d'espace. L'arrivée d'un photon perpendiculairement à la face supérieure du cristal - parce que préalablement collimaté - provoque par effet photoélectrique la création de paires électron-trou dans la zone de charge d'espace, balayés respectivement vers les faces N et P du cristal par le champ électrique créé par la tension de polarisation du système. Les bandes 3 des faces P et N du cristal traversées par l'axe d'incidence du photon, recueillent chacune une charge proportionnelle à son énergie et permettent donc de mesurer ses paramètres (coordonnées d'incidence, énergie). Si le capteur n'est strié que sur une seule face, la face non striée reçoit une charge égale (à énergie donnée) quel que soit le point d'impact du photon, la mesure des impulsions de courant qu'elle délivre, donne donc accès à l'énergie. La position du photon est indiquée par la face inférieure. Ce type de capteur est dit à localisation linéaire ou monodimensionnel. Dans le cas contraire, on parle de capteur matriciel ou bidimensionnel. La technique la plus simple de détection des photons est, dans l'un et l'autre cas, d'associer une chaîne de réception à chacune des bandes du capteur (préamplificateur de charge, filtrage, discrimination). Cette façon d'opérer est cependant coûteuse en matériel et il est préférable d'envisager des méthodes permettant d'associer en chaîne les pistes de détection et de déterminer les caractéristiques des évènements (impacts de photons) à partir des seules informations d'extrémités. Concernant la détection par informations d'extrémités, on distingue dans la littérature deux types de techniques pour la détermination de l'énergie et de la position d'un événement. La première très utilisée dans les chambres à fils, considère que l'on peut obtenir l'énergie de l'événement par ailleurs, sa position peut alors être déterminée par une technique de "temps de vol" comme indiqué schématiquement en figure 3. Suivant ce schéma, le lieu d'interaction du photon y avec le cristal est déterminé par la différence de temps t1-t2 de propagation dans chaque ligne. Cette technique nécessite la mise en oeuvre de lignes à retard de précision et d'une électronique spécifique, tel que mentionné dans "Nucl. Instr. and Methods. (NL), 217 (1983), pp. 77-127". La méthode a également été mise en oeuvre par KAUEMAN autour de détecteurs au germanium ultra pur (IEEE Trans. Nucl. Sci., NS-21, N 1, 1974, pp 652-667, intitulé "Delay line readouts for high purity germanium medical imaging cameras" par KAUFMAN (L), CAMP (D.C.), Mc QUAID (J.M.); ARMANTROUT (G.A.), SWIERKOWSRI (S.P.), LEE (K). La seconde méthode est basée sur le multiplexage de charges. Elle a notamment été publiée par MILLER et al comme cela résulte de la documentation parue dans IEEE Trans. Nucl. Sci., NS-21, N 1, 1974, pp 658-664, intitulée "Practical gamma-ray camera system using high-purity germanium" par SCHLOSSER (P.A.), MILLER (D.W.), GERBER (M.S.), REDMOND (R.F.), HARPSTER (J.W.), COLLIS (W.J.), HUNTER (W.W.) ; NS-22, N 1, 1975, pp 416-421, intitulée "Instrumentation for a high purity germanium position sensing gamma-ray detector", par GERBER (M.S.), MILLER (D.W.), GILLESPIE (B.), CHEMISTRUCK (R.S.) ;NS-24, N 1, 1977, pp 182187 intitulée "Position sensitive gamma-ray detectors using resistive charge division readout" par GERBER (M.S.), MILLER (D.W.), SCHLOSSER (P.A.), STEIDLEY (J.W.), DEUTCHMANN (A.H.) ; Nucl. Instr. and Meth. (NL), Vol. 138, N 3, 1976, pp. 445-456, intitulée The noise analysis and optimum filtering techniques for a two-dimensional position sensitive orthogonal strip gamma-ray detector employing resistive charge division" par GERBER (M.S.), MILLER (D.w.) ainsi que dans CONF. 760539, pp. 137-140 (ERDA Symp. on X and gammaray sources and applications, Ann Arbour, Mich., US, 19 Mai 1976), intitulée "Prototype gamma-ray camera for nuclear medecine based on a high purity germanium detector" par SCHLOSSER (P.A.), MILLER (D.W.), GERBER (M.S.), STEIDLEY (J.W.), ZOLNAY (A.S.), DEUTCHMANN (A.H.). Le principe de cette seconde méthode basée sur le multiplexage de charges est illustré par la figure 4 qui représente le circuit électrique équivalent de l'ensemble détecteur-réseau diviseur de charge à la suite de l'interaction (sur la piste J) d'un photon Y avec le cristal semi-conducteur. Sur cette figure 4, les notations suivantes sont adoptées N = nombre de pistes du détecteur, PAC = préamplificateur capacitif, CO = capacité d'intégration d'un PAC, X = élément unitaire du réseau, Q6(t) = dirac de charge délivré par un t. Suivant le schéma de cette figure 4, chaque piste ou fil d'un détecteur peut être modélisée par un générateur de courant impulsionnel shunté par sa capacité parasite Cd. En reliant les différentes pistes adjacentes par un dipôle X, on obtient une information aux deux extrémités de la chaîne, quelle que soit la piste irradiée. Les PAC ont une impédance d'entrée nulle et convertissent les courants 1D et IG en des tensions proportionnelles à leur intégrale. Si ID(t) respectivement IG(t) est proportionnel au nombre de pistes qui séparent la piste d'impact de l'autre extrémité, alors ID + 1G est constant, VD + VG donne donc 1 ener- gie de l'événement indépendamment de sa position, VD VG est proportionnel à la "distance" entre la position de l'événement et le milieu du réseau. Si ce principe fonctionne dans l'absolu, son application est cependant limitée par les contraintes technologiques suivantes a) Si le dipôle X est une résistance R, la capacité Cd dérive une partie du signal si bien qu'en sortie de la chaîne de réception le signal "Energie" est fonction de la position d'incidence de l'événe- ment. Le bruit propre des résistances R rend par ailleurs impraticable la détection en position. b) Si le dipôle X est une capacité, le bruit propre du réseau de pondération disparaît, ce qui rend praticable la méthode à condition que le rapport entre la capacité de pondération C (dipôle X) et celle du détecteur Cd soit très élevé. Néanmoins, un compromis doit être effectué. En effet, pour les faibles valeurs de C/Cd les effets non linéaires (énergie, position) sont importants, alors que pour les fortes valeurs de C le bruit lié aux PACs devient élevé. La présente invention a notamment pour but de remédier à ces inconvénients et concerne à cet effet un détecteur de rayonnement mettant en oeuvre un réseau d'électrodes de détection établies sur au moins une face d'un cristal semi-conducteur et reliées à un circuit électronique amplificateur, détecteur caractérisé en ce que deux condensateurs sont formés sur chaque électrode du réseau, les deux armatures de ces condensateurs étant constituées, d'une part, par la surface de cette électrode, d'autre part par deux surfaces conductrices disposées sur l'électrode avec interposition d'un isolant, en ce que les circuits série formés par les deux condensateurs de chaque électrode sont, pour l'ensemble des électrodes du réseau, reliés en parallèle et en ce que la valeur capacitive des condensateurs du circuit parallèle varie de manière pondérée, d'une électrode du réseau à l'autre, l'augmentation de la valeur capacitive d'un condensateur d'une électrode correspondant à la diminution de la valeur capacitive de l'autre des condensateurs de cette électrode. Suivant une autre caractéristique de l'invention, l'ensemble des condensateurs des électrodes du réseau, est formé par deux surfaces métalliques disposées sur l'une des faces du cristal semiconducteur avec interposition d'un isolant, les deux surfaces métalliques étant déposées en regard de la totalité des électrodes du réseau. Suivant une autre caractéristique de l'invention, la variation pondérée de la valeur capacitive des condensateurs du circuit parallèle est établie de façon que, d'une électrode à l'autre, la valeur capacitive d'un condensateur d'une électrode augmente linéairement corrélativement à la diminution linéaire identique de la valeur capacitive de l'autre condensateur. L'invention est représentée à titre d'exemple non limitatif sur les dessins ci-joints dans lesquels - la figure 1 représente le schéma électrique équivalent d'un détecteur semi-conducteur élémentaire - la figure 2 est une vue en perspective schématique d'un détecteur semi-conducteur de type P N - la figure 3 est un schéma de principe de la technique de "temps de vol" - la figure 4 est le circuit électrique équivalent de l'ensemble détecteur-réseau diviseur de charge de type connu - la figure 5 représente le circuit électrique équivalent de l'ensemble détecteur à réseau capacitif à structure parallèle, conforme à l'invention, à la suite de l'interaction sur la piste J d'un photon t avec le cristal semi-conducteur - la figure 6 représente, en perspective schématique, un détecteur linéaire conforme à l'invention, à pondération capacitive parallèle. La présente invention a en conséquence pour but de tirer profit de l'avantage en bruit de fond découlant d'une pondération capacitive sans entraîner de non linéarité tant en énergie qu'en position. Suivant l'invention, ce détecteur se compose d'un cristal semi-conducteur 4 (voir figure 6) sur l'une des faces duquel est réalisé un réseau d'électrodes de détection rectilignes, parallèles et voisines 5, séparées par des espaces matérialisés sur cette figure par des rainures 6, étant entendu que ces électrodes et rainures sont obtenues en réalité par des diffusions d'impuretés de type P et N. Sur la face supérieure 4 du cristal semiconducteur 4, on a ainsi formé un réseau 5 d'électrodes 52r 53, 54, etc. Sur cette face 41 sont ensuite déposées, avec interposition d'un isolant non représenté, deux surfaces conductrices A et B. Ces deux surfaces conductrices A et B sont disposées pour former, sur chaque électrode 51, 52, .., deux condensateurs C et NC pour l'électrode 51 ; 2C et (N-1)C pour l'électrode 52, etc. Les deux armatures de ces deux condensateurs de chaque électrode sont ainsi constituées, d'une part par la surface de cette électrode 51, 52, etc., d'autre part par la partie des deux surfaces conductrices A, B, disposée en regard de l'électrode considérée avec interposition d'un isolant. Pour chaque électrode 51, 52, etc., cette disposition du détecteur forme donc des circuits série formés par les deux condensateurs C, NC ; 2C, (N-1)C etc. comme cela est représenté sur la figure 5. Chaque circuit série est relié en parallèle par les surfaces conductrices A, B, elles-mêmes reliées aux préamplificateurs capacitifs d'extrémités PAC 1 et PAC 2. Dans la disposition de la figure 6, la valeur capacitive des condensateurs du circuit parallèle varie de manière pondérée d'une électrode à l'autre du réseau 5, l'augmentation de la valeur capacitive d'un condensateur d'une électrode 5a, 52, etc. correspondant à la diminution de la valeur capacitive de l'autre des condensateurs de cette électrode. Cette variation pondérée est de préférence linéaire, c'est-à-dire que d'une électrode à l'autre, la valeur capacitive d'un condensateur augmente linéairement corrélativement à la diminution linéaire identique de la valeur capacitive de l'autre condensateur. Ce résultat est obtenu suivant la figure 6 en construisant les électrodes 5,, 52 du réseau 5 sous la forme de bandes rectilignes parallèles et voisines, réalisées en surface du cristal semi-conducteur 4 de section carrée, les deux surfaces conductrices A, B recouvrant la surface des électrodes pour former l'une des armatures des condensateurs à l'exception d'une ligne de séparation 7 de ces surfaces conductrices. Cette ligne 7 est établie en diagonale depuis une extrémité de la première bande conductrice 51 du réseau 5 jusqu'à l'extrémité opposée de la dernière bande 54 de ce réseau. Selon cette construction, on retrouve donc des condensateurs C et NC de capacité identique mais en position inversée, en regard des première et dernière électrodes 51 et 54 comme cela est illustré sur la figure 5. Un calcul simple montre que, dans cette construction dont le circuit électrique équivalent est représenté sur la figure 5, on a si une impulsion de courant Q 6(t) arrive sur une électrode à t = O. Le signal VD - VG vaut La réponse en énergie est donc constante quelle que soit l'électrode irradiée, la réponse en position dépend linéairement du numéro J de ltélectro- de irradiée. Ces caractéristiques permettent d'envisager de multiplexer un grand nombre d'électrodes si : - des capacités de valeurs C, 2C, .. JC peuvent être réalisées à la précision désirée - la capacité d'électrode du détecteur est constante. Le réseau de pondération proposé étant capacitif, il n'introduit pas de bruit si les capacités sont parfaites. Les performances en résolution énergétique sont liées au bruit propre du capteur et au bruit de courant des PAC,. Les performances en résolution de position sont dues essentiellement au bruit en tension des PACs, il faut donc en pratique chercher à diminuer tant que possible la valeur de la capacité élémentaire de multiplexage. La méthode proposée présente également d'au tres avantages. En effet, les capacités qui rejoignent un PAC ont une borne commune (A ou B), l'autre borne étant une électrode 51, 52, etc. du capteur. Dans la mesure où leurs valeurs dépendent linéairement de l'indice de l'électrode, il est possible de les réaliser globalement sous forme imprimée en utilisant des techniques de lithogravure. Sur la figure 6, le détecteur représenté est un détecteur linéaire, qui comporte une disposition de multiplexage de charge par pondération capacitive parallèle sur l'une des faces du détecteur, les surfaces métalliques A et B étant tenues par dépôt d'une couche métallique gravée pour réaliser la ligne de séparation 7 avec interposition d'un diélectrique d'épaisseur uniforme. Une autre réalisation permettant une détection bidimensionnelle pourra également être envisagée en réalisant sur les deux faces opposées du semi-conducteur 4 de la figure 6, des réseaux 5 d'électrodes 5a, 52, etc. orientées perpendiculairement, les triangles rectangles A et B étant sur les deux faces disposés de façon identique par rapport aux pistes de la face. Le détecteur conforme à l'invention a été expérimenté sur le plan du principe. Ce détecteur a été mis en oeuvre autour d'un capteur de photons Y à 20 électrodes au germanium ultra pur. Les capacités C, 2C ... JC ... NC étaient des composants discrets et non imprimés. La figure 7 montre les résultats obtenus pour les électrodes de 7 à 13 de ce capteur. A 140 keV, les résolutions énergétique et spatiale obtenues sont respectivement de 4,6 keV et 5,4 keV à mi-hauteur avec une constante de temps de filtrage de 3 Ps Il faut noter que les conditions de validation de cette expérimentation n'étaient pas les meilleures puisqu'il n'était pas possible d'accéder directement aux électrodes du capteur (enfermé dans un cryostat maintenu à 77 K) mais seulement aux connexions extérieures. Le bruit observé est, comme attendu par les calculs, nettement supérieur. REVENDICATIONS 1) Détecteur de rayonnement mettant en oeuvre un réseau d r électrodes de détection établies sur au moins une face d'un cristal semi-conducteur et reliées à un circuit électronique amplificateur, détecteur caractérisé en ce que deux condensateurs (C, NC ; 2C, (N-1)C ...) sont formés sur chaque électrode (511 52 ..) du réseau (5), les deux armatures de ces condensateurs étant constituées, d'une part, par la surface de cette électrode (51, 52 ...), d'autre part par deux surfaces conductrices (A, B) disposées sur l'électrode avec interposition d'un isolant, en ce que les circuits série formés par les deux condensateurs de chaque électrode sont, pour l'ensemble des électrodes du réseau, reliés en parallèle et en ce que la valeur capacitive des condensateurs du circuit parallèle varie de manière pondérée, d'une électrode du réseau à l'autre, l'augmentation de la valeur capacitive d'un condensateur (C, 2C ... NC) d'une électrode (5 , 52 .) correspondant à la diminution de la valeur capacitive de l'autre des condensateurs (NC, 2C, C) de cette électrode. 2) Détecteur conforme à la revendication 1, caractérisé en ce que l'ensemble des condensateurs des électrodes du réseau, est formé par deux surfaces métalliques (A et B) disposées sur l'une des faces du cristal semi-conducteur (4) avec interposition d'un isolant, les deux surfaces métalliques étant déposées en regard de la totalité des électrodes du réseau. 3) Détecteur conforme à l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la variation pondérée de la valeur capacitive des condensateurs du circuit parallèle est établie de façon que, d'une électrode à l'autre, la valeur capacitive d'un condensateur d'une électrode augmente linéairement corrélativement à la diminution linéaire identique de la valeur capacitive de l'autre condensateur. 4) Détecteur conforme à l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les électrodes (5 , 52 ...) du réseau (5) sont réalisées sous la forme de bandes rectilignes parallèles et voisines formées en surface d'un cristal semiconducteur (4), les deux surfaces conductrices (A et B) recouvrant la surface des bandes pour former l'une des armatures des condensateurs à l'exception d'une ligne de séparation (7) de ces surfaces conductrices, cette ligne (7) étant établie en diagonale depuis une extrémité de la première électrode (5 ) du réseau jusqu'à l'extrémité opposée de la dernière électrode (54) de ce réseau. 5) Détecteur conforme à l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il constitue un détecteur bidimensionnel et comporte un réseau d'électrodes (5i, 52 ...) sur deux faces opposées parallèles du cristal semi-conducteur (4), les électrodes étant réalisées sous la forme de bandes rectilignes parallèles et voisines, les électrodes des deux faces étant orientées perpendiculairement et en ce que deux surfaces conductrices sont déposées sur chacune des faces du cristal avec interposition d'un isolant, de façon identique par rapport aux pistes de la face.