Brevet FR2681703A1 — publié le 19930326

Procédé de compensation des charges perdues par recombinaison dans un détecteur de rayonnements X ou gamma à matériau semi-conducteur et dispositif pour sa mise en oeuvre La physique et les techniques nucléaires font très largement appel à la spectroscopie gamma et X pour identifier un niveau excité ou un radio-isotope. Or, les performances des spectromètres sont caractérisées en premier lieu par leur pouvoir de résolution en énergie, c'est-à-dire leur capacité de distinguer deux raies énergétiquement très voisines. En effet, dans un détecteur de rayonnements nucléaires à semi-conducteur, tel que par exemple à base de tellurure de cadmium (CdTe), d'iodure mercurique (HgI2) de germanium (Ge) ou autre, les interactions des photons X ou gamma avec les atomes du semi-conducteur génèrent des paires électron-trou au sein du matériau par interactions photoélectriques, effet Compton et création de paires. C'est la collecte de l'ensemble de ces charges qui conduit à la formation d'un signal électrique dont l'amplitude est proportionnelle à l'énergie des photons incidents. Ce mécanisme de création de paires électron - trou et de leur collecte consécutive constitue les fondements des possibilités spectroscopiques des détecteurs à semi-conducteurs. Ces derniers présentent généralement une structure parallélépipédique plane, pourvu de deux électrodes disposées respectivement sur deux faces latérales opposées d'un substrat semi-conducteur et séparées d'une distance d (épaisseur du substrat entre les électrodes). Ces électrodes permettent, d'une part, d'appliquer une tension U déterminée aux bornes du substrat et, d'autre part, de collecter, chacune, les porteurs de charge de signes opposés, respectivement électrons et trous, générés par l'action d'un photon X ou gamma, et se déplaçant, à des vitesses données vn, respectivement vp, dans le substrat sous l'action du champ électrique E=-U d existant dans ledit substrat (voir figure 1). Ainsi, dans le cas idéal, les porteurs issus d'une génération de paires électron - trou ayant eu lieu à une distance X0 de l'une des électrodes seront collectés par les électrodes opposées correspondantes après une durée t n pour les électrons et après une durée tp en ce qui concerne les trous. La charge Qn(t) induite sur les électrodes par les électrons est alors donnée par les formules suivantes v n Q n (t) = N0 e d t pour t d v n Q n (t) = No e d t n pour t > t où Q n (t) représente la charge à l'instant t induite par les électrons, Ng le nombre de paires générées initialement et e la charge élémentaire des porteurs. La formule précédente est également vérifiée par la charge Q (t) induite sur les électrodes par les p trous en remplaçant l'indice n par l'indice p. La charge induite totale Q(t) est donnée par la formule Q(t) = Q n (t) + Q (t), et sa valeur finale p Ng e, après la collecte de tous les porteurs, permettra de déduire la nature et la valeur énergétique du photon incident générateur des paires électron - trou. Le signal résultant au niveau du détecteur, également appelé impulsion de charge, est représenté à la figure 2 des dessins annexés. Le calcul de la forme de ces impulsions dans diverses conditions d'expérience est connu dans l'état de l'art, notamment par la Thèse de l'Université de Strasbourg (référence : 992 - 1976) de R. Stuck. La sommation sur une durée déterminée des impulsions de charges en fonction de la valeur finale de la charge induite totale permet d'établir un spectre de radiations typique de l'élément émetteur. Cette opération est réalisée normalement par un dispositif d'analyse multicanaux, bien connu par l'homme de l'art. Dans la pratique néanmoins, une partie au moins des porteurs est capturée avant d'atteindre les électrodes correspondantes, d'où il résulte une perte de charge par rapport à la valeur nominale atteinte dans le cas idéal et donc une altération du spectre. Ce phénomène est notamment décrit et quantifié dans le document Zeit. Phys. 77 (1932) 235 de Hecht K.. A cet effet, il est également fait appel au théorème de Ramo, en tenant compte du fait que les porteurs capturés n'induisent pas de charges au niveau des électrodes. Si la durée de vie des porteurs avant capture est T , leur nombre décroît au cours de leur déplacement vers les électrodes suivant la formule dN(t) = - N(t) dt d'où il résulte que N(t) = No exp (-t/g), où N(t) est le nombre de porteurs d'un type donné à un instant t après la génération des paires électron - trou. I1 est alors possible de déterminer l'efficacité de collecte y pour chaque type de porteur, c'est-à-dire la fraction de porteurs collectée pratiquement par rapport au cas idéal, qui est donnée, pour les électrons, par la formule suivante Cette formule, qui est également valable pour les trous (en remplaçant l'indice "n" par "p"), est connue sous le nom de relation de Hecht et représentée à la figure 3 des dessins annexés (en gras). La perte de charges due aux recombinaisons se traduit, par conséquent, par une efficacité de collecte 7 plus faible que celle prévue dans le cas idéal, ladite efficacité de collecte y dépendant du point x0 de génération des paires électron-trou. Lorsque toutes les charges générées ne sont pas collectées, du fait notamment de la capture d'une partie des porteurs, les performances d'exploration spectroscopique dudit spectromètre s'en trouvent fortement affaiblies, notamment en ce qui concerne son pouvoir de résolution et la valeur de l'amplitude des raies caractéristiques, par suite de l'apparition de "trainées" dans les voies gamma ou X relevées (voir figures 4 et 5, courbes en pointillé). Ces pertes de collecte peuvent avoir des origines très diverses, soit liées aux propriétés imparfaites du semi-conducteur ou de la structure (diode ou chambre d'ionisation solide), soit résultant d'altérations du matériau par suite de fortes doses de rayonnements reçues préalablement par le détecteur, ou encore dues aux effets de l'agitation thermique. Le problème posé à la présente invention consiste à améliorer les performances spectroscopiques de détecteurs de rayonnements X ou gamma à semi-conducteur, notamment du type à base de tellurure de cadmium, d'iodure mercurique ou de germanium, en vue d'augmenter plus particulièrement leur pouvoir de résolution et simultanément l'amplitude du pic spectral généré par l'effet photoélectrique, également appelé "pic photo", ce quel que soit l'énergie du rayonnement incident. A cet effet, la présente invention a pour objet un procédé de compensation des charges perdues par recombinaison dans un détecteur de rayonnements X ou gamma à matériau semi-conducteur, notamment du type à base de tellurure de cadmium, d'iodure mercurique ou de germanium, caractérisé en ce qu'il consiste à prendre en compte, pour chaque interaction d'un photon gamma ou X avec le matériau dudit détecteur, la charge induite résultant de la sommation des charges des porteurs collectés au niveau de ses électrodes, sous forme de signal impulsionnel électrique, à déterminer la valeur finale de la charge induite mesurée, proportionnelle au nombre de porteurs collectés par les électrodes, ainsi que le temps de collecte desdits porteurs, à augmenter la valeur finale de la charge induite mesurée d'une quantité de correction fonction du temps de collecte correspondant et, enfin, à transmettre la valeur finale corrigée à un dispositif de traitement et d'enregistrement. L'invention a également pour objet un dispositif électronique pour la mise en oeuvre du procédé de compensation précité, caractérisé en ce qu'il est principalement constitué, d'une part, par un dispositif d'amplification et d'intégration des charges des porteurs collectés au niveau des électrodes du détecteur, d'autre part, par deux dispositifs indépendants d'analyse du signal issu dudit dispositif d'amplification et d'intégration, dont l'un détermine directement le temps de collecte des porteurs et dont l'autre relève et mémorise la valeur finale de la charge induite mesurée, et, enfin, des circuits de recombinaison des signaux issus des deux dispositifs d'analyse en vue de la génération d'un signal de sortie correspondant à la valeur finale de la charge induite mesurée augmentée d'une quantité de correction fonction du temps de collecte des porteurs. L'invention sera mieux comprise grâce à la description ci-après, qui se rapporte à un mode de réalisation préféré, donné à titre d'exemple non limitatif, et expliqué avec référence aux dessins schématiques annexés, dans lesquels la figure 1 est une vue en coupe d'un détecteur de rayonnement connu de type plan la figure 2 est un diagramme représentant les charges induites au niveau des électrodes fonction du temps, suite à l'interaction représentée à la figure 1 la figure 3 est un diagramme comparatif montrant l'amélioration de l'efficacité de la collecte de charge par la mise en oeuvre du procédé conforme à l'invention les figures 4 et 5 sont des diagrammes spectroscopiques de 137 Cs et de 57 Co réalisés avec et sans mise en oeuvre du procédé conforme à l'invention, et, la figure 6 est un schéma synoptique d'un dispositif électronique pour la mise en oeuvre du procédé selon l'invention. Conformément à l'invention, le procédé de compensation consiste à prendre en compte1 pour chaque interaction d'un photon gamma ou X avec le matériau 2 dudit détecteur 1, la charge induite résultant de la sommation des charges des porteurs collectés au niveau de ses électrodes 3, 3', sous forme de signal impulsionnel électrique, à déterminer la valeur finale Q de la charge induite mesurée, proportionnelle au nombre de porteurs collectés par les électrodes 3, 3', ainsi que le temps de collecte t desdits porteurs, à augmenter la valeur c finale Q de la charge induite mesurée d'une quantité de correction Q' fonction du temps de collecte t corres c pondant et, enfin, à transmettre la valeur finale corrigée Q + Q' à un dispositif 4 de traitement et d'enregistrement. Selon une première caractéristique de l'invention, la quantité de correction Q' pourra être déterminée au moyen d'une fonction polynôme du temps de collec te t des porteurs, les coefficients de ladite fonc c tion polynôme devant être établis de manière expérimentale, pour chaque type de détecteur 1 considéré. Pour certains détecteurs 1 et, notamment pour les détecteurs 1 à structure plane à base de tellurure de cadmium ou d'iodure mercurique, la quantité de correction Q' pourra être établie suivant une fonction proportionnelle du temps de collecte t pour laquelle c il suffira de déterminer le facteur de proportionnalité adéquat. Afin de faciliter la mise en oeuvre du procédé conforme à l'invention, et l'établissement des fonctions polynômes de calcul de la quantité de correction Q' fonction du temps de collecte tc, ledit procédé de compensation est appliqué uniquement à la correction de la valeur finale de la charge induite par les porteurs dont la vitesse de déplacement est la plus faible dans le matériau 2 du détecteur 1 considéré. Ainsi, pour un détecteur 1 à base de tellurure de cadmium dans lequel la vitesse de déplacement des électrons est environ dix fois supérieure à celle des trous, seule la valeur de la charge induite par ces derniers sera soumise à une rectification, et la valeur de temps de collecte t pris en compte sera en fait la c valeur de la différence t - t des temps de collec P n te top, t respectivement des trous et des électrons. n En pratique, le temps de collecte des porteurs les plus lents est diminué d'une quantité équivalente au temps nécessaire aux porteurs les plus rapides pour couvrir la distance séparant les deux électrodes 3, 3' du détecteur 1. La présente invention a également pour objet un dispositif électronique 5 pour la mise en oeuvre du procédé de compensation précité, disposé entre le détecteur 1 et un dispositif 4 de traitement et d'enregistrement d'un spectromètre et dont un mode de réalisation préférentiel est représenté à la figure 6 des dessins annexés, dispositif électronique 5 principalement constitué, d'une part, par un dispositif 6, 7, 8 d'amplification et d'intégration des charges des porteurs collectés au niveau des électrodes 3, 3' du détecteur 1 pour chaque interaction photonique, d'autre part, par deux dispositifs indépendants 9, 10 et 11 d'analyse du signal issu dudit dispositif 6, 7, 8 d'amplification et d'intégration, dont l'un 9, 10 détermine directement le temps de collecte t c des porteurs et dont l'autre 11 relève et mémorise la valeur finale Q de la charge induite mesurée, et, enfin, des circuits 12, 13, 14 de recombinaison des signaux issus des deux dispositifs 9, 10 et 11 d'analyse, en vue de la génération d'un signal de sortie correspondant à la valeur finale Q de la charge induite mesurée augmentée d'une quantité de correc tion Q' fonction du temps de collecte des porteurs t c Selon le type de détecteur 1 utilisé et notamment suivant la nature du matériau 2 de captage de photons X ou gamma dudit détecteur 1, la quantité de correction Q' pourra être déterminée soit au moyen d'une fonction polynôme du temps de collecte tc, de degré au moins égale à deux, soit au moyen d'une fonction propor tionnelle du temps de collecte t c Conformément à une caractéristique de l'invention, le dispositif d'amplification et de sommation est composé, d'une part, d'un pré-amplificateur 6 intégrateur de charges, d'autre part, d'un amplificateur linéaire 7 et, enfin, d'un amplificateur différentiel 8 pourvu sur l'une de ses entrées d'une ligne à retard 8', pour la mise en forme du signal issu de l'amplificateur linéaire 7 (figure 6). Le dispositif de détermination directe du temps de collecte t pourra être avantageusement constitué c par un circuit discriminateur à fraction constante 9 suivi d'un circuit convertisseur temps - amplitude 10, générant un signal dont l'amplitude est proportionnelle au temps de collecte des porteurs tc. La réalisation c et la mise en oeuvre d'un tel dispositif de détermination directe du temps de collecte est notamment décrit dans la publication "Kernenergie 31 (1988)", "Burnup measurements using a CdTe detector" de Hagemann, Berndt et Arlt. Selon un mode de réalisation préférentiel de l'invention, les circuits de traitement et de recombinaison se présentent, notamment, sous la forme d'au moins un circuit analogique multiplicateur 12, d'au moins un circuit analogique additionneur 13, d'au moins un amplificateur à gain variable 14 et, le cas échéant, d'au moins un circuit intégrateur. La figure 6 représente une structure permettant de réaliser une correction du type proportionnel, la valeur corrigée Q c étant donnée par la formule Q c = Q + Q' avec Q' = K x Q, où K est le gain de l'amplificateur à gain variable 14. En se basant sur cette construction, valable notamment pour des détecteurs 1 à base de tellurure de cadmium CdTe, tels que ceux fabriqués par la société dite EUROCAD, il est possible, bien entendu, de concevoir sans aucune difficulté, en mettant en oeuvre, en plus, un ou des circuits intégrateurs, des structures permettant de réaliser des fonctions du type polynôme autorisant l'établissement de la quantité de correction Q' en fonction du temps de collecte t pour c d'autres variétés de détecteurs 1. Comme le montre la figure 6 des dessins annexés, le dispositif électronique 5 comporte également un circuit 15 de sélection des signaux de charge correspondant à un temps de collecte t des porteurs compris dans c une plage de valeurs déterminée. Cette plage de valeurs pourra être déterminée par l'intermédiaire de deux moyens de règlage 16, 16' des valeurs inférieure et supérieure de ladite plage de valeurs. Le circuit de sélection 15 commande un interrupteur 17 disposé à proximité de la sortie du dispositif électronique 5 et n'autorisant que la prise en compte, par le dispositif 4 de traitement et d'enregistrement, des impulsions de charge pour lesquelles le temps de collecte t des porteurs est situé dans la c plage de valeurs donnée. Afin de limiter l'action de compensation des pertes de charge aux seuls porteurs les plus lents, ledit dispositif électronique 5 comprend, en outre, un circuit 18, 18' de correction de l'amplitude du signal de sortie du circuit convertisseur temps - amplitude 10 comportant un circuit 18 soustracteur, à l'entrée négative duquel est branché une source de tension réglable 18', dont la valeur correspond au temps mis par les porteurs les plus rapides pour traverser le matériau 2 du détecteur 1 dans sa totalité. Selon une caractéristique supplémentaire de l'invention, représentée également à la figure 6 des dessins annexés, le dispositif électronique 5 comporte, en outre, une console 19 de réglage de différents paramètres dudit dispositif électronique 5 et de calibrage du dispositif 4 de traitement et d'enregistrement du signal de sortie. Cette console 19 permet, par l'intermédiaire de différents points de mesure A, B, C et D, d'avoir accès directement aux valeurs de consignes fixées par les moyens 16, 16' de réglage des plages de valeurs et à la source de tension réglable 18', ainsi qu'au temps de collecte t c de l'impulsion de charge considérée. Grâce à l'invention, il est donc possible de concevoir un procédé de compensation des charges perdues par recombinaison dans un détecteur de rayonnements X ou gamma à matériau semi-conducteur, ainsi qu'un dispositif électronique pour la mise en oeuvre de ce procédé, permettant d'augmenter les performances spectroscopiques des spectromètres, notamment leur pouvoir de résolution et leur faculté de mise en évidence du pic spectral généré par effet photoélectrique, également appelé "pic photo", caractéristique de la source de rayonnements. L'amélioration des performances spectroscopiques, grâce à l'invention, est nettement visible sur les figures 4 et 5 des dessins annexés, montrant, pour des temps de mesure identiques, des courbes spectrales obtenues avec et sans mise en oeuvre du procédé conforme à l'invention (respectivement courbes en traits pleins et courbes en pointillé). Cette amélioration peut également se traduire par une efficacité de collecte constante quel que soit le temps de collecte correspondant (courbe en pointillé sur figure 3). Bien entendu, l'invention n'est pas limitée au mode de réalisation décrit et représenté aux dessins annexés. Des modifications restent possibles, notamment du point de vue de la constitution des divers éléments ou par substitution d'équivalents techniques, sans sortir pour autant du domaine de protection de l'invention. REVENDICATIONS 1. Procédé de compensation des charges perdues par recombinaison dans un détecteur de rayonnements X ou gamma à matériau semi-conducteur, notamment du type à base de tellurure de cadmium, d'iodure mercurique ou de germanium, caractérisé en ce qu'il consiste à prendre en compte, pour chaque interaction d'un photon gamma ou X avec le matériau (2) dudit détecteur (1), la charge induite résultant de la sommation des charges des porteurs collectés au niveau de ses électrodes (3, 3'), sous forme de signal impulsionnel électrique, à déterminer la valeur finale (Q) de la charge induite mesurée, proportionnelle au nombre de porteurs collectés par les élec trodes (3, 3'), ainsi que le temps de collecte (toc) c desdits porteurs, à augmenter la valeur finale (Q) de la charge induite mesurée d'une quantité de correction (Q') fonction du temps de collecte (tc) correspondant et, enfin, à transmettre la valeur finale corrigée (Q + Q') à un dispositif (4) de traitement et d'enregistrement. 2. Procédé de compensation selon la revendication 1, caractérisé en ce que la quantité de correction (Q') est une fonction polynôme du temps de collecte (toc) 3. Procédé de compensation selon la revendication 2, caractérisé en ce que la quantité de correction (Q') est une fonction proportionnelle du temps de collecte (toc) 4. Procédé de compensation selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'il est appliqué uniquement à la correction de la valeur finale de la charge induite par les porteurs dont la vites se de déplacement est la plus faible dans le matériau (2) du détecteur (1) considéré. 5. Dispositif électronique pour la mise en oeuvre du procédé de compensation selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'il est principalement constitué, d'une part, par un dispositif (6, 7, 8) d'amplification et d'intégration des charges des porteurs collectés au niveau des électrodes (3, 3') du détecteur (1) pour chaque interaction photonique, d'autre part, par deux dispositifs indépendants (9, 10 et 11) d'analyse du signal issu dudit dispositif (6, 7, 8) d'amplification et d'intégration, dont l'un (9, 10) détermine directement le temps de collecte (tc) des porteurs et dont l'autre (11) relève et mémorise la valeur finale (Q) de la charge induite mesurée, et, enfin, des circuits (12, 13, 14) de recombinaison des signaux issus des deux dispositifs (9, 10 et 11) d'analyse en vue de la génération d'un signal de sortie correspondant à la valeur finale (Q) de la charge induite mesurée augmentée d'une quantité de correction (Q') fonction du temps de collecte des porteurs (toc) 6. Dispositif électronique selon la revendication 5, caractérisé en ce que la quantité de correction (Q') est déterminée au moyen d'une fonction polynôme du temps de collecte (toc) 7. Dispositif électronique selon la revendication 6, caractérisé en ce que la quantité de correction (Q') est déterminée au moyen d'une fonction proportionnelle du temps de collecte (toc) 8. Dispositif électronique selon l'une quelconque des revendications 5 à 7, caractérisé en ce que le dispositif d'amplification et de sommation est composé, d'une part, d'un pré-amplificateur (6) intégrateur de charges, d'autre part, d'un amplificateur linéaire (7) et, enfin, d'un amplificateur différentiel (8) pourvu sur l'une de ses entrées d'une ligne à retard (8'), pour la mise en forme du signal issu de l'amplificateur linéaire (7). 9. Dispositif électronique selon l'une quelconque des revendications 5 à 8, caractérisé en ce que le dispositif de détermination directe du temps de collecte (tc) des porteurs est constitué par un circuit discriminateur à fraction constante (9) suivi d'un circuit convertisseur temps - amplitude (10), générant un signal dont l'amplitude est proportionnelle au temps de collecte des porteurs (toc) 10. Dispositif électronique selon l'une quelconque des revendications 5 à 9, caractérisé en ce que les circuits de traitement et de recombinaison se présentent, notamment, sous la forme d'au moins un circuit analogique multiplicateur (12), d'au moins un circuit analogique additionneur (13), d'au moins un amplificateur à gain variable (14) et, le cas échéant, d'au moins un circuit intégrateur. 11. Dispositif électronique selon l'une quelconque des revendications 5 à 10, caractérisé en ce qu'il comporte un circuit (15) de sélection des signaux de charge correspondant à un temps de collecte (tc) des porteurs compris dans une plage de valeurs déterminée. 12. Dispositif électronique selon l'une quelconque des revendications 9 à 11, caractérisé en ce qu'il comprend un circuit (18, 18') de correction de l'amplitude du signal de sortie du circuit convertisseur tempsamplitude (10). 13. Dispositif électronique selon l'une quelconque des revendications 10 à 12, caractérisé en ce qu'il comporte, en outre, une console (19) de réglage de différents paramètres dudit dispositif électronique (5) et de calibrage du dispositif (4) de traitement et d'enregistrement du signal de sortie.