Brevet FR2705791A1 — publié le 19941202

La présente invention a pour objet un détecteur de rayons X à semiconducteur pour l'obtention de réponses sélectives en énergie. Elle s'applique notamment au domaine de l'imagerie réalisée pour l'inspection, le contrôle ou la surveillance d'objets. Dans les applications de ce type, outre les variations de l'intensité globale du faisceau de rayons X à la traversée de l'objet inspecté, il est aussi utile de mesurer les variations spectrales du faisceau afin de pouvoir caractériser la composition chimique de l'objet inspecté et ceci à grande vitesse. Les taux de comptage couramment utilisés, de l'ordre de 10 MHZ rendent impossible des mesures spectroscopiques classiques effectuées à l'aide d'un détecteur spectroscopique associé à une électronique multicanaux qui analyse l'énergie de chaque photon X absorbé par le détecteur. C'est pourquoi généralement seules des mesures calorimétriques sont réalisées, c'est à dire que seule l'énergie totale ayant traversée l'objet inspecté pendant une durée déterminée est mesurée. Dans ces conditions, pour réaliser des mesures spectrales, on utilise de manière connue plusieurs détecteurs calorimétriques empilés, chacun de ces détecteurs présentant une fonction de réponse différente en énergie. De cette manière, chaque détecteur joue le rôle de filtre pour le détecteur suivant dans l'empilement, de sorte que chaque détecteur est sensible à une gamme d'énergie donnée. Le premier détecteur de l'empilement est sensible aux basses énergies, les détecteurs suivants étant successivement sensibles à des gammes d'énergies de plus en plus hautes. Un tel empilement de détecteurs est représenté schématiquement sur la figure 1. Comme on peut le voir sur cette figure, l'empilement comprend plusieurs blocs semiconducteurs 10a, 10b, .... d'épaisseurs croissantes. Ces blocs peuvent être en CdTe. Le bloc de moindre épaisseur 10a est placé en premier sur le parcours du faisceau de rayons X. Pour chaque bloc, les faces opposées traversées par le faisceau sont recouvertes d'une électrode (seules les électrodes 12, 14 du premier bloc 10a sont représentées pour des raisons de clareté du schéma). La différence de potentiel entre les électrodes 12 par lesquelles pénètre le faisceau de rayons X et les électrodes 14 par lesquelles ressort le faisceau est comprise dans une gamme pouvant aller de quelques Volts à quelques centaines de Volts. La valeur de cette différence de potentiel dépend du semiconducteur choisi. Une des électrodes 12 ou 14 de chaque détecteur est aussi connectée à un amplificateur de charge pour mesurer la quantité de charges libérée dans chaque détecteur sous l'effet du bombardement de photons X. L'utilisation d'un tel empilement pour obtenir des réponses sélectives en énergie comporte des inconvénients. Les blocs semiconducteurs, en CdTe ou équivalent, disponibles commercialement présentent des surfaces recouvertes par les électrodes de 10 X 10 mm2 au maximum. Leur épaisseur, imposée par des nécessités technologiques et de fabrication, est comprise dans une gamme allant de 0,5 à 4 mm. Or la sensibilité en énergie d'un bloc semiconducteur dans un empilement est dépendante, entre autres choses, de l'épaisseur du bloc. Le fait que l'épaisseur minimum du bloc soit de 0,5 mm limite la sélectivité dans les basses énergies. Pour un détecteur en CdTe, l'épaisseur minimum souhaitée est de l'ordre de 0,05 mm pour une sensibilité à une gamme d'énergie allant de 20 à 30 kev. On a vu que dans les empilements connus, les faces des différents blocs semiconducteurs recouvertes par les électrodes sont placées en vis à vis. La promiscuité des électrodes portées à des potentiels différents entraîne des risques de court-circuit ou d'amorçage entre deux électrodes voisines; chaque bloc doit donc être séparé de ses voisins par une distance minimale, ou être muni d'isolant séparant les électrodes des détecteurs adjacents. L'efficacité de la mesure est réduite par les absorptions de radiation dans ces parties isolantes. D'autre part, la mise en place des connexions servant à porter les électrodes aux potentiels souhaités est aussi délicate puisque ces connexions doivent être logées dans les espaces interblocs sans créer de court circuit ou d'amorçage entre les fils ou avec les électrodes. On comprend donc que malgré son apparente simplicité, la réalisation des empilements connus est une opération délicate et et difficile à mettre en oeuvre. De plus, il arrive que pour certaines applications, il soit nécessaire de placer côte à côte un millier d'empilements. Les problèmes et inconvénients sont d'autant plus importants que le nombre d'empilements à juxtaposer est grand. La présente invention permet de pallier ces inconvénients. Elle possède l'avantage de la simplicité allié à la haute performance. En effet, un grand nombre de gammes d'énergie peuvent être détectées, avec une efficacité de détection de quelques pourcents à basse énergie (dizaine de kev) jusqu'à environs 70% pour des énergies de l'ordre de la centaine de kev ou plus. De plus, les connexions aux générateurs de potentiel ne posent pas de problème. De manière plus précise, l'invention concerne un détecteur de rayons X à semiconducteur pour l'obtention de réponses sélectives en énergie. Ce détecteur comprend: - un bloc semiconducteur parallélépipèdique comportant une face avant apte à la réception de rayons X, le bloc possédant en outre des première et seconde faces latérales en vis à vis et contiguës à la face avant , la première face latérale étant recouverte par des électrodes électriquement isolées les unes des autres en forme de bandes allongées, ces électrodes possédant différentes largeurs et étant rangées par ordre de largeur croissante, l'électrode de plus faible largeur jouxtant la face avant, la seconde face latérale étant recouverte par au moins une électrode. Avantageusement, le matériau semiconducteur constituant le bloc possède un numéro atomique effectif, Z effectif, supérieur ou égal à 30. De manière préférée, le matériau semiconducteur est choisi parmi CdTe, CdZnTe, HgI2. Selon une variante, les électrodes en forme de bandes allongées sont découpées en colonnes électriquement isolées les unes des autres.- Selon une autre variante, l'électrode recouvrant la seconde face latérale est constituée de colonnes conductrices électriquement isolées les unes des autres. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit, donnée à titre explicatif et non limitatif, en référence aux dessins annexés sur lesquels: - la figure 1, déjà décrite, représente schématiquement un empilement de détecteurs conforme à l'art antérieur, - la figure 2A représente schématiquement une vue en perspective d'un détecteur conforme à l'invention; - la figure 2B représente schématiquement une vue en perspective, sous un angle différent de celui de la figure 2A, d'un détecteur conforme à l'invention; - la figure 3 représente schématiquement une variante de réalisation d'un détecteur conforme à l'invention. - la figure 4 représente schématiquement une autre variante de réalisation d'un détecteur conforme à l'invention. Les figures 2A et 2B représentent schématiquement deux vues en perspective selon deux angles différentes d'un détecteur conforme à l'invention. Un tel détecteur comporte un bloc semiconducteur 20. Ce bloc peut prendre la forme d'un paraléllépipède rectangle ou carré. Sur l'exemple représenté sur les figures 2A et 2B, il possède une face avant 22 rectangulaire apte à la réception des rayons X. Le matériau semiconducteur constituant le bloc 20 possède avantageusement un numéro atomique effectif, Z effectif, supérieur ou égal à 30. Il est par exemple choisi parmi CdTe, Cd(1 x), ZnxTe avec x Avec le CdTe, on peut utiliser par exemple des blocs semiconducteurs commercialement disponibles et présentant des dimensions de 10 x 10 mm2 pour les côtés et 2 mm d'épaisseur (l'épaisseùr est aussi la largeur de la face avant). Le bloc 20 possède deux faces latérales 24, 26 en vis à vis et contiguës à la face avant 22. Les faces 24 et 26 sont ici les faces adjacentes à la longeur de la face avant 22. Elles sont chacune recouvertes par des électrodes. La première face latérale 24 visible sur la figure 2A est recouverte par dix électrodes 28a, ... , 28j isolées électriquement les unes des autres et correspondant chacune à une zone de détection sensible à une gamme d'énergie particulière. Le nombre d'électrodes dépend du nombre de gammes d'énergie désiré par l'utilisateur et le nombre dix n'est donné qu'à titre illustratif. Les éléctrodes 28a, ..., 28j présentent chacune une forme de bande allongée. Elles possèdent différentes largeurs et sont rangées sur la face 24 par ordre de largeur croissante, l'électrode 28a de plus faible largeur jouxtant la face avant 22 receptrice des rayons X. Pour un matériau semiconducteur donné, la largeur d'une électrode, considérée en relation avec sa position dans la succession des bandes, va déterminer la sensibilité de la zone délimitée par l'électrode à telle ou telle gamme d'énergie. Le choix des différéntes largeurs peut être déterminé à partir du taux d'interaction dans les détecteurs. L'utilisation de dix détecteurs en CdTe peut s'effectuer avec des largeurs variant par exemple de 20 Fm à lom. Les électrodes 28a, ... , 28j sont par exemple en or. Elle peuvent être réalisées par toute technique connue de dépôt sur le matériau semiconducteur choisi qui aboutisse à la réalisation d'une couche de 0,1 micromètre d'épaisseur sur la face considérée. Le dépôt peut être par exemple du type électrochimique. Les bandes allongées peuvent être découpées une fois le dépôt réalisé, à l'aide d'une scie à fil. Préférentiellement, elles sont réalisées lors du dépôt par lithographie, un masquage assurant une distance entre les bandes suffisante pour assurer l'isolation électrique entre les bandes. La face latérale 26, visible sur la figure 2B est entièrement recouverte par une électrode 30. Cette électrode peut, elle aussi, être en or. De même que précédemment, toute technique connue de dépôt sur le matériau semiconducteur choisi peut être utilisée. Le faisceau de rayons X, référencé par la lettre X sur les figures, pénètre le détecteur par la face avant 22. Le bloc semiconducteur 20 est polarisé sous l'effet d'une différence de potentiel appliquée entre chaque électrode 28a, ..., 28j d'une part et l'électrode 30 d'autre part. Par photoabsorption, chaque photon X est à l'origine de la création d'un électron libre dans le bloc. Le longueur du trajet d'un photon X dans la tranche semiconductrice est dépendante de son énergie. Ainsi, un photon X pénètre d'autant plus profondement dans la tranche qu'il possède une énergie élevée. Lors de leur trajet, les électrons libres engendrent un grand nombre (de l'ordre de 10000) de paires "électron-trou" par ionisation. De cette manière, chaque photoabsorption d'un photon X donne lieu à un signal électrique positif ou négatif selon qu'on mesure le signal au niveau de l'électrode portée à un potentiel positif ou de celle portée à un potentiel négatif.. Les lignes de champ de polarisation étant perpendiculaires aux faces latérales 24, 26, le trajet des électrons (ou des trous) dans l'épaisseur du bloc semiconducteur 20 s'effectue sensiblement perpendiculairement aux faces latérales 24, 26. Donc le signal engendré est localisé dans la profondeur de la tranche, cette localisation correspondant à l'énergie du photon X absorbé. C'est pourquoi chaque électrode 28a, ..., 28j en forme de bande allongée selon la longueur de la face avant 22 délimite un secteur correspondant à une zone sensible à une gamme d'énergie déterminée. Les largeurs des bandes ne sont pas égales et vont croissant car la relation liant l'énergie d'un photon et le trajet moyen parcouru avant une photoabsorption n'est pas linéaire. Pour créer la polarisation du semiconducteur, l'électrode 30 est portée à un potentiel V compris dans une gamme allant de 10 à 100 Volts; dans ce cas, les électrodes 28a, ..., 28j sont portées à un potentiel sensiblement égal au potentiel de masse. Contrairement aux dispositifs de mesure spectroscopique de l'art antérieur pour lesquels on mesure la charge créée par chaque photon individuellement, avec un dispositif conforme à l'invention, on effectue des mesures intégrées dans le temps, autrement dit on mesure la charge collectée par chaque électrode 28a, ... , 28j pendant des durées successives, par exemple de l'ordre de 10 ms Un exemple de dispositif effectuant cette mesure de charge est représenté sur la figure 2A uniquement pour l'électrode 28j mais on comprend que chaque électrode 28a, ... 28i est connectée à un dispositif de ce type. Les fils de connexion reliant les dispositifs de mesure de charge aux électrodes sont collés par ultrason ou thermiquement. La disposition des électrodes 28a, ... , 28j sur la face latérale 24 permet de réaliser ces connexions sans problème. De plus la face latérale 24 n'étant pas à proximité d'une autre électrode, tout risque de court circuit est éliminé. Le dispositif de mesure de courant comprend un intégrateur composé d'un amplificateur de courant 34 relié à un condensateur 32. Un interrupteur 37 est connecté aux bornes du condensateur 32. Un interrupteur 36 permet, quand il est fermé, de charger le condensateur 32, l'interrupteur 37 étant ouvert. Le condensateur 32 se décharge lorsque l'interrupteur 36 est ouvert, l'interrupteur 37 étant fermé. Le signal correspondant à l'intensité mesurée est délivré en sortie de l'amplificateur. Sur les figures 2A et 2B, le dispositif représenté possède une face avant 22 receptrice des rayons X et correspondant à un pixel (ce pixel ayant différentes réponses, selectives en énergie). Cette face rectangulaire peut avoir des dimensions comprises entre 1 et 2 mm pour la largeur et entre 1 etlO mm pour la longueur. Sur le dispositif représenté sur la figure 3, on utilise la grande longueur de la face avant pour réaliser plusieurs pixels (chacun ayant des réponses selectives en énergie conformément à l'invention). On voit sur la figure 3 que les electrodes en forme de bandes allongées sont découpées en colonnes électriquement isolées les unes des autres. Ce découpage peut être effectué à la scie à fil ou même par lithographie lors du dépôt de la couche conductrice. On obtient donc des électrodes 28aa, 28ab, ... , 28ba, 28bb, en forme de pavé. Ces pavés conducteurs sont donc rangés en lignes, les pavés d'une même ligne possédant la même largeur et en colonnes, les pavés d'une même colonne correspondant au même pixel et étant sensibles aux différentes gammes d'énergie. Dans les exemples de réalisation représentés sur les figures 2A, 2B, 3, l'électrode 30 recouvre totalement la face latérale 26 du bloc semiconducteur 20. La figure 4 représente une autre variante de réalisation où l'électrode recouvrant la face 26 est découpée en colonnes 30a, 30b ... , isolées les unes des autres. On obtient de cette manière autant de pixels que de colonnes. Le dispositif conforme à l'invention permet donc bien d'obtenir des réponses sélectives en énergie en évitant les problèmes de l'art antérieur. En particulier, les électrodes des différents secteurs correspondant aux différentes gammes ne sont pas en vis à vis ce qui réduit les risques de courts circuits, facilite la réalisation du détecteur et permet des connexions aisées avec les systèmes de mesure associés ainsi qu'avec les générateurs de potentiel. D'autre part, un tel détecteur, par exemple dans la variante représentée sur la figure 3, peut être associé à d'autres détecteurs du même type pour former une barrette de mille pixels environ. Ces barrettes sont utilisées pour effectuer de l'imagerie de contrôle, de surveillance ou d'inspection. On fait défiler un objet soumis à un faisceau de rayons X devant la barrette. Cette dernière délivre un signal correspondant à une ligne de l'image (en fait, à une ligne d'image pour chaque gamme d'énergie détectée). L'image complète est donc reconstituée ligne après ligne. Avec les empilements de l'art antérieur et de connexion électrique, l'encombrement des détecteurs, les difficultés d'assemblage sont autant de problèmes diminuant les performances des barrettes. Les détecteurs conformes à l'invention sont parfaitement adaptés à un arrangement en ligne, tranche contre tranche, les connexions se faisant sur les faces latérales laissées libres. REVENDICATIONS 1. Détecteur de rayons X à semiconducteur pour l'obtention de réponses sélectives en énergie caractérisé en ce qu'il comprend: - un bloc semiconducteur (20) parallélépipédique comportant une face avant (22) apte à la réception de rayons X, le bloc (20) possédant en outre des première et seconde faces latérales (24, 26) en vis à vis et contigues à la face avant (22), la première face latérale (24) étant recouverte par des électrodes (28a, ... 28j) électriquement isolées les unes des autres en forme de bandes allongées, ces électrodes possédant différentes largeurs et étant rangées par ordre de largeur croissante, l'électrode (28a) de plus faible largeur jouxtant la face avant (22), la seconde face latérale (26) étant recouverte par au moins une électrode (30). 2. Détecteur selon la revendication 1 caractérisé en ce que le matériau semiconducteur constituant le bloc (20) possède un numéro atomique effectif, Z effectif, supérieur ou égal à 30. 3. Détecteur selon la revendication 2 caractérisé en ce que le matériau semiconducteur est choisi parmi CdTe, CdZnTe, HgI2. 4. Détecteur selon la revendication 1 caractérisé en ce que les électrodes (28a, ... 28j) en forme de bandes allongées sont découpées en colonnes électriquement isolées les unes des autres. 5. Détecteur selon la revendication 1 caractérisé en ce que l'électrode recouvrant la seconde face latérale (26) est constituée de colonnes conductrices (30a, 30b, ... ) électriquement isolées les unes des autres.