Brevet FR2709563A1 — publié le 19950310

"Système de focalisation de rayonnement de forte énergie" DESCRIPTION Domaine technique La présente invention conceme un système de focalisation de rayonnement de forte énergie. Etat de la technique antérieure La domaine de l'invention est celui de la propagation d'un rayonnement dans un matériau diffusant. Lorsqu'un objet en matériau diffusant est éclairé par une source, les photons le traversent en diffusant un certain nombre de fois, ou sont absorbés par le milieu. De fortes corrélations existent entre la géométrie de cet objet et la distribution angulaire des photons émergeants. Lorsque le rayonnement est pénétrant, comme c'est le cas des rayons X, les conditions aux limites (forme de l'objet) sont difficilement prises en compte dans l'estimation des grandeurs physiques définissant le rayonnement sortant. Ces demières, comme l'intensité spécifique ou le flux radiatif, en présence de diffusions, n'ont pas d'expressions analytiques et leur détermination nécessite différentes approximations ou des méthodes numériques. A l'heure actuelle, I'étude des milieux diffusants et du transfert radiatif conceme aussi bien la recherche dite fondamentale que les différentes techniques de spectroscopie et d'imagerie. En ce qui conceme ces dernières, on distingue deux types de préoccupations: celles dont l'objectif est d'éliminer le bruit de fond d'une image, bruit généré par du rayonnement diffusé, et celles dont le but est d'utiliser la diffusion pour réaliser des systèmes d'imagerie tridimensionnel. Un article intitulé "Compton back-scatter tomography of low atomic number materials with the surpass system" de J. Kosanetzky, G. Harding, K.H. Fischer et A. Meyer (NDT Intemational, volume 21, no. 3, décembre 1985, pages 2118-2132) décrit un système d'imagerie rétrodiffusé basé sur la détection du rayonnement Compton diffusé. En amont, la production d'un rayonnement X est obtenue par des sources couplées à des systèmes de collimation qui atténuent très nettement l'intensité du faisceau. De nombreux travaux visent à construire des optiques spécialement adaptées, permettant un contrôle optimal du rayonnement produit. Cependant, ces optiques ne fonctionnent qu'à de faibles énergies, "X mous". Elles font appel soit à la méthode dite de diffusion à petits angles et sont inefficaces à des énergies élevées, comme c'est le cas des "X durs", soit utilisent la réflexion de Bragg, comme étudiée dans les articles suivants - "Monochromatization by multilayered optics on a cylindrical reflector and on an ellipsoïdal focusing ring" de G.F. Marschal (Optical Engineering, volume 25, no 8,1986); -"A unified geometrical insight for the design of toroidal reflectors with multilayered optical coatings: figured X ray optics" (rapport du SPIE, volume 563, 1985). L'invention a pour objet de résoudre les différents problèmes existant dans les systèmes existants à des énergies plus élevées. ExPosé de l'invention L'invention propose un système de focalisation d'un rayonnement de forte énergie comprenant une source de rayonnement, un objet diffusant et un détecteur, caractérisé en ce que l'objet diffusant présente une symétrie de révolution autour de l'axe source-détecteur, en ce qu'il comporte une ouverture centrale et en ce qu'il est formé en un matériau permettant des diffusions multiples des photons émis par la source. Avantageusement la forme de l'objet est étroitement corrélée au type d'émission de la source (isotrope, lobe particulier d'émission), à la distance entre la source et l'objet et à la distance entre l'objet et le détecteur. La cavité intérieure de l'objet diffusant est corrélée à l'enveloppe extérieure de l'objet. Ces deux enveloppes extérieure et intérieure ont des formes spécifiques pour permettre la focalisation. L'objet diffusant a par exemple une forme extérieure cylindrique dont les faces avant et arrière sont des sections planes. Avantageusement l'ouverture centrale a une forme elliptique. Dans un premier exemple de réalisation, L'objet diffusant est une lentille convergente, constituée d'un milieu fortement diffusant, les diffusions des photons étant du type Compton, le rayonnement de la source devant être tel que la section efficace de diffusion Compton soit grande devant les dimensions de l'objet. Cet objet diffusant peut être un objet en carbone placé entre une source de rayons X de forte énergie et un détecteur, la densité du matériau étant p=1,58g/cm3 et, pour cette énergie, la section efficace de diffusion Compton étant E = 0,122cm2 /g, la distance d entre la source et le détecteur étant d=0,5 m, la forme extérieure de l'objet étant un cylindre de rayon rmax = 0,25m, L'équation de la cavité elliptique intérieure étant: r z = 1 a b avecb=d/2. Dans un second exemple de réalisation, L'objet diffusant est réalisé en un matériau faiblement diffusant et possède une ouverture centrale très fine qui est un canal dont l'ouverture est donnée par la taille du détecteur, la source est placée à l'intérieur de l'objet, L'énergie émise par la source étant à peine inférieure à celle correspondant aux pics d'absorption photoélectrique. Cet objet diffusant peut être un objet en radon, la section efficace de diffusion isotrope étant =0,2cm2 /g pour un rayonnement X de 98,4 keV, sa densité étant fixée à p= 9,73 i- g/cm3, L'équation de la forme extérieure étant: #e-#(s+L(y+(r+1)-#(y+x)=0 d est la distance entre la source et le détecteur, z et r sont les coordonnées cylindriques des points de la surface extérieure (z est négatif etr positif) et Dans un exemple de réalisation, la source et l'objet diffusant sont confondus en un objet source de forme extérieure focalisant le rayonnement reçu sur un détecteur placé contre elle, chaque point de l'objet source est supposé émettre de manière isotrope, L'équation de celui-ci étant de la forme: où r et z sont deux coordonnées cylindriques d'un point de la surface extérieure. A est défini par: A où v est le volume de l'objet, d étant la distance entre le détecteur et le point de la surface se trouvant à l'opposé du détecteur, on a (d = î/T). Cette source peut être réalisée par de la fluorécéine en solution soumise à un flash lumineux, ce milieu réémettant alors de manière isotrope. Les applications du système de l'invention sont nombreuses car elles concement tous les domaines qui ont besoin de focaliser un rayonnement pénétrant. Ces résultats peuvent être étendus à tous type de rayonnement, que ce soit pour des rayons X (entre le keV et le MeV) ou de la lumière. Brève descriPtion des dessins - La figure 1 illustre un objet focalisant possédant une cavité elliptique et utilisant la diffusion Compton; - la figure 2 illustre un objet focalisant par diffusion isotrope; - la figure 3 illustre la forme d'une source focalisante. ExPosé détaillé de modes de réalisation D'un point de vue général, la géométrie d'un objet éclairé par une source influence suffisamment le rayonnement diffusé émergeant pour espérer en faire une lentille convergente en volume. II s'agit de déterminer la forme adéquate de cet objet pour que les photons le traversant, après de multiples diffusions, soient focalisés sur une région de l'espace de taille finie. La détermination de cette forme doit être obtenue sans altérer les propriétés microscopiques du milieu telles que sa densité ou les lois de diffusion. Le système de l'invention s'appuie sur ces constatations pour réaliser la focalisation de rayonnements difficilement maîtrisables. Si on dispose d'une source isotrope 10 émettant une énergie Eo par unité de temps, L'énergie E, reçue sur un détecteur 11 de surface S, placé à une distance R de la source, par unité de temps, est: E, = Eo S ' 2xR2 Cette énergie est d'autant plus faible que le détecteur est éloigné de la source. Les photons, dont la direction de propagation n'est pas comprise dans l'angle solide sous-tendu par le détecteur, sont définitivement perdus. La mise en place d'un objet diffusant 12 de forme bien définie permet à une certaine fracticn de ces photons d'arriver sur le détecteur. Cette lentille doit posséder une ouverture centrale afin de ne pas atténuer le rayonnement direct. De plus, la droite source/détecteur doit être un axe de symétrie de la lentille. Plusieurs paramètres sont fondamentaux dans la détermination de la forme de la lentille: - la forme de la source (si elle est ponctuelle ce paramètre n'intervient pas) et la taille du détecteur; - les distances existant entre la lentille et le détecteur et entre la lentille et la source; - la densité du matériau et le volume total de la lentille; - le rayonnement utilisé, les lois de diffusion et d'absorption; - les sources intemes qui réémettent les photons absorbés. Ce demier paramètre nous permet de préciser qu'il existe une forme particulière de source qui maximise le flux reçu sur le détecteur (la lentille jouant le rôle de source secondaire). Sur la figure 1 la forme présentée n'est pas la géométrie exacte d'un objet focalisant 12, c'est la forme approchée d'une lentille convergente, constituée d'un milieu fortement diffusant. Les diffusions des photons sont du type Compton. Le rayonnement de la source est tel que le libre parcours moyen de diffusion Compton est faible devant les dimensions de l'objet. Cet objet peut être un objet en carbone placé entre une source de rayons X d'énergie 200 keV et un détecteur. La densité du matériau est p= 1,58 g/cm3 et, pour cette énergie, la section efficace de diffusion Compton est Le libre parcours moyen de diffusion est donc On choisit la distance d entre la source et le détecteur: d=0,5m. La forme extérieure de l'objet est un cylindre de rayon rmax = 0,25m. L'équation de la cavité elliptique intérieure 13 est: r2 z2 2 b2 d où b=-, avec a = 0,125m. 2 L'objet présenté sur la figure 2 est obtenu en supposant que le matériau utilisé est faiblement diffusant. II possède une ouverture centrale très fine. C'est un canal 13 dont l'ouverture est donnée par la taille du détecteur 11. La source 10 est placée à l'intérieur de l'objet 12. Afin de s'affranchir de l'effet photoélectrique, L'énergie émise par la source 10 doit être à peine inférieure à celles correspondant aux pics d'absorption photoélectrique (ces dernières diffèrent d'un matériau à l'autre). L'objet 12 peut être un objet en radon (z=83). La section efficace de diffusion isotrope est pour un rayonnement X de 98,4 keV. Sa densité est fixée à p= 9,73 10-3 g/cm3. Le libre parcours moyen de diffusion isotrope est donc En grandeurs adimensionnées, L'équation de la forme extérieure est: #e-#(s+L-(y+(r+1)-#(y+x)=0 d est la distance entre la source et le détecteur, z et r sont les coordonnées cylindriques des points de la surface extérieure (z est négatif etr positif). On a Ceci fixe d =1,02 m. Le volume de l'objet est v=0,995 d3=1,08m3. Sur la figure 3 on s'intéresse à la forme extérieure d'une source 10 focalisant le rayonnement reçu sur un détecteur Il placé contre elle. La source et l'objet diffusant sont alors confondus en un objet source. Chaque point de l'objet source est supposé émettre de manière isotrope. Ceci est important pour une réalisation possible. On peut utiliser la fluorécéine en solution. Celle-ci est soumise à un flash lumineux. Le milieu réémet alors de manière isotrope. L'équation de la forme optimisante est: ou r et z sont deux coordonnées cylindriques d'un point de la surface extérieure. A est défini par: où v est le volume de l'objet. Soit d la distance entre le détecteur et le point de la surface se trouvant à l'opposé du détecteur, on a : d = 1. ## Pour un volume de lm3, on aÀ=0,8887m2 et d=1,06m. REVENDICATIONS 1. Système de focalisation d'un rayonnement de forte énergie comprenant une source de rayonnement (10), un objet diffusant (12) et un détecteur (11), caractérisé en ce que l'objet diffusant (12) présente une symétrie de révolution autour de l'axe source/détecteur, en ce qu'il comporte une ouverture centrale (13) et en ce qu'il est formé en un matériau permettant des diffusions multiples des photons émis par la source (10). 2. Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que la forme de l'objet diffusant (12) est étroitement corrélée au type d'émission de la source (10), à la distance entre la source (10) et l'objet diffusant (12), et à la distance entre l'objet diffusant (12) et le détecteur (11). 3. Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que la cavité intérieure de l'objet diffusant est corrélée à l'enveloppe extérieure de l'objet, ces deux enveloppes extérieure et intérieure ayant des formes spécifiques pour permettre la focalisation. 4. Système selon la revendication 3, caractérisé en ce que l'objet diffusant a une forme extérieure cylindrique, dont les faces avant et arrière sont des sections planes. 5. Système selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'ouverture centrale (13) a une forme elliptique. 6. Système selon la revendication 5, caractérisé en ce que l'objet diffusant est une lentille convergente, constituée d'un milieu fortement diffusant, les diffusions des photons étant du type Compton, le rayonnement de la source devant être tel que le libre parcours moyen de diffusion Compton soit faible devant les dimensions de l'objet. 7. Système selon la revendication 6, caractérisé en ce que l'objet diffusant est un objet en carbone placé entre une source de rayons X de forte énergie et un détecteur, la densité du matériau étant p 1,58 g/cm3 et, pour cette énergie, la section efficace de diffusion Compton étant = 0,122cm2 / g, la distance d entre la source et le détecteur étant d = 0,5m, la forme extérieure de l'objet étant un cylindre de rayon r = 0,25m ; L'équation de la cavité elliptique intérieure étant: r2 z2 a bl avec b=d/2. 8. Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'objet diffusant (12) est réalisé en un matériau faiblement diffusant et possède une ouverture centrale (13) très fine qui est un canal dont l'ouverture est donnée par la taille du détecteur (11), la source (10) étant placée à l'intérieur de l'objet, L'énergie émise par la source étant à peine inférieure à celles correspondant aux pics d'absorption photoélectrique. 9. Système selon la revendication 8, caractérisé en ce que l'objet diffusant est un objet en radon, la section efficace de diffusion isotrope étant E =0,2cm2 / g pour un rayonnement X de 98,4 keV, sa densité étant fixée à p= 9,7310-3 g/cm3, L'équation de la forme extérieure étant: #e-#(s+L(y+(r+1)-#(y+x)=0 d est la distance entre la source et le détecteur, z et r sont les coordonnées cylindriques des points de la surface extérieure (z est négatif etr positif), et 10. Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que la source et l'objet diffusant sont confondus en un objet source de forme extérieure focalisant le rayonnement reçu sur un détecteur placé contre elle, chaque point de l'objet source étant supposé émettre de manière isotrope, L'équation de celuici étant de la forme: où r et z sont deux coordonnées cylindriques d'un point de la surface extérieure. A est défini par: où v est le volume de l'objet, d étant la distance entre le détecteur et le point de la surface se trouvant à l'opposé du détecteur, on a (d=1/TÀ). 11. Système selon la revendication 10, caractérisé en ce que la source est réalisée par de la fluorécéine en solution, soumise à un flash lumineux, ce milieu réémettant alors de manière isotrope. 12. Système selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que la source est une source de rayons X durs.