Brevet FR2793954A1 — publié le 20001124

DISPOSITIF DE DETECTION DE RAYONNEMENT A FORTE DYNAMIQUE DESCRIPTION Domaine technique L'invention concerne un dispositif de détection de rayonnement à forte dynamique. on entend par dispositif de détection à forte dynamique un dispositif capable de détecter un rayonnement aussi bien de faible flux que de fort flux. Le rayonnement dont il est question peut être un rayonnement X ou y, mais on pourrait utiliser d'autres types de rayonnement, de type corpusculaire par exemple, comme des faisceaux de protons. La seule contrainte est que ce rayonnement soit capable de créer des charges électriques au sein d'un matériau semi- conducteur dans un volume de l'ordre du millimètre cube. L'invention trouve des applications en particulier dans le domaine médical. Par exemple, pour une radiographie, le rayonnement X utilisé, avant d'arriver sur le dispositif détecteur, traverse le corps d'un patient où il est absorbé de façon inhomogène. Le flux ressortant peut donc localement varier considérablement (plusieurs décades). Un autre exemple peut être pris en radiothérapie le patient sera très faiblement irradié dans un premier temps pour le positionnement, puis très fortement irradié dans un deuxième temps pour le traitement. Un autre domaine est celui du contrôle non destructif par radiographie, par exemple de l'intérieur de containers (chargement des bateaux) qui peuvent présenter des absorptions très variées. Etat de la technique antérieure A l'heure actuelle, et en particulier dans le domaine médical, les détecteurs de rayonnement (par exemple X ou y) sont généralement des détecteurs à scintillateurs fonctionnant sur un principe de détection indirecte : le photon incident interagit avec le matériau scintillateur en créant des photons d'un autre type, photons qui sont multipliés par un photomultiplicateur afin de fournir un signal électrique mesurable. Ces détecteurs présentent une efficacité et une résolution qui peuvent être insuffisantes pour certaines applications. Ces caractéristiques peuvent être améliorées en remplaçant les détecteurs à scintillateur par des détecteurs à semi-conducteur. La figure 1 annexée décrit schématiquement un détecteur de ce type. Tel que représenté, le dispositif comprend un matériau semi-conducteur 2 encadré par deux électrodes 4 et 6, des moyens d'alimentation 8 aptes à porter l'électrode 6 à une tension appropriée (-V), des moyens pour mesurer le courant (i) délivré, comprenant, dans l'exemple illustré, un amplificateur 10 dont la sortie est rebouclée sur l'entrée par un condensateur 12, un interrupteur 14 étant en outre disposé aux bornes de ce condensateur. Le dispositif comprend enfin un appareil de mesure du courant (ou de la tension 16). Le rayonnement que l'on veut détecter est référencé 20 et il traverse le matériau semi-conducteur 2. Le fonctionnement de ce dispositif est le suivant. Le rayonnement 20 interagit avec le matériau semi- conducteur 2 en créant des charges électriques. Pour un même rayonnement incident, le nombre de charges créées est d'un ordre de grandeur supérieur à celui qui est obtenu en détection indirecte par un détecteur à scintillateur. Le champ électrique créé dans le matériau par les électrodes permet de collecter ces charges sur les électrodes et notamment l'électrode 4. Ces charges sont ensuite stockées dans le condensateur 12 et traitées dans le circuit 16 qui délivre un signal représentatif du rayonnement. Le condensateur d'intégration 12 est dimensionné de façon à pouvoir stocker la quantité de charges maximale que peut délivrer le matériau semi-conducteur. Cette quantité est fonction de la valeur du flux incident. Si le flux est très élevé, le nombre de charges à stocker sera élevé et les capacités nécessaires à leur stockage devront être grandes. Ces valeurs de capacité peuvent soit ne pas exister sur le marché des composants électroniques, soit impliquer des surfaces de capacité intégrée trop grandes pour la place disponible sur le circuit. La solution consiste donc à diminuer la quantité de charges à stocker, uniquement lorsque le flux incident est trop élevé. Mais il est essentiel de conserver les qualités fondamentales du détecteur, à savoir une bonne résolution spatiale ou un bon contraste. La résolution spatiale est la distance minimale qui doit séparer les points d'interaction avec le matériau de deux photons incidents pour que le détecteur puisse les différencier. La quantité de charges à stocker ne peut pas être diminuée par simple réduction du nombre de photons arrivant sur le détecteur. Cette méthode, valable pour les forts flux, ne conviendrait pas pour les faibles flux et le détecteur perdrait la dynamique nécessaire à l'application. De plus, le nombre de photons incidents doit rester conséquent car le bruit du signal électrique est proportionnel à 11#-N où N est le nombre de photons absorbés dans tout le volume du détecteur. La présente invention a justement pour but de proposer un dispositif de détection de rayonnement à forte dynamique qui ne présente pas ces inconvénients et permet de satisfaire à ces exigences contradictoires. Exposé de l'invention A cette fin, l'invention propose un dispositif dont la caractéristique essentielle est que l'une au moins des électrodes est fragmentée en zones conductrices électriquement isolées les unes des autres, les moyens d'alimentation étant aptes à porter chacune de ces zones à une tension appropriées. Ces moyens permettent de faire fonctionner le dispositif de deux manières différentes, selon les applications envisagées : - soit qu'on travaille à faible tension, sur la totalité du matériau, auquel cas on obtient un faible bruit et on améliore le contraste, - soit qu'on travaille sur une partie seulement du matériau mais avec une tension élevée, auquel cas on améliore la résolution spatiale. De façon précise, l'invention a donc pour objet un dispositif de détection de rayonnement énergétique, comprenant un matériau semi-conducteur apte à convertir ce rayonnement en charges électriques, au moins deux électrodes encadrant le matériau, des moyens d'alimentation aptes à porter ces électrodes à des tensions appropriées, des moyens pour mesurer le courant délivré, caractérisé en ce que l'une au moins des électrodes est fragmentée en zones conductrices électriquement isolées les unes des autres, les moyens d'alimentation étant aptes à porter chacune de ces zones à une tension appropriée réglable. Les zones de fragmentation peuvent prendre' diverses formes, notamment en bandes rectangulaires. Brève description des dessins - la figure 1, déjà décrite, illustre un détecteur de l'art antérieur ; - la figure 2 représente l'évolution du nombre de charges collectées en fonction de la valeur de la polarisation des électrodes ; - la figure 3 illustre schématiquement la fragmentation d'une électrode ; - la figure 4 montre un mode particulier de réalisation avec des zones de largeurs croissantes ; - la figure 5 montre un autre mode particulier de réalisation avec une succession de bandes de même largeur ; - la figure 6 illustre un mode particulier de réalisation dans lequel les deux électrodes sont fragmentées dans deux directions orthogonales. Description de modes particuliers de réalisation Selon un premier mode de fonctionnement du dispositif de l'invention, on réduit le nombre de charges collectées en réduisant le champ électrique appliqué au matériau semi-conducteur, donc la tension appliquée aux électrodes. Ce mode de fonctionnement n'est jamais utilisé dans l'art antérieur, car on considère qu'en baissant la tension de fonctionnement, les porteurs de charge vont migrer moins vite et se faire piéger en partie. Suivant le lieu de l'interaction rayonnement-matière (au voisinage des électrodes ou au centre du barreau), la quantité de charges stockées dans le condensateur sera très variable et le signal mesuré peu reproductible. Or, le Demandeur a montré qu'il n'en était rien pour les photons de haute énergie (de l'ordre du MeV). En effet, de tels photons créent des paires électron-trou dans un volume important, dont la section droite typique est de l'ordre de 1 à quelques MM2 Il existe alors des charges dans tout le volume séparant les électrodes. Lorsque le nombre de photons incidents est important (ce qui est le cas lorsque le problème de l'excès de charges se pose), on peut considérer que la répartition des charges dans le volume du semi-conducteur est uniforme (par moyennage) . C'est pourquoi, si le signal de sortie diminue avec la tension de polarisation, il reste néanmoins stable et reproductible. C'est ce que confirme la figure 2, qui montre la charge mesurée C (en unité arbitraire) en fonction de la tension de polarisation V, exprimée en volts. La courbe (exponentielle) est régulière et atteste d'une relation simple entre la variation de tension et la variation de quantité de charges collectées. Ce premier mode de fonctionnement permet donc de réduire la quantité de charges à traiter tout en préservant le contraste. Mais cela s'effectue au détriment de la résolution spatiale. Pour palier à cet inconvénient, l'invention propose un autre mode de fonctionnement (qui peut d'ailleurs être associé au premier) et qui exploite la fragmentation, d'une ou des électrode (s) . Les figures 3, 4 et 5 illustrent des exemples de réalisation de cette fragmentation. Ces exemples se rapportent à un barreau parallèlépipédique, mais, naturellement, cette forme n'est pas la seule possible. Sur la f igure 3, on voit un barreau 2 avec une grande dimension, appelée profondeur et repérée par la lettre p, parallèle à la direction du rayonnement 20 à détecter ; le barreau possède une largeur 1 et une hauteur h. Les faces séparées par la hauteur h portent les électrodes 4 et 6. Dans le cas illustré, l'électrode supérieure 6 est fragmentée en trois zones 6A, 6B et 6C, isolées électriquement les unes des autres et reliées aux moyens d'alimentation 8, lesquels sont aptes à appliquer à ces trois électrodes trois tensions réglables indépendantes l'une de l'autre. On obtient ainsi un dispositif dont le volume d'interaction est réglable selon que l'on applique ou non des tensions sur les différentes zones. En fonction de la valeur du flux incident, une ou plusieurs zones peuvent être mises sous tension et sont donc actives pour la collection des charges ; d'autres zones peuvent avoir une polarisation nulle. Lorsque le flux incident sera faible, toutes les zones d'électrodes pourront être connectées afin de collecter le maximum de charges ; lorsque le flux augmentera, une ou plusieurs zones seront désactivées, c'est-à-dire par exemple mises à la masse. Dans ce mode de fonctionnement, seules les charges créées en regard des électrodes alimentées sont collectées. Le nombre de charges à collecter étant moins élevé, la tension peut être réglée à sa valeur optimale, c'est-à-dire à une valeur suffisamment élevée pour obtenir une résolution spatiale de qualité. D'autre part, le volume de matériau impliqué étant plus petit, le nombre de photons participant à la création de charges est plus faible ce qui entraîne une augmentation de la valeur du bruit, ce qui détériore le contraste. Ce mode de fonctionnement permet donc de réduire la quantité de charges sans perdre la résolution spatiale mais au détriment du contraste. Dans certains cas, il pourra être opportun d'utiliser simultanément les deux modes de fonctionnement décrits, en réduisant la surface des électrodes actives et leur appliquant une tension plus faible que la tension optimale. La figure 4 illustre une variante du dispositif destinée à répondre à une très grande dynamique de flux. Dans cette variante, qui comprend encore trois zones 6A, 6B et 6C la largeur des bandes conductrices (comptée parallèlement à la profondeur du barreau) change d'une bande à l'autre selon une progression géométrique de raison 10 (la largeur est 10 fois plus grande pour la zone 6B que pour la zone 6A et 10 plus grande pour la zone 6C que pour la zone 6B) . On peut ainsi obtenir deux décades. La longueur des bandes 6A, 6B, 6C comptée parallèlement à la largeur 1 du barreau est sensiblement égale à la largeur du barreau. La première zone 6A, très étroite, sera utilisée avec une tension optimale et permettra d'obtenir des informations avec une grande résolution spatiale, tandis que la deuxième zone 6B et éventuellement la troisième 6C seront utilisées avec une faible tension et permettront d'obtenir des informations à fort contraste. Cette variante est intéressante dans le cas de faisceaux, qui diffusent dans le matériau dans un volume présentant une forme de poire, la profondeur de la partie étroite de la poire fixant la largeur de la première zone (6A). Cette variante peut être utilisée aussi dans le cas d'un faisceau incident multiénergétique, par exemple avec une énergie variant de 50keV à 20 MeV. La première électrode sera dimensionnée pour arrêter 99 % des photons de 50 keV (faible énergie), la deuxième pour arrêter 95 % des photons de quelques centaines de keV et la troisième pour arrêter le reste des photons de haute énergie (plus de 500 keV) . Les électrodes auront typiquement des largeurs respectivement de 50 à 100pm, de 200 à 500pm et de 2 à 3 cm. Ce système permet avec un seul détecteur de réaliser trois images à énergies différentes. Après traitement des images, il est possible de déduire la nature des matériaux qui ont atténué le faisceau. La figure 5 illustre un autre cas où six zones conductrices 6A, 6B, 6C, 6D, 6E, 6F ont même largeur. On obtient ainsi une structure périodique. La largeur des bandes peut être, par exemple, de 10 mm. Le dispositif de l'invention est particulièrement avantageux lorsqu'il est répété un certain nombre de fois pour constituer une matrice. Le dispositif est alors capable de déterminer le lieu d'interaction d'un photon avec le matériau semi-conducteur : il permet alors de réaliser une image. La fragmentation des électrodes n'augmentant pas de façon significative l'encombrement du dispositif, ce dernier peut donc être juxtaposé à d'autres dispositifs de même type. De façon avantageuse, pour éviter la découpe de fins dispositifs ainsi que leur manipulation, le matriçage peut être réalisé sur un même barreau mais de largeur plus conséquente, avec une fragmentation de l'électrode inférieure dans le sens de la profondeur. C'est ce qu'illustre la figure 6. On voit, sur cette figure, un dispositif qui comprend une électrode supérieure fragmentée en deux zones 6A et 6B et une électrode inférieure fragmentée en six zones 4a, 4b, 4c, 4d, 4e, 4f constituant des bandes rectangulaires parallèles à la profondeur du barreau. Les zones 6A, 6B d'une part, et les zones 4a, 4b, etc..., 4f, d'autre part, forment, dans leurs zones de recouvrement, une matrice de volumes élémentaires. Le matériau semi-conducteur utilisable dans l'invention qui vient d'être décrite peut être quelconque et, de façon avantageuse, être choisi parmi les semi-conducteurs présentant une haute résistivité (typiquement supérieure à 107Çkm) de façon à fournir un faible courant lorsqu'il est polarisé et non éclairé et parmi les semi-conducteurs présentant un facteur PT (produit de la mobilité par la durée de vie des porteurs) suffisamment élevé pour que les charges créées et soumises à un champ électrique aient le temps d'atteindre les électrodes (typiquement pour un champ électrique de 0,1 V/cm, P = 1000 CM2S-IV-1 , T 1PS). En particulier, le matériau peut être choisi dans le groupe consistant en le CdTe, le CdZnTe, l'AsGa, le Pb12, le Hg12 et le Se. Dans le cas de la détection d'un rayonnement X de quelques MeV pour la radiographie, le dispositif de l'invention est avantageusement utilisé sous forme d'un parallélépipède de CdTe présentant une surface d'entrée de l'ordre de 1 mm', la profondeur du barreau étant de 60 mm, pour présenter un pouvoir d'arrêt suffisant pour des photons d'une telle énergie. REVENDICATIONS 1. Dispositif de détection de rayonnement énergétique, comprenant un matériau semi-conducteur (2) apte à convertir ce rayonnement en charges électriques, au moins deux électrodes (4, 6) encadrant le matériau (2), des moyens d'alimentation (8) aptes à porter ces électrodes (4, 6) à des tensions appropriées (-V), des moyens pour mesurer le courant délivré (i), caractérisé en ce que l'une au moins des électrodes (4, 6) est fragmentée en zones conductrices (6A, 6B, 6C, 6D, 6E, 6F) électriquement isolées les unes des autres, les moyens d'alimentation (8) étant aptes à porter chacune de ces zones à une tension appropriée réglable. 2. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel le matériau semi-conducteur (2) présente une forme de barreau parallélépipédique avec une profondeur (p) destinée à être orientée parallèlement à la direction du rayonnement (20), une largeur (1) et une hauteur (h), ce barreau présentant deux faces parallèles séparées par ladite hauteur (h), les électrodes (4, 6) étant disposées sur ces faces. 3. Dispositif selon la revendication 2, dans lequel les zones conductrices de l'électrode fragmentée (6) sont en forme de bandes rectangulaires (6A, 6b, 6C, 6D, 6E, 6F) ayant une longueur parallèle à la largeur (1) du barreau (2) et une largeur parallèle à la profondeur du barreau (p). 4. Dispositif selon la revendication 3, dans lequel toutes les bandes (6A, 6B, 6C, 6D, 6E, 6F, figure 5) ont même largeur. 5. Dispositif selon la revendication 3, dans lequel les bandes (6A, 6B, 6C) présentent une largeur croissante dans le sens de la profondeur du barreau (2). 6. Dispositif selon la revendication 5, dans lequel les bandes ont des largeurs en progression géométrique de raison 10 (6A, 6B, 6C, figure 4). 7. Dispositif la revendication 1, dans lequel le matériau semi-conducteur est pris dans le groupe consistant en le CdTe, le CdZnTe, l'AsGa, le Pb12, le Hg12 et le Se. 8. Dispositif selon la revendication 2, dans lequel les deux électrodes (4, 6) sont fragmentées, l'une (6) étant constituée de zones en forme de bandes rectangulaires parallèles à la largeur (1) du barreau (6A, 6B, figure 6), et l'autre (4) étant constituée de zones (4A, 4B, 4C, 4D, 4E, 4F, figure 6) en forme de bandes rectangulaires parallèles à la profondeur (p) du barreau.