Brevet FR2812089A1 — publié le 20020125

DETECTEUR DE RAYONNEMENT A DUREE DE VIE ACCRUE La présente invention concerne les détecteurs de rayonnement comportant un capteur photosensible associé à un convertisseur de rayonnement. Les domaines d'application de ce type de détecteur sont notamment la radiologie: radiographie, fluoroscopie, mammographie, mais également le contrôle non destructif. De tels détecteurs de rayonnement sont connus par exemple par le brevet français FR 2 605 166 dans lequel un capteur formé de photodiodes en silicium amorphe est associé à un convertisseur. Le fonctionnement et la structure d'un tel détecteur de rayonnement vont être rappelés succinctement. Le capteur photosensible est généralement réalisé à partir d'éléments photosensibles à l'état solide arrangés en matrice. Ces éléments ne sont pas sensibles directement aux rayonnements de longueurs d'ondes très courtes comme le sont les rayons X ou gamma. C'est pourquoi, on associe le capteur photosensible au convertisseur de rayonnement qui comporte une couche d'une substance scintillatrice. Cette substance a la propriété, lorsqu'elle est excitée par de tels rayonnements, d'émettre un rayonnement de longueur d'onde supérieure (de la lumière visible ou proche du visible), auquel est sensible le capteur. La lumière émise illumine les éléments photosensibles du capteur qui effectuent une conversion photoélectrique et délivrent des signaux électriques exploitables par des circuits appropriés. Pour obtenir une bonne collection de la lumière émise par le convertisseur vers le capteur, on donne au convertisseur et au capteur sensiblement la même taille et on les couple optiquement par proximité. Le matériau de couplage, air ou colle, possède une épaisseur faible devant la résolution spatiale de l'ensemble pour dégrader le moins possible la qualité de l'image délivrée par le capteur. Dans une première configuration, le scintillateur est déposé sur un support qui forme alors une fenêtre d'entrée que le rayonnement à détecter doit traverser avant d'atteindre le scintillateur. Dans une autre configuration, le capteur sert de support au scintillateur qui est alors en contact direct et intime avec lui. Le capteur comporte généralement en surface une couche de passivation destinée à protéger les éléments photosensibles notamment de l'humidité. Le scintillateur est ensuite recouvert d'une feuille de protection, étanche à l'humidité, qui sert de fenêtre d'entrée pour le rayonnement à détecter. Les éléments photosensibles sont réalisés à partir de matériaux semiconducteurs, le plus souvent du silicium monocristallin pour les capteurs de type CCD ou CMOS, du silicium polycristallin ou amorphe. Un élément photosensible comporte au moins une photodiode, un phototransistor ou une photorésistance. Ces éléments sont déposés sur o10 un substrat généralement une dalle de verre. Certaines substances scintillatrices de la famille des halogénures alcalins ou des oxysulfures de terres rares sont fréquemment employées pour leurs bonnes performances. L'iodure de césium dopé au sodium ou au thallium selon que l'on souhaite une émission vers 400 nanomètres ou vers 550 nanomètres respectivement, est connu pour sa forte absorption des rayons X et pour son excellent rendement de fluorescence. Il se présente sous la forme de fines aiguilles que l'on fait croitre sur un support. Ces aiguilles sont sensiblement perpendiculaires à ce support et elles confinent en partie la lumière émise vers le capteur. Leur finesse conditionne la résolution du détecteur. Les oxysulfures de lanthane et de gadolinium sont aussi très employés pour les mêmes raisons. Mais parmi ces substances, certaines ont comme inconvénient d'être peu stables, elles se décomposent partiellement lorsqu'elles sont exposées à l'humidité et leur décomposition libère des espèces chimiques qui migrent soit vers le capteur soit à l'opposé du capteur. Ces espèces sont très corrosives. L'iodure de césium et l'oxysulfure de lanthane notamment ont cet inconvénient. En ce qui concerne l'iodure de césium, sa décomposition donne de l'hydroxyde de césium Cs+ OH- et de l'iode libre 12 qui peut ensuite se combiner avec des ions iodures pour donner le complexe 1-3. En ce qui concerne l'oxysulfure de lanthane sa décomposition donne du sulfure d'hydrogène H2S chimiquement très agressif. L'humidité est extrêmement difficile à supprimer, il y en a toujours dans l'air ambiant, la colle en contient des traces, soit à cause de l'air ambiant, soit comme sous-produit de la polymérisation si celle-ci résulte de la condensation de deux espèces chimiques, ce qui est fréquent. Les deux configurations présentent des avantages mais également des inconvénients. Le collage permet d'optimiser séparément le convertisseur et le capteur. Le convertisseur peut recevoir des traitements thermiques qui risquent d'être incompatibles avec le capteur. Pour déposer de l'iodure de césium, on l'évapore par chauffage et il se dépose sur le support en se condensant. On effectue ensuite une opération de recuit à environ 300 C o10 pour atteindre un optimum de rendement de fluorescence. Lorsque le scintillateur est déposé directement sur le capteur, il faut faire un compromis sur la température de recuit pour ne pas endommager le capteur. Un autre avantage est que le capteur et le convertisseur ne sont assemblés que s'ils ont été testés avec succès ce qui permet d'améliorer le rendement global de fabrication: lors du dépôt direct chaque fois que le convertisseur est défectueux, le capteur est mis au rebut car on ne se risque pas à faire du recyclage. L'épaisseur de colle pour l'assemblage apporte quelques pertes en termes de résolution spatiale et de collection de lumière. Le dépôt direct du scintillateur sur le capteur offre les meilleures conditions de couplage optique. Dans les deux configurations, la fenêtre d'entrée doit répondre aux exigences suivantes: être la plus transparente possible au rayonnement à détecter, être étanche à l'humidité et compatible avec les espèces chimiques libérées lors de la décomposition, pratiquement inévitable, du scintillateur, absorber ou réfléchir la lumière produite par le scintillateur mais pas la transmettre et avoir des propriétés mécaniques compatibles avec les manipulations subies par le détecteur. Lorsqu'on désire disposer d'un détecteur dont la résolution est très bonne, on a intérêt à prévoir une fenêtre d'entrée qui absorbe la lumière émise par le scintillateur vers l'arrière c'est à dire à l'opposé du capteur par rapport au scintillateur. Mais on perd en sensibilité. Au contraire, lorsqu'on désire disposer d'un détecteur dont la sensibilité est grande, on a intérêt à prévoir une fenêtre d'entrée qui réfléchit vers le capteur la lumière émise par le scintillateur vers l'arrière. On accroît ainsi le signal lumineux reçu par le capteur pour une même quantité de rayonnement. Ce gain en sensibilité se fait au détriment de la résolution car à partir d'un photon X, la lumière transmise directement et la lumière réfléchie atteignent le capteur en des points d'impact différents. L'image obtenue est un peu moins nette que dans le cas précédent. Avec les détecteurs radiologiques actuels, dans les conditions de rapport signal sur bruit de la radiographie générale, il peut être globalement plus intéressant de réduire la réflectivité de la fenêtre d'entrée. En effet, plusieurs centaines d'électrons sont créés par un o10 photon X absorbé, car le scintillateur transforme un photon X en un grand nombre de photons lumineux. L'essentiel est que chaque photon X soit détecté par le capteur après transformation en électron. Si le bruit de lecture dans le capteur est comparable au signal résultant de l'absorption d'un photon X, le fait de réduire la réflectivité permet, sans dégrader le rapport signal sur bruit et la sensibilité, d'améliorer la résolution. Si le scintillateur est déposé sur la fenêtre d'entrée et est rapporté sur le capteur, celle-ci doit supporter sans dommage les contraintes thermiques du dépôt et du traitement du scintillateur et posséder un coefficient de dilatation du même ordre de grandeur que celui du scintillateur et que celui du capteur (plus particulièrement son substrat) . On peut aussi prévoir que la fenêtre ait un module d'élasticité faible, ce qui permet de supprimer des contraintes différentielles entre d'une part la fenêtre et le scintillateur et d'autre part la fenêtre et le capteur (plus particulièrement son substrat). On supprime ainsi les risques de craquèlement du scintillateur et de bris du substrat du capteur. Enfin son état de surface doit permettre, notamment pour l'iodure de césium une croissance d'aiguilles les plus fines possibles, de la manière la plus uniforme possible. La finesse des aiguilles est un facteur de qualité pour la résolution du détecteur. Actuellement les fenêtres d'entrée sont en aluminium. La transparence de l'aluminium au rayonnement à détecter est excellente, ses propriétés optiques sont bonnes, I'étanchéité à l'humidité est parfaite, on peut obtenir après traitement un état de surface satisfaisant pour y déposer le scintillateur. Mais ses propriétés thermiques et sa résistance à la corrosion ne sont pas satisfaisantes ce qui implique que la fiabilité d'un tel détecteur ne peut être garantie dans les conditions environnementales les plus sévères comme la chaleur humide. Il est souhaitable que de tels détecteurs de rayonnement aient une durée de vie compatible avec la durée d'amortissement des appareils de radiologie ou autre sur lesquels ils sont montés, cette durée étant de l'ordre de 10 ans. La présente invention propose un détecteur de rayonnement à durée de vie accrue dont la fenêtre d'entrée ne possède pas les inconvénients des fenêtres en aluminium. On a trouvé selon l'invention qu'il serait avantageux de remplacer la fenêtre d'entrée en aluminium par une fenêtre d'entrée à base de titane. Plus précisément le détecteur de o10 rayonnement selon l'invention comporte un scintillateur réalisé dans un matériau sensible à l'oxydation humide, placé entre un capteur photosensible et une fenêtre d'entrée du rayonnement, la fenêtre d'entrée étant réalisée à base de titane. Une telle fenêtre remplit les exigences listées plus haut et son coût est supportable. La fenêtre d'entrée peut être réalisée en totalité en titane pur ou allié ou bien comporter une couche en titane pur ou allié accolée à une couche d'un matériau diélectrique absorbant le moins possible le rayonnement à détecter. La couche en matériau diélectrique peut être choisie parmi les matériaux plastiques organiques, le verre, la céramique. Des matériaux plastiques organiques de la catégorie des polymères et notamment le polyimide conviennent très bien. La couche en titane pur ou allié est située entre la couche en matériau diélectrique et le scintillateur. On peut améliorer globalement les performances du détecteur et réaliser un compromis entre résolution et sensibilité si la surface en titane pur ou allié de la fenêtre du côté du scintillateur possède une réfiectivité réduite. Cette réflectivité réduite peut être obtenue par oxydation anodique ou chimique. La fenêtre d'entrée peut porter le scintillateur qui est alors rapporté sur le capteur photosensible. Dans une autre configuration c'est le capteur photosensible qui porte le scintillateur sur lequel est rapportée la fenêtre d'entrée. Le scintillateur peut appartenir à la famille des halogénures alcalins tel que l'iodure de césium ou des oxysulfures de terres rares tel que l'oxysulfure de lanthane par exemple. L'invention sera mieux comprise et d'autres caractéristiques et avantages apparaîtront à la lecture de la description qui suit en référence aux figures annexées parmi lesquelles: - la figure 1 est une coupe schématique d'un exemple de détecteur de rayonnement selon l'invention; les figures 2 et 3 sont des coupes schématiques de variantes de détecteurs de rayonnement selon l'invention. Sur ces figures, les échelles ne sont pas respectées dans un souci de clarté. On se réfère à la figure 1. Le capteur de rayonnement porte la référence 1. Il comporte un substrat 2 en principe une dalle en verre, support d'éléments photosensibles 3. Chaque élément photosensible 3 est monté entre un conducteur de ligne et un conducteur de colonne de manière à pouvoir être adressé. Les conducteurs ne sont pas visibles sur la figure dans un but de simplification. Les éléments photosensibles 3 et les conducteurs sont généralement recouverts d'une couche de passivation 4 destinée à les protéger de l'humidité. Le.capteur 1 coopère avec un convertisseur 5 qui dans l'exemple est couplé optiquement au capteur 1 avec de la colle optique 6. Le convertisseur 5 comporte une couche de scintillateur 7, représentée avec une structure en aiguilles, déposée sur un support 8. Ce support 8 au lieu d'être en aluminium comme auparavant est réalisé à base de titane. Ce support 8 sert de fenêtre d'entrée pour les rayons X. On suppose que le scintillateur 7 appartient à la famille des halogénures alcalins tel l'iodure de césium qui est particulièrement sensible à l'oxydation humide, mais il pourrait également appartenir à la famille des oxysulfures de terres rares dont certains membres sont également peu stables comme l'oxysulfure de lanthane. L'aluminium ne donne pas toute satisfaction essentiellement à cause de sa mauvaise résistance à la corrosion par les sous-produits de décomposition du scintillateur. Tout inciterait à le remplacer par un métal précieux malgré son coût. Mais en fait, les métaux précieux (or, argent, platine.....) ne donneraient pas satisfaction car leurs numéros atomiques sont beaucoup trop élevés (47 pour l'argent, 78 pour le platine et 79 pour l'or) et ils absorbent beaucoup trop le rayonnement d'entrée (rayons X, rayons gamma). L'absorption d'un tel rayonnement par un corps simple croit comme le cube de son numéro atomique. Il faudrait augmenter beaucoup trop les doses et les énergies du rayonnement pour pouvoir les utiliser. Le titane est connu pour être attaqué par l'iode pur dès 25 C comme l'indique le Traité de Chimie Minérale de P. Pascal, Edition MASSON. Les inventeurs se sont aperçus que le titane résistait bien à la corrosion provenant de la décomposition de l'iodure de césium à l'air humide, bien que la décomposition de l'iodure de césium à l'humidité produise l'élément iode, mais les quantités sont faibles. Il semble que le titane résiste bien aussi aux sous-produits provenant de la décomposition de l'oxysulfure de lanthane. Le numéro atomique du titane (égal à 22) est bien plus élevé que celui de l'aluminium (égal à 13) ce qui n'incitait pas à le choisir. Mais ses propriétés mécaniques et sa densité moyenne égale à environ 4,5 rendent possible son utilisation en adaptant son épaisseur, de l'ordre de 50 à 100 micromètres par exemple, de manière que l'absorption du rayonnement à détecter soit convenable. En effet un support d'environ 50 centimètres de côté en titane pur ou allié dont l'épaisseur est comprise dans la fourchette citée plus haut, est suffisamment rigide pour être manipulé sans précaution particulière. Avec de telles épaisseurs, en radiographie générale, I'absorption des rayons X s'élève à environ 2 à 5 %, ce qui est acceptable. La radiographie générale correspond à des énergies comprises entre environ 30 keV et keV et à des doses comprises entre 1 et 50 micro Grays. En ce qui concerne les propriétés optiques, en traitant une feuille de titane par oxydation anodique ou chimique, on obtient une surface dépolie grise ou même colorée et peu réfléchissante. Ce traitement peut se faire avec de l'acide fluoronitrique. On peut obtenir une réflectivité diffuse typiquement de 30 à 40% seulement avec du titane pur au lieu des à 80% obtenus avec l'aluminium. Le support 8 peut être en titane pur ou en alliage par exemple du TA6V qui est un alliage de titane répandu. Le titane ou ses alliages possèdent de plus les propriétés thermiques, d'élasticité, d'étanchéité à l'humidité requises et un état de surface satisfaisant peut être obtenu pour la croissance de l'iodure de césium. Les facteurs de mérite des détecteurs de rayons X, connus sous le nom d'efficacité de détection quantique (sigle DQE en langue anglaise) et de fonction de transfert de modulation, s'avèrent meilleurs avec une fenêtre à base de titane qu'avec une fenêtre à base d'aluminium. Au lieu de déposer le scintillateur 7 sur le support 8 à base de titane l0 et de rapporter l'ensemble sur le capteur 1 comme l'illustre la figure 1, il est possible de déposer le scintillateur 7 directement sur le capteur 1 et de recouvrir le scintillateur 7 d'une feuille 9 à base de titane qui sert de fenêtre d'entrée pour les rayons X. Cette variante est illustrée à la figure 2. On peut envisager notamment pour réduire l'absorption du rayonnement à détecter d'associer le titane pur ou en alliage avec un matériau diélectrique absorbant le moins possible ce rayonnement, tel qu'un matériau plastique organique, de la céramique, du verre. On peut se référer à la figure 3 qui montre une fenêtre d'entrée 80 comportant une couche en titane pur ou allié 81 accolée à une couche en matériau diélectrique 82. La couche en titane 81 se trouve du côté du scintillateur et elle est recouverte de la couche en matériau diélectrique 82. Certains matériaux plastiques organiques (polymères) ont pour avantages de très peu absorber les rayons X même de basse énergie, et de résister aux hautes températures, de posséder de bonnes propriétés mécaniques et élastiques, de se mettre en forme facilement. Leur inconvénient est qu'ils n'assurent pas l'étanchéité à l'humidité requise mais cette exigence est obtenue par le titane. Des verres ou encore des céramiques contenant peu d'éléments lourds peuvent également convenir au point de vue absorption des rayons X notamment. La couche 81 en titane pur ou allié pourra être déposée sur le par tout moyen connu du spécialiste par exemple la pulvérisation, l'évaporation sous vide, le dépôt chimique, le dépôt électrolytique. On peut même fixer par collage une feuille en titane pur ou allié sur la couche diélectrique. La couche en titane pur ou allié peut avoir une épaisseur de quelques micromètres. REVENDICATIONS 1. Détecteur de rayonnement comportant un scintillateur (7) réalisé dans un matériau sensible à l'oxydation humide, placé entre un capteur photosensible (1) et une fenêtre d'entrée (8, 9, 80) du rayonnement, caractérisé en ce que la fenêtre d'entrée (8, 9, 80) est réalisée à base de titane. 2. Détecteur de rayonnement selon la revendication 1, caractérisé en ce que la fenêtre d'entrée (8, 9) est en titane pur ou allié. 3. Détecteur de rayonnement selon la revendication 1, caractérisé en ce que la fenêtre d'entrée (80) est réalisée avec une couche en titane (81) pur ou allié accolée à une couche d'un matériau diélectrique (82) absorbant le moins possible le rayonnement à détecter. 4. Détecteur de rayonnement selon la revendication 3, caractérisé en ce que la couche en matériau diélectrique (82) est réalisée en matière plastique organique, en verre, en céramique. 5. Détecteur de rayonnement selon la revendication 4, caractérisé en ce que la matière plastique organique est de la catégorie des polymères tels que le polyimide. 6. Détecteur de rayonnement selon l'une des revendications 3 à 5, caractérisé en ce que la couche (81) en titane pur ou allié est située entre la couche en matériau diélectrique (82) et le scintillateur (7). 7. Détecteur de rayonnement selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que la fenêtre d'entrée (8, 9, 80) à une épaisseur comprise entre environ 50 à 100 micromètres. 8. Détecteur de rayonnement selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que la fenêtre d'entrée (8, 9, 80) possède, du côté du scintillateur (7), une surface à réflectivité réduite. 9. Détecteur de rayonnement selon la revendication 8, caractérisé en ce que la surface à réflectivité réduite est obtenue par oxydation. 10. Détecteur de rayonnement selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que la fenêtre d'entrée (8, 80) porte le scintillateur (7) qui est rapporté sur le capteur photosensible (1). 11. Détecteur de rayonnement selon l'une des revendications 1 à 9, o10 caractérisé en ce que le capteur photosensible (1) porte le scintillateur (7) sur lequel est rapportée la fenêtre d'entrée (9). 12. Détecteur de rayonnement selon l'une des revendications 1 à 11, caractérisé en ce que le scintillateur appartient à la famille des halogénures alcalins tel que l'iodure de césium ou des oxysulfures de terres rares tel que l'oxysulfure de lanthane. 13. Détecteur de rayonnement selon l'une des revendications 3 à 12, caractérisé en ce que la couche en titane pur ou allié est collée sur la couche en matériau diélectrique. 14. Détecteur de rayonnement selon l'une des revendications 3 à 12, caractérisé en ce que la couche en titane pur ou allié est déposée par pulvérisation, évaporation, dépôt chimique, dépôt électrolytique sur la couche en matériau diélectrique.