Brevet FR2848676A1 — publié le 20040618

La présente invention concerne l'analyse d'un flux de particules reçu par un détecteur de particules pendant un intervalle donné, notamment dans le but de mesurer l'énergie incidente correspondante. Les détecteurs considérés dans la présente invention sont des 5 détecteurs connus, qu'ils soient de type unitaire ou matriciel, et quelles que soient les matières, semi-conductrices ou autres, qui les composent. Il peut par exemple s'agir d'un détecteur utilisant un matériau CdZnTe, soumis à des rayons X. Les signaux émis par ces détecteurs peuvent être soit des courants électriques, soit d'une nature physique pouvant être convertie de manière 10 connue en courant électrique. On supposera simplement que la réception d'une particule par le détecteur déclenche un signal de sortie ayant la forme d'une impulsion d'une certaine largeur et dont l'amplitude maximale est représentative de l'énergie de cette particule. De plus, l'invention concerne les systèmes de mesure fonctionnant 15 en intégration, au moyen desquels on mesure l'énergie totale du rayonnement reçu par le détecteur pendant une durée prédéterminée en intégrant sur cette durée le courant issu du détecteur. L'invention s'applique à tout domaine o l'analyse d'un flux de particules peut être utile, par exemple, dans le cas o ces particules sont des 20 photons, en radiologie, en fluoroscopie ou en imagerie. Elle est particulièrement adaptée aux domaines o l'on recherche un procédé de traitement du signal qui, bien qu'étant de haute qualité (au sens o ledit procédé permet des mesures très exactes du flux), utilise pour ce faire un dispositif peu encombrant; c'est notamment le cas quand ce dispositif est 25 composé non pas d'un détecteur unique (pixel), mais d'une matrice de pixels, car la taille de l'électronique utilisée est alors limitée par le pas des pixels. Dans la suite de la description, pour fixer les idées, on parlera de détection de " photons " (c'est à dire de la mesure de caractéristiques d'un rayonnement électromagnétique), mais on se rendra compte que l'invention est 30 totalement indépendante de la nature des particules détectées. Une cause importante de limitation de la qualité de traitement du signal est le bruit de fond qui est toujours présent dans le courant émis par le détecteur. Ce bruit de fond comprend au moins deux composantes. La première composante est le " courant d'obscurité ", c'est-à-dire le courant fluctuant, d'origine thermique, émis par le détecteur, même quand il ne reçoit pas de photons; la valeur de ce courant dépend de la température du 5 détecteur et de son état de polarisation. La seconde composante est le " courant de traînage ", c'est-à-dire le courant fluctuant qui se manifeste pendant un certain temps après la réception d'un photon par le détecteur; dans les détecteurs utilisant des matières semi-conductrices, le courant de traînage est principalement d aux défauts cristallins de ces matières. Examinons les conséquences de ce bruit de fond sur l'exactitude des mesures effectuées au moyen des dispositifs connus fonctionnant en intégration. Dans ces dispositifs, on intègre directement le courant issu du détecteur, et l'on soustrait ensuite de la charge ainsi calculée une quantité 15 censée représenter l'effet du bruit de fond, afin d'obtenir la valeur représentative de l'énergie incidente proprement dite. Cette façon de procéder classiquement est probablement motivée par le désir de rendre compte de la totalité de l'énergie incidente, y compris les valeurs faibles, d'o l'absence de dispositif de traitement du courant avant l'intégrateur. Mais, comme expliqué ci20 dessus, on ne peut attribuer de valeur exacte au bruit de fond, en raison notamment des dérives thermiques, des fluctuations thermiques et du traînage. De ce fait, les mesures d'énergie incidente selon l'art antérieur sont entachées d'erreurs, dont l'importance, en outre, est difficile à estimer. L'invention a donc pour objet des dispositifs relativement compacts 25 capables de diminuer, dans les mesures de flux de particules, la part due aux dérives et aux fluctuations du bruit de fond présentes dans les signaux issus d'un détecteur, notamment lorsque ce flux de particules est relativement faible. L'invention concerne ainsi, premièrement, un dispositif de traitement du signal (l) issu d'un détecteur de particules, ledit dispositif comprenant un 30 intégrateur destiné à mesurer la charge totale transportée par un signal (i2) alimentant ledit intégrateur pendant un temps prédéterminé. Selon l'invention, ce dispositif comprend en outre un ensemble d'unités destiné à recevoir le signal (i) issu dudit détecteur, à réduire le bruit de fond présent dans ce signal (1), et à produire ledit signal (i2). En effet, les auteurs de la présente invention se sont rendus compte que les moyens modernes de détection du signal étaient suffisamment précis 5 et peu bruyants en eux-mêmes pour que l'on puisse envisager de placer des organes de correction du signal en amont de l'intégrateur plutôt qu'en aval, sans pour autant perdre une partie significative de l'information contenue dans ce signal ou engendrer de composante parasite significative dans ce signal. On peut alors choisir des organes adéquats pour atténuer, voire supprimer, telle ou 10 telle composante du signal appartenant au bruit de fond. Selon des caractéristiques particulières de l'invention, l'une desdites unités est destinée à supprimer la composante continue du bruit de fond. Cette composante est essentiellement constituée par le courant d'obscurité, dont la dérive thermique sera supposée être suffisamment lente pour qu'on puisse 15 valablement considérer le courant d'obscurité comme une composante continue. Cette unité pourra, par exemple, comprendre un condensateur en série. Selon d'autres caractéristiques particulières de l'invention, l'une desdites unités est destinée à réduire la composante fluctuante du bruit de 20 fond. Cette composante est essentiellement constituée par les fluctuations du courant d'obscurité et par le courant de traînage. Selon des caractéristiques encore plus particulières, ladite unité destinée à réduire la composante fluctuante du bruit de fond comprend: un convertisseur associant à un courant d'entrée une tension de sortie 25 (e), suivi - d'un déclencheur à seuil laissant passer le courant lorsque ladite tension (e) dépasse une première valeur de seuil prédéterminée (El), et empêchant le passage du courant lorsque la tension (e) passe en dessous d'une seconde valeur de seuil prédéterminée (S2), suivi - d'un convertisseur associant à une tension d'entrée un courant de sortie. On suppose ici, pour fixer les idées, que l'impulsion de tension e(t) prend des valeurs positives; le lecteur transposera facilement les caractéristiques de l'invention au cas o l'on observe des valeurs négatives. Le dispositif selon l'invention s'affranchit ainsi totalement de la 5 charge électrique transportée par le signal entre les impulsions, de sorte que l'effet des fluctuations du bruit de fond n'est ressenti que pendant la courte durée de ces impulsions, au cours desquelles on effectue les mesures. Il en résulte une amélioration sensible de la qualité des mesures par rapport aux dispositifs classiques. L'invention concerne aussi, deuxièmement, un dispositif de traitement des signaux produits par un ensemble de détecteurs de particules, ledit dispositif étant remarquable en ce qu'au moins l'un de ces signaux est traité au moyen d'un dispositif tel que ceux décrits succinctement cidessus. On notera que les divers dispositifs selon l'invention peuvent 15 facilement être réalisés au moyen de composants à semi-conducteurs miniaturisés classiques, comme on le montrera dans la description détaillée cidessous, d'o le faible encombrement de ces dispositifs, ainsi qu'un faible cot de construction. Enfin, l'invention vise divers appareils d'analyse d'un flux de 20 particules incorporant au moins un dispositif tel que ceux décrits succinctement ci-dessus. D'autres aspects et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée, que l'on trouvera ci-dessous, de modes particuliers de réalisation donnés à titre d'exemples non limitatifs. Cette description se 25 réfère aux dessins annexés, dans lesquels: - la figure 1 représente un dispositif classique de traitement du signal issu d'un détecteur de particules, - la figure 2 représente un dispositif de traitement du signal issu d'un détecteur de particules selon un mode de réalisation de l'invention, - la figure 3 représente un mode de réalisation de l'unité de la figure 2 destinée à réduire la composante fluctuante du bruit de fond, et - la figure 4 montre comment le signal issu de l'intégrateur varie en fonction du temps, quand on utilise l'unité représentée sur la figure 3. La figure 1 représente un dispositif classique de traitement du signal issu d'un détecteur de particules 1, qui peut, par exemple, utiliser un matériau 5 CdZnTe, être alimenté par une source à haute tension HT, et servir à la mesure d'un rayonnement X. Le détecteur 1 émet, en réponse à l'arrivée d'un photon sur sa surface réceptrice, une impulsion de courant i. Le courant i est traité par un intégrateur 2 pour donner un signal de sortie s qui représente la charge 10 électrique totale véhiculée par le courant i pendant le temps t. L'intégrateur 2 peut par exemple comprendre un amplificateur A2 et un condensateur C2 en parallèle. De plus, un interrupteur SW2, commandé par une unité logique 3, réinitialise le processus d'intégration à des intervalles prédéterminés T. La figure 2 représente, selon un mode de réalisation de l'invention, un dispositif 100 de traitement du signal issu d'un détecteur de particules 1. Le détecteur 1 est semblable à celui de la figure 1. Ce dispositif 100 comprend un intégrateur 2 et une unité logique 3 qui sont eux aussi semblables aux organes correspondants de la figure 1. Conformément à l'invention, on a inséré entre le détecteur 1 et l'intégrateur 2 des unités 4 et 5 destinées à recevoir le courant i issu du détecteur 1, à réduire le bruit de fond présent dans ce courant i, et à produire le signal i2 alimentant l'intégrateur 2. Dans ce mode de réalisation, on a inséré une résistance de 25 polarisation Rp entre le détecteur 1 et la source à haute tension HT, afin de stabiliser la tension de sortie du détecteur 1. Le courant i issu du détecteur 1 entre dans une unité 4 destinée à supprimer la composante continue du bruit de fond. Dans ce mode de réalisation, cette unité 4 est simplement constituée par un condensateur C1. Le courant il sortant de l'unité 4 entre ensuite dans une unité 5 destinée à réduire la composante fluctuante du bruit de fond. Enfin, le courant i2 sortant de cette unité 5 alimente l'intégrateur 2, dont sort finalement le signal s(t) " corrigé " selon l'invention. La figure 3 représente un mode de réalisation de l'unité 5 de la figure 2. Dans ce mode de réalisation, le signal de courant il(t) issu de l'unité 4 est converti en un signal de tension e(t) dans le convertisseur 6. Dans ce mode de réalisation, le convertisseur 6 est constitué d'un amplificateur A1 en parallèle avec une résistance R1. En variante, on pourra y ajouter un élément supplémentaire en 10 parallèle constitué d'un condensateur (non représenté), ce qui permet de transformer l'amplificateur de courant A1 en un amplificateur des charges électriques issues du détecteur 1. Il faut alors ajouter, en série avec cet ensemble, un filtre passe-bande (non représenté), ce qui permet de revenir à une tension qui soit l'image du courant issu du détecteur 1. Cette variante de 15 réalisation permet, comme le mode de réalisation indiqué ci-dessus, de réduire la part du bruit de fond dans les mesures, mais avec un meilleur rapport signal sur bruit, en échange d'une configuration légèrement plus complexe. L'unité 5 comprend ensuite un déclencheur à seuil 7, représenté ici schématiquement sous la forme d'un interrupteur SW1 commandé par une 20 unité logique 8, et qui pourra par exemple, en pratique, comprendre un comparateur. Le déclencheur à seuil 7 laisse passer le courant lorsque la tension e(t) dépasse une première valeur de seuil prédéterminée El, et empêche le passage du courant lorsque la tension e(t) passe en dessous d'une seconde 25 valeur de seuil prédéterminée g2. On ajustera lesdits seuils El et E2 en fonction de l'application envisagée de manière à ce que leur valeur soit suffisamment basse pour laisser passer la plus grande partie du courant lors des impulsions résultant de l'impact d'une particule sur le détecteur, et à ce qu'elle soit suffisamment élevée pour ne pas laisser passer le courant lorsque ce dernier 30 ne contient que les fluctuations du courant d'obscurité et/ou le courant de traînage. L'unité 5 comprend enfin un convertisseur 9 qui associe au signal de tension à la sortie du déclencheur à seuil 7, un courant i2. Dans ce mode de réalisation, le convertisseur 9 est simplement constitué par une résistance R2. La figure 4 illustre le comportement respectif des signaux e et s en fonction du temps t. La fonction e(t) montre une succession d'impulsions au-dessus de la tension de repos (prise ici comme origine), entre t = to et t = t1, puis entre t = t2 et t = t3, et ainsi de suite; ces impulsions sont naturellement la traduction à travers les unités 4 et 6 des impulsions présentes dans le courant i. La courbe 10 de la tension e(t) illustrée en figure 4 montre les irrégularités dues aux fluctuations thermiques et au traînage; en pratique toutefois, l'amplitude relative de ces irrégularités n'est généralement pas aussi importante que celle représentée ici pour mieux expliquer l'invention. Dans ce mode de réalisation, on a pris, pour le seuil de 15 déclenchement du déclencheur à seuil 7: ú1 = ú2 E. La courbe représentant le signal s(t) sortant du dispositif 100 selon l'invention montre donc l'intégration des charges véhiculées par le courant i diminué notamment de la composante continue du bruit de fond. On observe que ce signal s(t) reste constant dans les périodes, 20 telles que l'intervalle entre t = t1 et t = t2, situées entre les impulsions engendrées par l'impact d'un photon sur le détecteur. Ainsi, grâce à l'invention, la charge totale mesurée est complètement débarrassée du bruit de fond agissant au cours des périodes entre les impulsions. D'autre part, le signal s(t) présente des parties ascendantes dans les 25 périodes, telles que l'intervalle entre t = to et t = t1, ou entre t = t2 et t = t3, correspondant à l'impact d'un photon sur le détecteur. La charge totale mesurée est débarrassée de la composante continue du bruit de fond agissant au cours des périodes d'impulsions comme elle l'est dans les périodes entre les impulsions. S'il est vrai que le dispositif selon l'invention ne supprime pas la 30 charge électrique due à la composante fluctuante du bruit de fond au cours des périodes d'impulsions, on se rend aisément compte que cette contribution à la charge totale est d'autant plus faible que la durée totale des impulsions est courte par rapport à la durée totale de mesure T. L'invention est donc d'autant plus avantageuse que le flux de particules est faible, mais on notera en outre que lorsque le flux de particules considéré est important, la charge totale mesurée est élevée, et la composante fluctuante du courant issu du détecteur est alors de toutes façons négligeable. La présente invention ne se limite pas aux modes de réalisation décrits ci-dessus: en fait, l'homme de l'art pourra mettre en oeuvre diverses variantes de l'invention tout en restant à l'intérieur de la portée des revendications ci-jointes. Par exemple, on se rendra aisément compte qu'au 10 lieu de placer, entre le détecteur 1 et l'intégrateur 2, l'unité 4 avant l'unité 5, on peut également les placer dans l'ordre inverse, moyennant un ajustement adéquat des seuils El et 92. REVENDICATIONS 1. Dispositif (100) de traitement du signal (î) issu d'un détecteur de 5 particules (1), ledit dispositif comprenant un intégrateur (2) destiné à mesurer la charge totale transportée par un signal (i2) alimentant ledit intégrateur (2) pendant un temps prédéterminé, caractérisé en ce qu'il comprend en outre un ensemble d'unités (4,5) destiné à recevoir le signal (1) issu dudit détecteur (1), à réduire le bruit de fond présent dans ce signal (i), et à produire ledit signal (i2). 10 2. Dispositif de traitement du signal selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'une (4) desdites unités est destinée à supprimer la composante continue du bruit de fond. 3. Dispositif de traitement du signal selon la revendication 2, caractérisé en ce que ladite unité (4) comprend un condensateur (Cl) en série. 15 4. Dispositif de traitement du signal selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'une (5) desdites unités est destinée à réduire la composante fluctuante du bruit de fond. 5. Dispositif de traitement du signal selon la revendication 4, caractérisé en ce que ladite unité (5) comprend: - un convertisseur (6) associant à un courant d'entrée une tension de sortie (e), suivi - d'un déclencheur à seuil (7) laissant passer le courant lorsque ladite tension (e) dépasse une première valeur de seuil prédéterminée (g1), et empêchant le passage du courant lorsque la tension (e) passe en dessous 25 d'une seconde valeur de seuil prédéterminée (82), suivi - d'un convertisseur (9) associant à une tension d'entrée un courant de sortie. 6. Dispositif de traitement du signal selon la revendication 5, caractérisé en ce que ledit convertisseur (6) comprend un amplificateur A1 en 30 parallèle avec une résistance R1. 7. Dispositif de traitement du signal selon la revendication 5, caractérisé en ce que ledit déclencheur à seuil (7) comprend un comparateur. 8. Dispositif de traitement du signal selon la revendication 5, caractérisé en ce que ledit convertisseur (9) comprend une résistance R2. 9. Dispositif de traitement des signaux produits par un ensemble de détecteurs de particules, caractérisé en ce qu'au moins l'un de ces signaux est 5 traité au moyen d'un dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 8. 10. Dispositif de traitement de signaux selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que lesdites particules sont des photons. 11. Appareil de radiologie, caractérisé en ce qu'il comprend au 10 moins un dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 10. 12. Appareil d'imagerie, caractérisé en ce qu'il comprend au moins un dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 10. 13. Appareil de fluoroscopie, caractérisé en ce qu'il comprend au moins un dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 10. 15