Brevet FR2853084A1 — publié le 20041001

i Scintillateur X pour détection de rayons X et procédé de fabrication d'un tel scintillateur Domaine technique de l'invention L'invention concerne un scintillateur X pour la détection de rayons X qui émet des photons dans le domaine visible ou proche infra-rouge lorsqu'il est soumis à un rayonnement incident X et qui est destiné à être placé devant un détecteur de ce rayonnement visible ou infra-rouge, ce scintillateur X ayant la forme d'une lame 10 de faible épaisseur composée d'un faisceau de fils parallèles, ces fils étant constitués d'un matériau sensible aux rayons X dispersé dans une matrice polymère. L'invention concerne également un procédé de fabrication d'un tel scintillateur X. État de la technique Les scintillateurs aujourd'hui utilisés sont soit des couches d'iodure de césium dopé (en particulier au sodium ou au thallium), soit des couches d'oxydes comme l'oxyde de gadolinium dopé par exemple à l'europium. Les scintillateurs en couches d'iodure de césium présentent une grande 20 sensibilité car les couches sont épaisses (plus de 200 pm typiquement) et permettent une bonne résolution en raison de la structure en aiguilles de ces couches. Ils sont cependant très sensibles à la vapeur d'eau et d'un coût élevé. Les scintillateurs en couches d'oxydes ou de borates n'ont pas cette sensibilité aux atmosphères humides mais le compromis entre une grande sensibilité et une 25 bonne résolution est difficile à obtenir. En effet, comme représenté sur la figure 1, un photon X 1 interagit avec la couche sensible 2 avec une probabilité d'autant plus grande que la couche 2 est épaisse. Une grande sensibilité réclame une forte épaisseur de couche, plus de 100 à 200 prm. Les photons visibles 3 sont émis par la couche sans direction préférentielle est sont absorbés par le détecteur 4 dans lequel ils produisent un signal. Tout photon émis non perpendiculairement à la surface du détecteur dégrade la résolution du dispositif. Objet de l'invention L'invention a pour but de remédier à ces inconvénients, et en particulier d'obtenir d'un scintillateur qui associe une grande sensibilité et une résolution élevée, tout en étant peu sensible à l'environnement, et à l'humidité en particulier. Selon l'invention, ce but est atteint par les revendications annexées et plus particulièrement par un scintillateur X constitué d'un assemblage de fibres 10 courtes parallèles entre elles, les fibres étant elles-mêmes constitués d'un polymère dans lequel est dispersé un composé oxyde dopé ou borate dopé ou sulfure dopé ou oxy-sulfure dopé qui émet des photons UV, visible ou infra-rouge lorsqu'il est soumis aux rayons X. Selon l'invention, les fibres formant l'assemblage sont parallèles entre elles, leur longueur formant l'épaisseur du 15 scintillateur X et leur diamètre dépendant de la résolution souhaitée, les fibres étant collées entre elles. Les photons émis par le composé contenu dans les fibres sont alors détectés par un dispositif placé derrière le scintillateur X. Selon un premier développement de l'invention, les fibres sont noircies ou 20 métallisées sur leur surface afin de guider les photons émis dans une fibre vers le détecteur, sans pouvoir diffuser latéralement. Les photons émis vers les surfaces latérales de la fibre sont soit absorbés soit réfléchis et progressent alors vers le détecteur. Ainsi les photons émis dans une fibre ne peuvent que sortir par l'extrémité de cette fibre. Cet effet de confinement est à l'origine de la grande 25 résolution obtenue avec ce scintillateur X. Selon un second développement de l'invention, les fibres sont collées entre elles par un composé opaque au rayonnement visible émis par le composé dispersé dans le polymère. Les photons émis vers les surfaces latérales de la fibre sont alors absorbés et ne peuvent que sortir par l'extrémité de cette fibre ce qui ne dégradent pas la résolution du scintillateur X. Un procédé de réalisation d'un scintillateur X selon l'invention comporte une opération de mélange du composé constituant la charge des fibres et le polymère 5 constituant les fibres, une opération de tirage des fibres 6, une opération d'enroulement des fibres autour d'un mandrin avec apport d'un composé de collage des fibres, une opération de découpe de cet enroulement en mince lames et perpendiculairement à l'axe des fibres. Selon un développement du procédé, les fibres sont métallisées ou noircies 10 après l'opération de tirage et avant l'opération d'enroulement. Description sommaire des dessins D'autres avantages et caractéristiques ressortiront plus clairement de la 15 description qui va suivre de modes particuliers de réalisation de l'invention donnés à titre d'exemples non limitatifs, et représentés aux dessins annexés, dans lesquels: La figure 1 représente, en coupe, un scintillateur X basé sur une couche d'oxyde dopé selon l'art antérieur. La figure 2 représente, en coupe, un scintillateur X selon l'invention La figure 3 représente, en vue de dessus, l'arrangement carré des fibres formant le scintillateur X selon l'invention La figure 4 représente, en vue de dessus, l'arrangement décalé des fibres formant le scintillateur X selon l'invention La figure 5 représente, en coupe, un scintillateur X dont les fibres sont métallisées selon un développement de l'invention La figure 6 représente, en vue de dessus, un agrandissement d'une petite zone d'un scintillateur X dont les fibres sont métallisées selon un développement selon l'invention La figure 7 représente, en vue de dessus, un agrandissement d'une petite zone d'un scintillateur X dont l'agent de collage des fibres est noir selon un développement selon l'invention La figure 8 représente, en vue de dessus, un arrangement de fibres de section carrée selon l'invention Description de modes particuliers de réalisation. La figure 2 illustre en coupe la structure du scintillateur X [5] selon l'invention. Les fibres [6] sont constituées d'un polymère dans lequel sont dispersées des particules d'un composé émettant des photons [3] UV, visibles ou dans le proche infra-rouge lorsqu'il est excité par un photon X incident [1]. Ce photon émis est alors produit alors un signal dans le détecteur [4] qui est par exemple un CCD 15 (dispositif à couplage de charges). Les fibres [6] sont arrangées en un réseau dense de ces fibres qui pavent la surface en regard du détecteur [4]. L'axe des fibres est perpendiculaire au plan du scintillateur X. Les fibres sont arrangées selon un réseau carré comme représenté en figure 3 ou selon un réseau décalé, plus dense, comme représenté en figure 4. Le choix de l'arrangement dépend de 20 la résolution recherchée et de la structure des éléments de détection du détecteur [4]. Le composé dispersé dans le polymère constituant les fibres [6] est choisi pour sa capacité à absorber les photons X, par exemple un oxyde ou un borate ou un sulfure ou un oxy-sulfure d'un élément dont la masse atomique est élevée, 25 typiquement supérieure à 100, par exemple du gadolinium ou du luthécium, et dopé avec un élément permettant la luminescence, en particulier une terre rare, par exemple de l'europium, du terbium, du thullium, etc... Le scintillateur 5 est constitué de fibres de longueur comprise entre 40 et 500 Pm, plus particulièrement entre 50 et 250,um. Le diamètre des fibres dépend de la résolution souhaitée et est compris entre 10 pm et 200 pm, plus particulièrement entre 25 pm et 60 pm, typiquement 30 pm. Les fibres sont collées entre elles par un composé de collage qui peut être une résine époxy ou polyester ou acrylique ou un polymère comme du PVB (polyvinyl 5 butyral), de l'EVA (Ethyl Vinyl acéthylène) ou tout autre composé permettant le maintien de fibres. Selon un développement de l'invention schématisé en figure 5, toutes les fibres [6] sont métallisées sur leur périphérie. Cette métallisation [7] a pour objet de 10 réfléchir vers l'intérieur de la fibre les photons [8] émis en dehors de l'axe de la fibre et d'augmenter le flux de photons qui atteint le détecteur [4]. Elle assure également une meilleure résolution de l'ensemble du dispositif. Cette métallisation peut être constituée d'une mince couche d'aluminium, de chrome, d'argent ou d'or mais tout autre métal qui apporterait un coefficient de 15 réflexion important peut convenir. L'épaisseur de la couche métallique est comprise entre 10 nm à 1 pum, typiquement 100 nm. La figure 6 montre en vue de dessus une petite zone du scintillateur avec la couche de métallisation [7] sur la périphérie des fibres [6] et le composé de collage [9] qui remplit l'espace entre les fibres métallisées. Selon un autre développement de l'invention, toutes les fibres [61 sont opacifiées sur leur périphérie afin d'absorber les fibre les photons émis en dehors de l'axe de la fibre et d'augmenter la résolution du dispositif. Cette opacification est obtenue par dépôt d'une couche mince par exemple de noir de carbone. Selon un autre développement de l'invention schématisé en figure 7, l'agent de collage qui assure le maintien de fibres entre elles et un composé opaque [10] aux photons émis par le composé émetteur de photons et dispersé dans le polymère des fibres. L'opacité du composé [9] permet l'absorption les photons 30 émis en dehors de l'axe de la fibre et d'augmenter la résolution de l'ensemble du dispositif. Cette opacité peut être obtenue de diverses façons mais en particulier en chargeant le composé de collage [9] avec une poudre de carbone. Selon une variante de l'invention schématisée en figure 8, les fibres 6 sont de 5 section carrée ou rectangulaire. Les fibres de section carrée ou rectangulaire permettent des arrangements plus denses, avec moins d'espace entre les fibres. Elles permettent aussi de s'adapter à la structure du détecteur [4]. Un procédé de réalisation d'un scintillateur X selon l'invention comporte une première étape de mélange du composé constituant la charge des fibres et le polymère constituant les fibres. Le polymère peut être choisi parmi une large gamme comme le polyéthylène, le polypropylène, le polyéthylène terephtalate, les polyesters, les acryliques, etc... Le composé constituant la charge des fibres 15 est un oxyde ou un borate ou un sulfure ou un oxy-sulfure d'un élément dont la masse atomique est élevée, typiquement supérieure à 100, par exemple du gadolinium ou du luthécium, et dopé avec un élément permettant la luminescence, en particulier une terre rare, par exemple de l'europium, du terbium, du thullium, etc.... Ce mélange est ensuite traité dans une filière pour 20 fabriquer de manière classique par tirage des fibres d'un polymère chargé. On dispose alors de fibres très longues, typiquement de plusieurs kilomètres de long, dont le diamètre et compris entre 40 et 500 pm, plus particulièrement entre 50 et 250 prm. Le diamètre des fibres est compris entre 10 pm et 200 llm, plus particulièrement entre 25 pm et 60 pim. Un procédé de réalisation d'un scintillateur X selon l'invention comporte ensuite une opération d'enroulement des fibres autour d'un mandrin avec apport d'un composé de collage des fibres, par exemple une résine époxy ou polyester ou acrylique ou un polymère comme du PVB (polyvinyl butyral), de V'EVA (Ethyl Vinyl acéthylène) ou tout autre composé permettant le maintien de fibres. Une opération de durcissement ou de polymérisation peut-être nécessaire après cette opération d'enroulement pour rendre rigide l'assemblage formé. Un procédé de réalisation d'un scintillateur X selon l'invention comporte enfin une opération de découpe de cet enroulement en mince lames et 5 perpendiculairement à l'axe des fibres. L'épaisseur des lames correspond ainsi à la longueur des fibres constituant le scintillateur X. Selon un développement d'un procédé de réalisation d'un scintillateur X selon l'invention, les fibres reçoivent un dépôt sur leur périphérie avant l'opération 10 d'enroulement. Le dépôt peut être un dépôt métallique, constitué d'une mince couche par exemple d'aluminium, de chrome, d'argent ou d'or mais tout autre métal qui apporterait un coefficient de réflexion important peut convenir. L'épaisseur de la couche métallique est comprise entre 10 nm à 1 Pm, typiquement 100 nm. Cette couche peut être déposée par tout moyen mais en 15 particulier par pulvérisation cathodique, par évaporation sous vide, par CVD, etc... Le dépôt peut aussi être constitué d'une mince couche de carbone déposé par trempé dans une solution de noir de carbone. L'invention n'est pas limitée aux modes particuliers de réalisation décrits et représentés ci-dessus. En particulier, le scintillateur peut être rapporté d'une manière quelconque, par exemple par collage, sur une substrat comme une lame de carbone ou d'aluminium, l'ensemble de fibres [6] étant alors emprisonnées entre ce substrat et le détecteur [4]. Revendications 1. Scintillateur X transformant un rayonnement X en un rayonnement UV, visible ou proche-infrarouge caractérisé en ce qu'il est constitué d'un assemblage de 5 fibres [6] parallèles entre elles, de longueur comprise entre 40 et 500 Pm, de diamètre compris entre 10.m et 200 IJm, les fibres [6] étant constitués d'un polymère dans lequel est dispersé un composé qui émet des photons UV, visible ou infra-rouge lorsqu'il est soumis aux rayons X, les fibres étant collées entre elles. 2. Scintillateur X selon la revendication 1 caractérisé en ce que le composé dispersé dans les fibres est choisi parmi les oxydes, borates, sulfure ou oxysulfure d'un élément lourd de masse atomique supérieure à 100 dopé avec une terre rare. 3. Scintillateur X selon l'une des revendications 1 et 2 caractérisé en ce que les fibres sont collées entre elles par une résine choisie parmi les époxy, les polyesters, les acryliques, le PVB ou l'EVA 4. Scintillateur X selon l'une des revendications 1 et 2 caractérisé en ce que les fibres possèdent une couche de métallisation [7] sur leur surface 5. Scintillateur X selon l'une des revendications 1 et 2 caractérisé en ce que les fibres sont collées entre elles par un composé [10] opaque au rayonnement UV, 25 visible ou proche-infrarouge émis par le composé dispersé dans le polymère 6. Scintillateur X selon l'une des revendications 1 et 2 caractérisé en ce que les fibres [6] sont de section carrée ou rectangulaire 7. Procédé de fabrication d'un scintillateur X selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'il comporte une opération de mélange du composé constituant la charge des fibres et du polymère constituant les fibres, une opération de tirage des fibres [6], une opération d'enroulement des 5 fibres autour d'un mandrin avec apport d'un composé de collage des fibres entre elles, une opération de découpe de cet enroulement en mince lames et perpendiculairement à l'axe des fibres. 8. Procédé de fabrication d'un scintillateur X selon la revendication 7, 10 caractérisé en ce qu'il comporte une opération de métallisation des fibres après l'opération de tirage et avant l'opération d'enroulement. 9. Procédé de fabrication d'un scintillateur X selon la revendication 7, caractérisé en ce qu'il comporte une opération de dépôt d'une couche mince d'un 15 composé opaque sur les fibres après l'opération de tirage et avant l'opération d'enroulement.