Brevet FR2871293A1 — publié le 20051209

DETECTEUR DE RAYONS X A SEMICONDUCTEUR A RESOLUTION SPATIALE AMELIOREE La présente invention concerne d'une façon générale les détecteurs de rayons x et, en particulier, un détecteur au tellure de cadmium-zinc (TCZ) utilisé en imagerie radiologique quantitative. Des mesures de l'absorption des rayons x par un objet à deux niveaux différents d'énergie de rayons x peuvent révéler des informations sur la composition de cet objet, décomposé en deux matières de base choisies. Dans le domaine médical, les matières de base choisies sont fréquemment de l'os et un tissu mou. La possibilité de distinguer de l'os par rapport à un tissu mou environnant permet à des images radiologiques de fournir des informations quantitatives sur la densité osseuse in vivo pour le diagnostic de l'ostéoporose et d'autres affections des os. Le fait de choisir certaines matières de base différentes permet d'utiliser à d'autres fins les mesures de rayons x à deux niveaux d'énergie. Par exemple, des mesures de rayons x à deux niveaux d'énergie peuvent servir à analyser la composition du corps en distinguant entre les tissus gras et les tissus maigres, ou pour l'examen de bagages en établissant une distinction entre des substances explosives et des substances non explosives. Des détecteurs au tellure de cadmium-zinc (TCZ) peuvent servir à mesurer des rayons x traversant un objet mesuré dans des systèmes radiographiques à deux niveaux d'énergie. De tels détecteurs au TCZ libèrent pour chaque photon incident une charge électrique proportionnelle à l'énergie du photon et permettent ainsi une mesure séparée de rayons x à niveaux d'énergie fort et faible, triés par hauteur d'impulsions. Globalement, un détecteur au TCZ emploie un certain nombre de cristaux séparés de TCZ ayant chacun une électrode à surfaces avant et arrière pour détecter des rayons x à l'intérieur d'un pixel défini par la surface du cristal. La construction d'un détecteur au TCZ nécessite l'assemblage de nombreux cristaux de TCZ séparés, ce qui peut être difficile. Des détecteurs à haute résolution comportant des pixels de dimensions plus petites nécessitent des cristaux plus petits, ce qui accentue le problème de l'assemblage. La présente invention propose un détecteur au TCZ à haute résolution, constitué par un cristal monolithique de TCZ comportant de multiples électrodes placées sur une même face pour définir de multiples pixels. La conception monolithique supprime les problèmes d'assemblage résultant de l'utilisation de nombreux cristaux séparés mais n'assure pas normalement la qualité des signaux liée à des modèles à cristaux séparés. Bien que les présents inventeurs ne souhaitent pas s'attacher à une théorie particulière, ils estiment que cette perte de qualité des signaux est provoquée par les chocs des rayons x entre les pixels définis par les électrodes (dans des régions de gouttières) qui libèrent des porteurs de charges, lesquels migrent ensuite de façon imprévisible jusque dans des pixels adjacents en faussant les mesures réalisées au niveau de ces pixels. C'est pourquoi la présente invention propose un masque d'arrêt des rayons x pour couvrir les régions de gouttières. Le masque d'arrêt des rayons x a des ouvertures alignées avec les électrodes sur la surface arrière et des éléments d'arrêt alignés avec les régions de gouttières pour arrêter les rayons x dans au moins une partie des régions de gouttières. Les électrodes présentes sur la surface arrière sont électriquement séparées par des régions de gouttières. Au moins une électrode est placée sur la surface avant. Dans un mode de réalisation, les éléments d'arrêt sont placés et dimensionnés par rapport à une source de rayons x pour projeter une ombre de rayons x couvrant sensiblement toute la région de gouttière. Dans un mode de réalisation, l'élément monolithique de détection est choisi dans le groupe comprenant TCZ, CdTe et HgI2. Dans un mode de réalisation, le masque d'arrêt est plus large que les régions de gouttières pour arrêter les rayons x dans la région de gouttière et dans une région bordant la région de gouttière. Dans un mode de réalisation, une couche isolante est intercalée entre l'élément monolithique de détection de rayons x et le masque d'arrêt des rayons x. Dans un mode de réalisation, la couche isolante est une feuille de Mylar. Dans un mode de réalisation, le masque d'arrêt de rayons x est en tungstène. Dans un mode de réalisation, un circuit d'extraction extrait des courants indépendants de chacune des électrodes séparées électriquement. Dans un mode de réalisation, les électrodes séparées électriquement sont disposées en colonnes et rangées rectilignes et le masque d'arrêt est une grille rectiligne. Dans un mode de réalisation, les électrodes séparées électriquement sont disposées sous la forme de rangées linéaires décalées d'une fraction de largeur de rangée le long des rangées, et le masque d'arrêt est une grille décalée ayant des éléments d'arrêt qui suivent des interfaces entre les électrodes. L'invention sera mieux comprise à l'étude de la description détaillée d'un mode de réalisation pris à titre d'exemple non limitatif et illustré par les dessins annexés, sur lesquels: la Fig. 1 est une vue en coupe d'un détecteur monolithique au TCZ selon la présente invention, mais sans masque couvrant les régions de gouttières, et présentant donc une migration de porteurs de charges depuis les régions de gouttières vers des régions de pixels adjacentes. La Fig. 1 représente également les circuits de détection utilisés pour déclencher la polarisation du détecteur monolithique et pour l'interpolation au sein des pixels définis; la Fig. 2 est une figure similaire à celle de la Fig. 1 représentant la mise en 15 place d'un masque par-dessus le détecteur pour empêcher les rayons x de frapper la région de gouttières; la Fig. 3 est une vue de dessus en plan de la surface arrière d'un détecteur monolithique au TCZ représentant la mise en place des électrodes de guidage dans un motif de grille et illustrant l'emplacement des anodes dans une configuration en parallélogrammes décalés pour améliorer l'échantillonnage dans une machine de radiographie à balayage; la Fig. 4 est une figure semblable à celle de la Fig. 2, représentant une autre configuration décalée possible d'électrodes utilisant des éléments de détection rectangulaires; la Fig. 5 est une vue en plan du détecteur des figures 1 et 2, représentant une configuration en colonnes décalées des éléments de détection; et la Fig. 6 est une figure semblable à la Fig. 3, représentant une autre forme de réalisation possible dans laquelle une seule cloison est utilisée pour définir des zones d'éléments de détection. Considérant maintenant la Fig. 1, un système de détecteur 10 de rayons x à deux niveaux d'énergie, à semiconducteurs, peut comporter un cristal monolithique de TCZ 12 ayant une surface avant 14 normalement en regard d'une source de photons 16 et 18 de rayons x et une surface arrière 20 sur le côté opposé du cristal de TCZ par rapport à la surface avant. On peut aussi utiliser d'autres matières telles que CdTe et HgI2. Une cathode 22 est placée sur la surface avant 14 du cristal de TCZ 12, et une anode 24 est placée sur la surface arrière 20 du cristal de TCZ 12 pour créer entre celles-ci un champ électrique polarisant. Globalement, la cathode 22 couvre toute la surface avant, mais l'anode ne couvre qu'une petite zone centrée sur la surface arrière. La cathode 22 et l'anode 24 peuvent être appliquées toutes deux directement sur le cristal de TCZ 12, par exemple par pulvérisation, et elles sont de préférence constituées d'un métal conducteur tel que le platine. La surface avant 14 du cristal de TCZ 12 peut également être protégée par une matière légère, opaque, laissant passer les rayons x, par exemple du Mylar aluminisé. Les anodes 24 sont séparées par une région de gouttière 25. Dans une forme de réalisation de l'invention, les anodes 24 ont une surface d'environ 1,5 x 2,5 millimètres et les régions de gouttières 25 ont une largeur d'environ 150 à 200 micromètres. Les régions de gouttières 25 servent à isoler électriquement les anodes 24 pour permettre une mesure indépendante de salves de charges libérées entre la cathode 22 présente sur la surface avant 14 et les anodes 24 présentes sur la surface arrière 20, sur l'axe 23 pour chaque région de pixel 15. De faibles champs électriques dans cette région (de gouttière) entre pixels sont responsables d'un manque d'efficacité de collection des charges. Bien que la forme de réalisation préférée puisse utiliser des électrodes de guidage (non représentées), il y a toujours une région (normalement de 0,1 0,2 mm) dans laquelle une charge est divisée entre deux pixels, en raison de la largeur finie de dépôt de charge créée par l'absorption des rayons x. Pour favoriser une collection efficace de charges déposées dans le cristal 12, une tension de polarisation délivrée par la source 31 de tension de polarisation est appliquée sur la cathode 22 et les anodes 24 opposées de chaque région de pixel 15 produisant un champ électrique 32. Des photons 16 de rayons x traversant la cathode 22 sur la surface avant 14 pénètrent dans le cristal monolithique 12 pour libérer des porteurs 34 (représentés ici sous la forme d'électrons) de charges, lesquels sont ensuite recueillis par les anodes 24 sur la surface arrière 20 et conduits, via des conducteurs séparés 36 pour chaque région de pixel 15, jusqu'à un intégrateur 38 de charge à la terre. La quantité de charges libérées par chaque photon 16 indique l'énergie du photon 16 de rayons x. Les signaux délivrés par les intégrateurs 38 de charge sont reçus par un processeur 40 qui peut produire une image quantitative des photons 16 de rayons x conformément à des techniques bien connues. A la différence des photons 16 de rayons x qui créent des collisions dans les régions de pixels 15, les photons 18 de rayons x entrant dans le cristal monolithique 12 au niveau de la région de gouttière 25 produisent des porteurs 39 de charges, qui peuvent migrer jusque dans une région de pixel 15 pour être recueillis par l'anode 24 sur la surface arrière 20. Ces porteurs 39 de charges dégradent la précision quantitative et la résolution spatiale d'un système de détection 10 à conception monolithique, en ajoutant une composante de bruit active à la charge recueillie à partir des photons 16 de rayons x. Considérant maintenant la Fig. 2, la présente invention réduit l'effet des porteurs 39 de charges en proposant un masque 44 en tungstène ayant des cloisons 45 couvrant des régions de gouttières 25 sur la surface avant 14 du cristal de TCZ 12. Les cloisons 45 peuvent avoir une largeur d'environ 300 micromètres pour légèrement chevaucher la région de gouttière 25, qui mesure de 150 à 200 micromètres, tout en limitant énormément les interférences avec les photons 16 de rayons x. Le masque 44 en tungstène peut être électriquement isolé de la cathode 22 sur la surface avant 14 du cristal monolithique 12 par un mince film de Mylar 42 qui assure sensiblement l'absence d'atténuation des rayons x. Il est entendu que d'autres matières atténuant les rayons x peuvent être utilisées pour le masque 44 en dehors du tungstène. Cependant, le tungstène est facilement usinable par laser pour être découpé aux dimensions appropriées d'une grille. Des points de repères peuvent être placés sur la surface avant 14 pour permettre la concordance du masque 44 avec les régions de gouttières 25 pendant la fabrication. Considérant maintenant aussi la Fig. 3, d'une manière générale le système de détecteur 10 de rayons x permet la mise en place de multiples éléments de détection sur un seul cristal de TCZ 12. Dans ce cas, de multiples anodes 24 seront placées sur le cristal de TCZ 12, entourées chacune par des électrodes de guidage 30, pouvant être interconnectées et couvertes par une seule cathode 22. De multiples contacts 28 d'anodes sont placés sur le cristal de TCZ 12. Les électrodes de guidage 30 qui entourent chaque anode 24 (un contact 28 d'anode d'une surface égale) décrivent par leur périmètre une région de pixel 15 associée à chaque contact 28 d'anode. Les électrodes de guidage ne sont pas nécessaires dans cette conception et les régions de pixels peuvent être définies par la combinaison du masque et la forme du champ électrique entre anode et cathode, avec ou sans grille de guidage. Les régions de pixels 15 décrivent des zones qui peuvent détecter, de manière indépendante, des photons 16 de rayons x pour produire une valeur quantitative de détection qui sera convertie en pixels individuels sur une image obtenue par la suite. Dans la forme de réalisation représentée sur la Fig. 3, les régions de pixels 15 sont globalement des parallélogrammes répartis à la manière de tuiles en rangées et en colonnes obliques. Dans la présente invention, chaque région de pixel en parallélogramme 15 a une première base 52 globalement perpendiculaire à une direction de balayage 54 dans laquelle le système de détecteur 10 de rayons x sera balayé pour recueillir des informations au-dessus d'une zone du patient. Les parois latérales 56 du parallélogramme et des régions de pixels 15 sont obliques de façon que les centres des régions de pixels 15 définis approximativement par le centre du contact 28 d'anode pour une première rangée de régions de pixels 15 suivent des cheminements 60 entrelacés avec les cheminements 62 suivis par les centres des régions de pixels 15 d'une deuxième rangée de régions de pixels 15. De la sorte, des régions de pixels plus grandes 15 peuvent permettre un échantillonnage à plus grande résolution spatiale afin d'améliorer l'image obtenue par la suite. En outre, les données perdues dans les zones de gouttières couvertes par un masque d'une même rangée sont récupérées dans la rangée suivante décalée. Considérant maintenant la Fig. 4, dans une autre forme de réalisation possible, les régions de pixels 15 peuvent être rectangulaires, les régions de pixels 15 d'une première rangée étant décalées par rapport à la deuxième rangée pour créer des cheminements entrelacés 60 et 62, comme précédemment Les régions rectangulaires de pixels 15 de la Fig. 3 offrent l'avantage d'une région de détection plus compacte limitant les dimensions effectives d'un noyau de convolution (une fonction de la largeur projetée des régions de pixels 15 sur une perpendiculaire à la direction de balayage 54) qui risque de rendre moins distincte l'image réalisée. Toujours en référence à la Fig. 4, un facteur de forme commode pour le système de détecteur 10 de rayons x comporte deux rangées ayant chacune huit régions de pixels 15. De multiples systèmes de détecteurs 10 ayant ce facteur de forme ou des facteurs de formes similaires peuvent être groupés sur les bords pour créer des prolongements arbitraires des rangées. Pour un système de détecteur 10 de rayons x ayant des régions rectangulaires de pixels 15, les régions de pixels 15a et 15b dans une première et une deuxième rangées d'un bord droit du système de détecteur 10 de rayons peuvent être découpées de manière oblique par rapport à la direction de balayage 54 afin de réduire de manière égale la surface des régions de pixels 15a et 15b. Les régions de pixels 15c et 15d réduites de la même manière dans une première et une deuxième rangées d'un bord gauche d'un système de détecteur 10' de rayons x suivant peuvent être placées à proximité immédiate de leurs régions de pixels équivalentes 15b et 15a. La surface de chaque région de pixel 15a 15d est réduite de la moitié de la largeur de l'intervalle entre les systèmes de détecteurs 10 et 10' de rayons x, ce qui préserve donc la régularité latérale des autres régions de pixels 15. Dans une autre forme de réalisation, la surface de chaque région de pixel 15a 15d est réduite à un peu moins de la moitié pour s'adapter à l'intervalle entre les systèmes de détecteurs 10 et 10' de rayons x. Cela crée deux régions de pixels virtuelles, la première étant une combinaison des signaux émanant des régions de pixels 15a et 15d et la seconde étant une combinaison des régions de pixels 15b et 15c. La surface de détection légèrement réduite de ces régions de pixels virtuelles des détecteurs peut être corrigée mathématiquement par un facteur de pondération appliquée par l'ordinateur recevant les signaux. Considérant maintenant la Fig. 5, le masque 44 pour l'une ou l'autre des formes de réalisation selon les figures 3 et 4 correspond globalement à la combinaison des électrodes de guidage 30 et est situé au-dessus de la cathode 22, en étant isolé de la cathode 22, suivie par le cristal de TCZ 12 puis par les motifs des anodes 24 et des électrodes de guidage 30. En référence à la Fig. 6, dans une autre forme de réalisation possible, le masque 44 composé d'une seule cloison 45 passant sur l'axe central du système de détection 10 peut être utilisé, ou encore des bandes peuvent être présentes seulement aux interfaces entre les régions de pixels 15. La présente invention est applicable non seulement à des régions d'électrodes polygonales, mais encore à d'autres formes. REVENDICATIONS 1. Détecteur (10) de rayons x à semiconducteurs, comprenant: un élément monolithique (12) de détection de rayons x ayant une surface avant (14) et une surface arrière (20) ; au moins une électrode (22) sur la surface avant; une pluralité d'électrodes (24) placées sur la surface arrière, les électrodes présentes sur la surface arrière étant électriquement séparées par des régions de 10 gouttières (25) ; et un masque (44) d'arrêt des rayons x ayant des ouvertures alignées avec les électrodes sur la surface arrière et des éléments d'arrêt (45) alignés avec les régions de gouttières pour arrêter les rayons x (18) dans au moins une partie des régions de gouttières. 2. Détecteur (10) de rayons x à semiconducteurs selon la revendication 1, dans lequel les éléments d'arrêt (45) sont placés et dimensionnés par rapport à une source de rayons x pour projeter une ombre de rayons x couvrant sensiblement toute la région de gouttière (25). 3. Détecteur de rayons x à semiconducteurs selon la revendication 1, dans lequel l'élément monolithique de détection (12) est choisi dans le groupe comprenant TCZ, CdTe et HgI2. 4. Détecteur de rayons x à semiconducteurs selon la revendication 1, dans lequel le masque d'arrêt (44) est plus large que les régions de gouttières (25) pour arrêter les rayons x dans la région de gouttière et dans une région bordant la région de gouttière. 5. Détecteur de rayons x à semiconducteurs selon la revendication 1, comprenant en outre une couche isolante (42) intercalée entre l'élément monolithique de détection de rayons x et le masque (44) d'arrêt des rayons x. 6. Détecteur de rayons x à semiconducteurs selon la revendication 5, dans lequel la couche isolante (42) est une feuille de Mylar. 7. Détecteur de rayons x à semiconducteurs selon la revendication 1, dans lequel le masque d'arrêt (44) de rayons x est en tungstène. 8. Détecteur de rayons x à semiconducteurs selon la revendication 1, comprenant en outre un circuit d'extraction (40) extrayant des courants indépendants 35 de chacune des électrodes séparées électriquement (24). 9. Détecteur de rayons x à semiconducteurs selon la revendication 1, dans lequel les électrodes (24) séparées électriquement sont disposées en colonnes et rangées rectilignes et le masque d'arrêt (44) est une grille rectiligne. 10. Détecteur de rayons x à semiconducteurs selon la revendication 1, dans lequel les électrodes (24) séparées électriquement sont disposées sous la forme de rangées linéaires décalées d'une fraction de largeur de rangée le long des rangées, et le masque d'arrêt (44) est une grille décalée ayant des éléments d'arrêt qui suivent des interfaces entre les électrodes.