Brevet FR2897443A1 — publié le 20070817

ÉQUIPEMENT DE CARACTÉRISATION D'UN FAISCEAU DE PARTICULES La présente invention se rapporte au domaine des équipements d'analyse de faisceaux de particules. La présente invention se rapporte plus particulièrement au domaine des équipements de caractérisation de faisceaux de particules traversant des nappes de fibres optiques comprenant des capteurs CCD pour l'enregistrement de fraction d'énergie déposée dans les fibres produisant de la lumière. Il est fréquent de vouloir caractériser un faisceau de particules dans différentes applications comme dans les domaines de la physique fondamentale, de la biophysique, des machines destinées à la production de rayonnement synchrotron, et plus généralement de tout faisceau de particules chargées. La présente invention permet une caractérisation de ces faisceaux à partir d'un détecteur qui associe un faisceau de fibres optiques avec un dispositif de lecture basé sur des capteurs CCD. L'art antérieur connaît déjà des équipements d'analyse permettant de détecter et de caractériser un faisceau de particules, comme les chambres à fils. Ce sont des dispositifs qui nécessitent une alimentation en gaz impliquant un dispositif d'alimentation, de régulation mais aussi un système de sécurité et de surveillance par un opérateur qualifié. Ils sont du reste encombrant, pas flexible, difficiles d'utilisation, de manipulation et d'entretien. On connaît aussi le brevet US4942302 décrivant un dispositif comprenant deux détecteurs couplés chacun à un plan de fibres scintillantes s'étendant respectivement en direction horizontale pour l'un et en direction verticale pour l'autre. Ces détecteurs comprenant des fibres optiques scintillantes ont un système de lecture reposant sur des photomultiplicateurs (PMT) qui obtiennent un signal qui est ensuite amplifié puis converti en un signal numérique. Ce dispositif ne possède pas l'intégration nécessaire pour caractériser un faisceau de particules car la détection se fait particule par particule. L'inconvénient d'un tel dispositif est que la lecture par photomultiplicateurs (PMT) limite considérablement le domaine d'intensité et nécessite un dispositif de déclenchement et une électronique associée complexe. Plus particulièrement l'invention a pour but de proposer un équipement ayant une mise en oeuvre facile. L'invention a également pour but d'être adapté à une structure de type industrielle. L'invention a également pour but de comprendre un 20 détecteur qui soit très stable dans le temps, ne nécessitant pas de maintenance, et ne présentant pas de phénomène de saturation. L'invention a également pour but de comporter un détecteur qui permet de faire une lecture par caméra 25 numérique CCD dont les images digitisées sont traitées directement dans un ordinateur. La présente invention entend remédier aux inconvénients et limitations de l'art antérieur en ce 30 qu'elle permet à partir d'un équipement d'analyse standard comportant un détecteur d'établir la position moyenne, l'intensité et la dispersion spatiale et temporelle d'un faisceau de particules. Pour ce faire, la présente invention est du type décrit ci-dessus, et elle est remarquable, dans son acceptation la plus large, en ce qu'elle concerne un équipement d'analyse d'un faisceau de particules comportant au moins un détecteur formé par un faisceau de fibres optiques parallèles constituées pour produire un signal lumineux induit par le passage du faisceau de particules, le faisceau de fibres optiques étant couplé à un capteur d'image délivrant un signal représentatif des caractéristiques du faisceau traversant le détecteur, caractérisé en ce que : - le détecteur est formé par un premier plan de fibres optiques orientées selon une première direction X et par un deuxième plan de fibres optiques orientées selon une deuxième direction Y, les deux plans étant parallèles et adjacents, - les extrémités des fibres optiques de chaque plan sont rassemblées pour former une image dans le plan objet d'un capteur CCD. Selon un mode de réalisation le faisceau de 25 fibres du premier plan est sensiblement coplanaire avec le faisceau de fibres du deuxième plan, l'extrémité desdits deux faisceaux de fibres formant deux images contiguës. Selon un autre mode, de réalisation l'extrémité 30 des faisceaux de fibres du premier et deuxième plan sont réunis dans le même plan image objet. Selon un mode de mise en oeuvre particulier, le 20 plan image objet est formé derrière une bride ultravide. Avantageusement, ledit capteur CCD est directement monté dans le plan image objet. Selon une variante, ledit capteur CCD est intégré dans une caméra CCD. Selon un mode de mise en oeuvre, le détecteur comporte deux étages reliés par une bride ultravide. Selon un mode de réalisation, la bride ultravide est équipée d'un hublot pour le passage de la lumière émise par les fibres. Selon un mode de réalisation, le premier étage comprend deux armatures identiques dans lesquelles viennent se placer les fibres optiques. Avantageusement, chacune des armatures du premier étage correspond respectivement aux coordonnées horizontales et verticales du faisceau de particules en fixant à 90 l'angle entre les deux plans de fibres. Selon une variante, le premier étage est situé dans le tube à vide du faisceau. Selon une autre variante, le deuxième étage comprend un système optique associé à une caméra numérique CCD. Avantageusement, les fibres optiques scintillantes sont aluminisées sur toute leur longueur. Selon un mode de mise en oeuvre, les fibres optiques sont fabriquées en polystyrène. Selon un autre mode de réalisation, le deuxième étage bénéficie d'un blindage magnétique. Selon une variante, les images sont transférées sur un calculateur de type PC. Avantageusement, le capteur CCD est formé par des barrettes CCD avec une électronique numérique associée. On comprendra mieux l'invention à l'aide de la 5 description, faite ci-après à titre purement explicatif, d'un mode de réalisation de l'invention, en référence à la figure annexée : - la figure 1 illustre une vue d'ensemble du détecteur. selon l'invention, illustrée figure 1, le détecteur comporte deux étages (1)(2) reliés par une bride ultravide (7). Le premier étage (2) est compris dans le tube à vide du faisceau. 15 Il comporte deux armatures (4)(5) identiques en acier inoxydable, un pour les coordonnées horizontales et l'autre pour les coordonnées verticales. Autrement dit une armature (4) supporte les fibres d'un plan X et une autre armature (5) supporte les fibres d'un plan Y. Dans 20 chacun des plans de ces armatures (4)(5), viennent se placer de manière parallèle des fibres optiques scintillantes (9) parcourant chacune les armatures (4)(5) d'une extrémité à l'autre. L'extrémité côté faisceau de chacune desdites armatures (4)(5) est pourvue d'une 25 ouverture décrivant un quadrilatère. Ces deux armatures (4)(5) sont assemblées de façon à former un support de fibres qui définit une matrice de colonnes et de lignes de fibres au niveau de l'ouverture de cette extrémité. L'autre extrémité de ce support de fibres aboutit dans le 30 plan image objet. Au niveau de cette autre extrémité les différentes terminaisons de ces fibres (9) transmettent 10 au système optique (6) la lumière créée par le faisceau de particules qui les parcourt. La bride ultravide (7) comprend un hublot permettant la transmission de la lumière au système optique (6) et est destinée à être montée sur une bride équivalente du tube à vide du faisceau. La bride ultravide (7) isole du vide d'environ 10-8 mbar/cm2 dans lequel sont placées les fibres, le système CCD situé à l'extérieur du tube à vide (7) à la pression atmosphérique. Le deuxième étage (1) de ce détecteur est situé hors du tube à vide du faisceau et correspond au système d'enregistrement de la quantité de lumière. Il est pourvu d'un blindage magnétique permettant son utilisation dans ou auprès d'équipement générant des champs électromagnétiques. Comme nous l'avons vu précédemment ce deuxième étage (1) comporte un système optique (7) qui focalise la lumière émanant des fibres optiques scintillantes (9) dans le plan image du capteur CCD de la caméra numérique (3). Cette caméra numérique CCD (3) est reliée à un ordinateur de type PC par un câble firewire (8) au standard IEEE 1394, et les images obtenues sont traitées et ensuite stockées. Les fibres optiques scintillantes (9) utilisées sont en polystyrène et ont subi un traitement spécifique. Elles ont en effet été aluminisées sur toute leur longueur par pulvérisation. Une des extrémités de chacune des fibres optiques scintillantes a subi une aluminisation de haute qualité pour un gain de lumière d'environ 60% afin de renvoyer la lumière produite vers l'autre extrémité de la fibre en direction du plan image objet. Les fibres optiques scintillantes de marque Kuraray utilisées dans cette application sont des fibres carrées. Dans un mode de réalisation, l'équipement d'analyse d'un faisceau de particules comporte un détecteur composé de deux plans de 32 fibres optiques scintillantes chacun. Chaque fibre optique scintillante en polystyrène a une section carrée de 0.5x0.5 mm2. Les fibres optiques scintillantes verticales fournissent une coupe horizontale de la forme du faisceau de particules ; ainsi elles donnent les caractéristiques horizontales du faisceau et vice-versa. Dans ce mode de réalisation le pas des fibres optiques scintillantes (9) est de 2 mm conférant ainsi une surface de détection de 62.5x 62.5 mm2. Les fibres optiques scintillantes sont ensuite regroupées dans une matrice de 512x512 pixels sur le CCD à l'intérieur de la caméra (3). La lecture se fait par regroupement de 8x8 pixels que nous appellerons cellules par la suite. L'image complète des 64 fibres optiques scintillantes recouvre 64x64 cellules à la fois pour les plans horizontaux et verticaux. L'image de chaque fibre optique scintillante de 0.5x0.5 mm2 recouvre 4x4 cellules. Le contenu numérique des 16 cellules est sommé pour chaque fibre optique scintillante après soustraction du bruit de fond. Le résultat est proportionnel au nombre de particules qui ont traversé le détecteur. Les 32 + 32 sommes ainsi obtenues pour chaque position de fibre formeront le profil de faisceau dans chaque plan. Dans cette variante du détecteur, le système optique (6) comporte une lentille optique à montage C, de focale 25 mm, et d'ouverture 1 . 3 à 1.4, il focalise une image c'est-à-dire une quantité de lumière qui sera déposée sur le capteur CCD de la caméra numérique (3). Cette étape d'enregistrement de la quantité de lumière nécessite une caméra numérique CCD (3) répondant à certains critères comme la sensibilité, un faible taux de bruit résiduel et la facilité d'enregistrement des données. La caméra (3) choisit dans notre mode de réalisation est de la marque Hamamatsu modèle 8084-03G. Le choix de cette marque et de ce modèle n'est pas limitatif. Les caractéristiques techniques de cette caméra numérique CCD (3) sont les suivantes: - refroidissement Peltier, - un nombre effectif de pixels de 1344 x1024, - une horloge à 40MHz/pixel, - nombre d'images par seconde: nominal 12.2 images/s et 58 images/s en groupant les pixels en 8x8, -une dynamique de 12 bits (212 = 4096) du convertisseur analogique/numérique (ADC), - Un temps d'exposition variable de 10 s à 10s. Un convertisseur analogique/numérique (ADC) de 12 bits (212 = 4096) permet la mesure de la lumière induite dans chaque fibre optique scintillante (9). Connaissant la position géométrique de chaque fibre optique scintillante, la représentation du contenu de la fibre optique scintillante en fonction de sa position, on obtient la distribution en intensité du faisceau. La mesure jusqu'à 3 écarts standard implique d'entrée une dynamique de 100 (3 écarts standard correspondants à 99% du faisceau de particules). D'autres part la largeur de la distribution peut varier d'un facteur 10 (entre 1 et 10 mm). La caméra (3) utilisée permet un temps de pose allant de 10 s jusqu'à 10s. Elle possède également deux niveaux de gains séparés de 23dB. L'ensemble donne une dynamique totale supérieure à 10'. L'invention prévoit ensuite le traitement des images obtenues, par un programme informatique afin de pouvoir déterminer la position, la taille et l'intensité du faisceau. En dehors des éjections de particules, une centaine d'images sont enregistrées. Elles fourniront une base au calcul d'une image dite image de piédestal. Cette image de piédestal sera ensuite soustraite cellule par cellule de l'image du faisceau. Le contenu numérique de la matrice après soustraction du piédestal est ensuite corrigé par un facteur de calibrage. Ce facteur de calibrage est obtenu hors faisceau et correspond essentiellement à l'acceptance géométrique de la fibre optique scintillante à travers l'objectif de la caméra. Il est obtenu en mesurant le signal déposé dans chaque fibre optique scintillante par une source de Sr90 pour une durée d'exposition fixe. Le résultat obtenu sera le contenu de deux vecteurs de dimension du nombre de fibres optiques scintillantes par plan X et Y. Les profils de faisceau pourront être représentés sous forme de cascade, et décriront la position et la forme du faisceau par plan de mesure en fonction du temps. L'équipement d'analyse peut établir la position du faisceau de particules avec une précision pouvant aller jusqu'à deux dizaines de microns, la taille du faisceau de 1 mm jusqu'à 30 mm, et son intensité de 103 jusqu'à 1012 particules par secondes. La flexibilité est obtenue par l'arrangement mécanique des fibres optiques scintillantes et par la dynamique variable de la caméra numérique CCD. Dans un autre mode de réalisation le détecteur de 15 l'équipement comprend deux plans de 128 fibres optiques scintillantes, de section carrée (0.5x0.5mm2) placées côte à côte. La surface de détection est alors de 64x64 mm2. Les fibres optiques scintillantes sont ensuite groupées par deux (lxO.5mm2) dont l'image sera formée sur 20 le CCD de la caméra (3). L'image d'une fibre optique scintillante couvrirait alors 8x4 cellules. L'image totale recouvrira 1344x512 pixels. Les 64 + 64 groupes de 2 fibres optique scintillantes chacun fourniront l'image du faisceau dans chaque plan horizontal et vertical. Ce 25 mode de réalisation peut être utilisé pour équiper un dispositif tel que des accélérateurs pour l' hadronthérapie. L'image digitisée provenant du capteur CCD est lue par un ordinateur de la même façon qu'avec un 30 appareil photographique ou caméra grand public et permet le traitement et le stockage des images. Le traitement de l'image donnera les caractéristiques du faisceau mesuré, 1010 c'est-à-dire sa position moyenne, sa taille et son intensité. Ces caractéristiques pourront être comparées à un registre afin de décider de l'arrêt du faisceau ou du réglage à effectuer pour les prochains passages du faisceau. Par conséquent la présente invention peut être utilisée dans le cadre de l'hadronthérapie, pour la précision, la flexibilité et le faible coût que confère ce type d'équipement. L'invention est décrite dans ce qui précède à titre d'exemple. Il est entendu que l'homme du métier est à même de réaliser différentes variantes de l'invention sans pour autant sortir du cadre du brevet. REVENDICATIONS 1. Équipement d'analyse d'un faisceau de particules comportant au moins un détecteur formé par un faisceau de fibres optiques parallèles (9) constituées pour produire un signal lumineux induit par le passage du faisceau de particules, le faisceau de fibres optiques (9) étant couplé à un capteur d'image délivrant un signal représentatif des caractéristiques du faisceau traversant le détecteur, caractérisé en ce que : - le détecteur est formé par un premier plan de fibres optiques orientées selon une première direction X et par un deuxième plan de fibres optiques orientées selon une deuxième direction Y, les deux plans étant parallèles et adjacents, - les extrémités des fibres optiques de chaque plan sont rassemblées pour former une image dans le plan objet d'un capteur CCD. 2. Équipement d'analyse d'un faisceau de particules selon la revendication 1, caractérisé en ce que le faisceau de fibres optiques du premier plan est sensiblement coplanaire avec le faisceau de fibres optiques du deuxième plan, l'extrémité desdits deux faisceaux de fibres formant deux images contiguës. 3. Équipement d'analyse d'un faisceau de particules selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'extrémité des faisceaux de fibres optiques du premier et deuxième plan soient réunis dans le même plan image objet. 4. Équipement d'analyse d'un faisceau de particules selon l'une quelconque des revendicationsprécédentes, caractérisé en ce que le plan image objet est formé derrière une bride ultravide (7). 5. Équipement d'analyse d'un faisceau de particules selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que ledit capteur CCD est directement monté dans le plan image objet. 6. Équipement d'analyse d'un faisceau de particules selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que ledit capteur CCD est intégré dans une caméra numérique CCD (3). 7. Équipement d'analyse d'un faisceau de particules selon la revendication 1, caractérisé en ce que le détecteur comporte deux étages reliés par une bride ultravide (7). 8. Équipement d'analyse d'un faisceau de particules selon l'une quelconque des revendications 4 ou 7, caractérisé en ce que la bride ultravide (7) est équipée d'un hublot pour le passage de la lumière émise par les fibres optiques. 9. Équipement d'analyse d'un faisceau de particules selon la revendication 7, caractérisé en ce que le premier étage (2) comprend deux armatures (4),(5) identiques dans lesquelles viennent se placer les fibres optiques (9). 10. Équipement d'analyse d'un faisceau de particules selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que chacune des armatures (4), (5) du premier étage (2) correspond respectivement 30aux coordonnées horizontales et verticales du faisceau de particules en fixant à 90 l'angle entre les deux plans de fibres. 11. Équipement d'analyse d'un faisceau de particules selon l'une quelconque des revendications 7 ou 9, caractérisé en ce que le premier étage (2) est situé dans un tube à vide du faisceau. 12. Équipement d'analyse d'un faisceau de particules selon la revendication 7, caractérisé en ce que le deuxième étage (1) comprend un système optique associé à une caméra numérique CCD (3). 13. Équipement d'analyse d'un faisceau de particules selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les fibres optiques (9) sont aluminisées sur toute leur longueur. 14. Équipement d'analyse d'un faisceau de particules selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les fibres optiques (9) sont fabriquées en polystyrène. 15. Équipement d'analyse d'un faisceau de particules selon l'une quelconque des revendications 7 ou 12, caractérisé en ce que le deuxième étage (1) bénéficie d'un blindage magnétique. 16. Équipement d'analyse d'un faisceau de particules selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les images sont transférées sur un calculateur de type PC. 17. Équipement d'analyse d'un faisceau de particules selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que ledit capteur CCD est formé par des barrettes CCD avec une électronique numérique associée.