Brevet FR2909220A1 — publié le 20080530

PROCÉDÉ D'ÉGALISATION DE GAIN ET DE TEMPS DE TRANSIT DE VOIES DE TUBE PHOTOMULTIPLICATEUR DESCRIPTION DOMAINE TECHNIQUE La présente invention est relative au domaine des tubes photomultiplicateurs et plus particulièrement des tubes photomultiplicateurs multivoie pour la tomographie à émission de positon (TEP). ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE Un tube photomuliplicateur monovoie comporte classiquement une enveloppe étanche vide de gaz, une électrode sensible à la lumière appelée photocathode, un multiplicateur d'électrons pour multiplier les électrons émis par la photocathode et une anode qui collecte les électrons ainsi multipliés. A la différence d'un tube monovoie, un tube photomultiplicateur multivoie comprend en amont du multiplicateur d'électrons un séparateur de voies et, en aval, une anode par voie collectant les électrons multipliés dans la voie en question. La demande de brevet EP-A-487178 décrit par exemple un tube photomultiplicateur multivoie, dans lequel chacune des voies correspond à une partie d'une photocathode commune. La séparation entre voies résulte d'une optique d'entrée comprenant un séparateur composé par un ensemble de parois perpendiculaire au plan de la photocathode commune. Chaque voie dispose de son propre multiplicateur constitué par une succession de dynodes. 2909220 2 Des parties d'anode électriquement distinctes à raison d'une partie par voie permettent de collecter le signal propre à chaque voie. Il est connu que de tels tubes multivoie à cathode plane présentent une dispersion 5 importante de temps de transit entre la photocathode et la première dynode. Le tube multivoie décrit dans la demande EP-A-487178 prévoit bien une dynode d'ajustement de gain, mais cette dynode ne permet pas un ajustement des temps de transit. De ce fait de tels 10 tubes multivoie ne peuvent être employés dans des applications pour lesquelles la dispersion des temps de transit est critique. Une de ces applications est celle de la tomographie à émission de positon. Cette technique 15 d'imagerie médicale utilise la désintégration R+ d'un traceur radioactif préalablement injecté dans l'organisme à imager. Le positon émis se recombine après un très cours parcours avec un électron pour générer un couple de photons y émis dans des directions 20 opposées. Ces photons sont reçus par une matrice de photomultiplicateurs arrangés selon une disposition annulaire. Le principe de fonctionnement repose sur la détection des coincidences de réception des couples de photons par la matrice de photomultiplicateurs. Ces 25 derniers sont généralement choisis de type multivoie afin d'obtenir une résolution spatiale plus élevée. On conçoit dès lors qu'il soit indipensable d'égaliser les réponses impulsionnelles des différentes voies que ce soit au sein d'un même photomultiplicateur 30 ou entre photomultiplicateurs distincts de la matrice. A défaut, les mesures de temps de vol et d'intensité 2909220 3 sont en effet biaisées par une distribution inhomogène des temps de transit et/ou des gains des différents photomultiplicateurs, ce qui entraîne une distorsion de l'image. 5 Une première idée permettant de remédier partiellement à cette distorsion est de compenser la disparité des temps de transit par la mise en série de lignes à retard complémentaires en sortie des différentes voies. Cette solution s'avère cependant 10 néanmoins très coûteuse et complexe pour un nombre élevé de voies. L'objet de l'invention est de proposer une méthode d'égalisation de temps de transit et de gain entre voies, appartenant à un même photomultiplicateur 15 ou à des photomultiplicateurs distincts, qui soit particulièrement simple à mettre en oeuvre. EXPOSÉ DE L'INVENTION L'invention est définie par un procédé de 20 réglage de gain et temps de transit d'une pluralité de voies de tube photomultiplicateur, lesdites voies appartenant à un tube photomultiplicateur multivoie ou à des tubes photomultiplicateurs distincts, le procédé alternant une étape de réglage des gains des 25 différentes voies à une première valeur de consigne prédéterminée et une étape de réglage des temps de transit des différentes voies à une seconde valeur de consigne prédéterminée. 30 Avantageusement le procédé comprend une étape d'initialisation dans laquelle on règle les gains 2909220 4 des différentes voies pour les aligner sur la valeur de gain la plus faible de ladite pluralité de voies. Alternativement, le procédé comprend une étape d'initialisation dans laquelle on règle les temps 5 de transit des différentes voies pour les aligner sur la valeur de temps de transit la plus élevée de ladite pluralité de voies. Avantageusement, le gain d'une voie est réglé à temps de transit quasi constant en ajustant le 10 curseur d'un potentiomètre, le curseur dudit potentiomètre étant relié à une dynode intermédiaire de ladite voie et ses bornes aux dynodes voisines de ladite dynode, en aval et amont de celle-ci. De manière similaire, le temps de transit 15 d'une voie est réglé à gain quasi constant en faisant varier la différence de potentiel entre la dernière dynode et l'anode relative à ladite voie. BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS L'invention sera maintenant décrite à 20 l'aide des dessins annexés dans lesquels : La figure 1 représente de manière schématique une première configuration pour ajuster le gain et le temps de transit d'une voie d'un tube photomultiplicateur ; 25 La figure 2 représente de manière schématique une seconde configuration pour ajuster le gain et le temps de transit d'une voie d'un tube photomultiplicateur ; La figure 3 représente l'organigramme de la 30 méthode de réglage itératif de gain et temps de transit selon un premier mode de réalisation de l'invention ; 2909220 5 La figure 4 montre l'évolution des gains et des temps de transit au fil des étapes de la méthode de réglage selon le premier mode de réalisation de l'invention. EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS La figure 1 illustre de manière schématique un tube photomultiplicateur et un premier circuit de polarisation associé. Le tube photomultiplicateur peut 10 être monovoie ou multivoie, une seule voie ayant été représentée ici par souci de simplification. La voie de tube photomultiplicateur comprend une photocathode 10, un couple d'électrodes focalisatrices 20,21, une série de N dynodes 15 301,302,",30N et une anode de collection 40. Une haute tension est appliquée entre la photocathode et l'anode et des tensions intermédiaires sont distribuées aux dynodes et aux électrodes focalisatrices via un diviseur de tension 50. La tension la plus négative est 20 appliquée sur la photocathode, la tension la plus positive à l'anode et chaque dynode 30k étant polarisée par une tension d'autant plus positive que son rang k est élevé. Le diviseur de tension 50 comprend une 25 échelle de résistances RF1 r RF2, RD1, RDi-1. RDi+2 r • • r RDN, un potentiomètre PG situé entre les dynodes 30i_1 et 30i+1 et une résistance variable RT située entre la dernière dynode 30N et la borne positive de l'alimentation haute tension. Les résistances RF1 r RF2, RD1, RDi-1. RDi+2 r • • r RDN, RT 30 ainsi que le potentiomètre PG sont montés en série entre les bornes de l'alimentation haute tension. Le 5 2909220 6 curseur du potentiomètre PG est relié à la dynode 30i. Des résistances R sont prévues de part et d'autre du potentiomètre PG entre 30i_1 et 30i+I de manière à limiter l'excursion en tension de la dynode 30i. De 5 même, une résistance de limitation R' est présente en série avec la résistance variable RT entre l'anode et la dernière dynode 30N. Par ailleurs l'anode est reliée à la masse à travers une résistance de charge RL faible par rapport aux résistances RDk et R'. 10 On notera que si le tube photomultiplicateur est multivoie, un sous-ensemble de dynodes 30k peut être partagé par les différentes voies du tube, de manière connue de l'homme du métier. En revanche, la dynode 30i, le potentiomètre PG et la 15 résistance RT seront nécessairement propres à chaque voie. Les électrons émis par la photocathode, après avoir été focalisés par les électrodes focalisatrices, sont multipliés par la série d'étages 20 d'amplification. Le gain d'amplification d'un étage est sensiblement égal au coefficient d'émission secondaire, ce dernier étant fonction du matériau de la dynode et de l'énergie des électrons primaires incidents. On sait que le gain de l'étage k peut s'exprimer de la manière 25 suivante : gk (Vk - Vk-1) (1) où y un coefficient positif inférieur à 1, fonction du 30 matériau de la dynode et où on a pris conventionnellement Vo= Vc, tension de la photocathode. 2909220 7 Le gain total de la voie peut alors s'écrire : N G = n gk (2) k=1 On remarquera que le gain ne dépend pas de la tension entre la dernière dynode 30N et l'anode (sauf bien entendu si une variation de cette dernière venait à modifier les tensions Vk) Si l'on considère 10 les tensions Vk des dynodes 30k, khi constantes, le gain s'exprime comme suit: G=X(V- ~)Y(V+1-V)Y (3) 15 où X est un coefficient constant. L'expression (3) est fonction de la variable V et présente un maximum pour V. +V v= +12 Ainsi, toutes choses étant égales par ailleurs, le déplacement du curseur du potentiomètre PG à partir de sa position médiane entraînera une 20 réduction du gain. Le temps de transit d'un électron à travers un étage d'amplification varie de manière inverse à la racine carrée de l'accélération qu'il subit. Autrement dit, pour l'étage k, le temps de transit tik s'écrit : jVk - Vk-1 5 25 (4) 2909220 8 et par conséquent le temps de transit total i à travers la voie du tube photomultiplicateur : N ( 1 N 1 ti=EtZ+tiA= + k=1 ./VA -VN k=1 \/Vk - Vk- 1 où TA est le temps de transit d'un électron entre la dernière dynode 30N et l'anode et VA est la tension de l'anode. Si l'on suppose pour simplifier que tous 10 les étages présentent la même différence de potentiel Vd, le temps de transit peut alors s'exprimer par : N = + VdJVVT ù NVd dont la dérivée vaut : (5) 5 (6) 15 ( 1 1 3/2 3/2 JVHT ùNVd ) Vd (7) Ni i - 2 20 et qui est positive ou négative selon que la tension entre la dernière dynode et l'anode est inférieure ou supérieure à la tension d'étage Vd. Par conséquent, une variation de la résistance RT autour d'une valeur médiane permettra d'augmenter ou de réduire le temps de 25 transit. Il convient de remarquer que, dans le montage de la figure 1, le réglage de la résistance RT 2909220 9 modifie la valeur de tension Vd et par conséquent la valeur du gain G, d'après les équations (1) et (2). Cette perturbation de gain est cependant relativement faible car la variation de potentiel est répartie sur 5 les différents étages d'amplification. Réciproquement, la variation de gain au moyen du potentiomètre PG n'affecte que faiblement le temps de transit global. En effet, pour une variation 8V de la tension de la dynode 30i obtenue en agissant 10 sur le potentiomètre PG, la variation de temps de transit sera au premier ordre de : -3/2 -3/2 8i = --Vd 3V + --Vd 2 2 15 car la variation du temps de transit Ti entre les dynodes 30i_1 et 30i est compensée par une variation inverse du temps de transit tii+1 entre les dynodes 30i et 30i+i La figure 2 illustre de manière schématique un tube photomultiplicateur identique à celui de la figure 1, associé à un second type de circuit de polarisation. Les éléments portant même signe de référence sont identiques à ceux de la figure 1. Le circuit de polarisation comprend ici une diode Zener Z qui maintient une tension constante VHT-VZ entre la dernière dynode 30N et la cathode, un premier diviseur de tension 501 assurant la distribution de tension aux électrodes focalisatrices et aux dynodes, -8V)=0 (8) 20 25 2909220 10 et un second diviseur de tension 502 assurant la polarisation de l'anode par rapport à la dernière dynode. Le premier diviseur de tension comprend, comme précédemment, une échelle de résistances RF1, RF2, RD1, RDi- 5 1 r RDi+2 r•• r RDN r un potentiomètre PG situé entre les dynodes 30i_1 et 30i+1 . L'anode de la diode Zener est relié à la dynode 30N et sa cathode à la masse. Le second diviseur de tension est constitué d'une résistance RB élevée, de l'ordre de la somme des 10 résistances présentes dans le premier diviseur de tension, et d'une résistance variable RT. Ce circuit de polarisation permet de découpler plus efficacement le réglage du réglage de temps de transit. En effet, on comprend qu'une 15 variation de la tension d'anode VA n'affectera pas les tensions de dynodes Vk et donc le gain total. Il convient de noter que les circuits de polarisation des figures 1 et 2 sont donnés à titre d'exemples et non à titre limtatif. En particulier, 20 concernant le circuit de polarisation de la figure 2, l'homme du métier sera à même de prévoir des moyens électriques équivalents, notamment à base de circuits actifs, pour faire varier la tension entre l'anode et la dernière dynode sans affecter la tension entre 25 dernière dynode et cathode et donc sans affecter les tensions des différents étages. En outre, certaines résistances RDk constitutives des diviseurs de tension 50 ou 501 peuvent être remplacées par des diodes Zener, de 30 manière connue en soi. 2909220 11 La figure 3 représente un organigramme de la méthode de réglage et plus précisément d'égalisation conjointe des gains et temps de transit pour un ensemble de P voies de photomultiplicateur(s). On 5 rappelle que cette méthode s'applique aussi bien à des voies d'un même photomultiplicateur multivoie qu'à des voies de photomultiplicateurs distincts. Les différentes voies possèdent chacune des caractéristiques différentes, cette dispersion étant 10 inhérente à la construction des tubes photomultiplicateurs. De manière générale, chaque voie p =1,..,P peut être caractérisée par son gain Gp et son temps de transit tip, mesurés dans des conditions nominales d'utilisation. 15 La méthode de réglage a pour but d'amener les gains et temps de transit des différentes voies à des valeurs de consigne prédéterminées, soit respectivement G, et tic. A l'étape 310, on règle la haute tension VHT 20 du ou des tubes photomuliplicateurs à la tension de consigne. Si plusieurs tubes sont concernés, la tension de consigne est identique pour les différents tubes. La tension VHT est ensuite fixe pour le reste des opérations de réglage. 25 A l'étape 320, on mesure les gains 0) des différentes voies et l'on ajuste, grâce aux potentiomètres PG, les gains de ces voies de manière à les aligner sur la valeur la plus faible de l'ensemble, soit Gmin = Min GON . p=1,..,P 2909220 12 A l'étape 330, on fait varier, en jouant sur les résistances RT, les différences de potentiels dernière dynode-anode des différentes voies de manière à régler les temps de transit à la valeur de consigne 5 tic Cette opération fait légèrement varier les gains des différentes voies. On notera G(2) , p =1,..P , les nouvelles valeurs de gain obtenues. A l'étape 340, on ajuste, grâce aux potentiomètres PG, les gains des différentes voies de 10 manière à les aligner sur la valeur de consigne Gc. Cette opération fait toutefois légèrement varier les temps de transit des différentes voies, comme on l'a dit plus haut. On notera tipi) , p =1,..P , les nouvelles valeurs de temps de transit ainsi obtenues. 15 A l'étape 350, on teste si les valeurs de gain et de temps de transit Gpm), tipm) de l'itération courante m approchent les valeurs de consigne Gc, ti, à une marge de tolérance près. Autrement dit, on vérifie si le critère d'arrêt : 20 G(m)ù G p c REVENDICATIONS 1. Procédé de réglage de gain et temps de transit d'une pluralité de voies de tube photomultiplicateur, lesdites voies appartenant à un tube photomultiplicateur multivoie ou à des tubes photomultiplicateurs distincts, caractérisé en ce que le procédé alterne une étape de réglage (340) des gains des différentes voies à une première valeur de consigne prédéterminée (Gc) et une étape de réglage (330) des temps de transit des différentes voies à une seconde valeur de consigne prédéterminée(tic). 2. Procédé de réglage selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend une étape d'initialisation (320) dans laquelle on règle les gains des différentes voies pour les aligner sur la valeur de gain la plus faible (G,,,;,,) de ladite pluralité de voies. 3. Procédé de réglage selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend une étape d'initialisation (320) dans laquelle on règle les temps de transit des différentes voies pour les aligner sur la valeur de temps de transit la plus élevée (ti ) de ladite pluralité de voies. 4. Procédé de réglage selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le gain d'une voie est réglé à temps de transit quasi constant en ajustant le curseur d'un potentiomètre 2909220 16 (PG), le curseur dudit potentiomètre étant relié à une dynode intermédiaire (30i) de ladite voie et ses bornes aux dynodes voisines (30i_1r 30i+1) de ladite dynode, en aval et amont de celle-ci. 5. Procédé de réglage selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le temps de transit d'une voie est réglé à gain quasi constant en faisant varier la différence de potentiel 10 entre la dernière dynode (VDN) et l'anode relative à ladite voie. 5