Brevet FR2911965A1 — publié le 20080801

La présente invention concerne le domaine technique de la mesure du rayonnement haute énergie tels que les rayons X, y, les électrons, les positrons et les autres particules haute énergie. L'objet de l'invention vise plus précisément une sonde miniaturisée permettant de mesurer une dose d'un tel rayonnement haute énergie. L'objet de l'invention trouve des applications particulièrement avantageuses pour la dosimétrie in vivo en radiothérapie ou en radiodiagnostic. Dans le domaine préféré de la dosimétrie in vivo en radiothérapie, il apparaît le besoin de mesurer le rayonnement haute énergie apparaissant sur les zones anatomiques irradiées volontairement et/ou sur les zones anatomiques périphériques radiosensibles. Cette mesure in vivo permet une vérification de la dose délivrée et/ou une appréciation de l'impact du rayonnement haute énergie dans l'environnement de la zone irradiée. Dans l'état de la technique, il est connu une première catégorie de dosimètre du type semi-conducteur, tel que décrit, par exemple, dans les brevets US 5 949 075 ou US 5 587 199. Ce type de dosimètre comporte une cellule de détection comportant un dispositif semi-conducteur tel qu'une diode ou un transistor MOSFET permettant une conversion des photons ou particules haute énergie en électrons. L'utilisation d'une cellule de conversion de type radioélectrique nécessite la mise en oeuvre d'interconnexions électriques très pénalisantes en terme de miniaturisation et d'immunité aux perturbations électromagnétiques. Par ailleurs, ce type de dosimètre présente l'inconvénient d'être sensible à l'orientation de la cellule de détection par rapport au faisceau haute énergie. Il est connu par ailleurs, notamment par le brevet FR 2 822 239, une deuxième catégorie de dosimètres à matériaux scintillants isolants. Ce type de dosimètre comporte, en tant que cellule de détection, un matériau scintillant isolant assurant la conversion des photons ou particules haute énergie en photons ultraviolets, visibles ou infrarouges. Le signal luminescent émis par ce matériau scintillant isolant est transmis via une fibre optique, à un photodétecteur réalisant une conversion photoélectrique. Il est à noter que la conversion des photons ou particules haute énergie en photons ultraviolets, visibles ou infrarouges fait intervenir des centres de recombinaison radiatifs dans la bande interdite, ce qui conduit à un rendement de conversion relativement faible. Pour augmenter ce rendement de conversion, il est connu d'avoir recours à une stimulation thermique ou optique. Cependant, la mise en oeuvre d'une stimulation thermique ou optique complexifie la réalisation du dosimètre et nuit à la miniaturisation d'un tel dosimètre. L'objet de l'invention vise donc à remédier aux inconvénients de l'art antérieur en proposant une nouvelle sonde pour la mesure d'un rayonnement haute énergie apte à présenter des capacités de miniaturisation tout en possédant un faible coût de revient. Pour atteindre un tel objectif, l'objet de l'invention concerne une sonde miniaturisée pour la mesure d'un rayonnement haute énergie comprenant au moins : - un matériau radioluminescent émettant un signal de luminescence dont l'intensité est fonction du rayonnement haute énergie irradiant ledit matériau, - et une fibre optique recevant le signal de luminescence et assurant sa transmission vers un système de détection de luminescence. Selon l'invention, le matériau radioluminescent est un matériau massif semi-conducteur. Selon une première variante préférée de réalisation, le matériau massif semi-conducteur est un matériau massif semi-conducteur à gap direct. Avantageusement, le matériau massif semi-conducteur à gap direct est un matériau choisi parmi la liste suivante : AsGa, GaN, CdTe, GaAIAs, AIGaInN, InGaN. Selon une autre variante de réalisation, le matériau massif semi-conducteur est un matériau massif semi-conducteur à gap indirect. Avantageusement, le matériau massif semi-conducteur à gap indirect est un matériau choisi parmi la liste suivante : SiC, GaP, GaAsP. Selon une caractéristique préférée de réalisation, la cellule de conversion 30 montée à l'une des extrémités d'une fibre optique comprend plusieurs matériaux semi-conducteurs ayant des propriétés de radioluminescence différentes. Selon un exemple de réalisation, la cellule de conversion montée à l'une des extrémités d'une fibre optique comprend plusieurs matériaux semi-conducteurs ayant des propriétés de radioluminescence différentes. Selon un autre exemple de réalisation, la cellule de conversion montée à l'une des extrémités d'un faisceau de fibres optiques comprend plusieurs matériaux semi-conducteurs ayant des propriétés de radioluminescence différentes. Un autre objet de l'invention est de proposer un dispositif pour la mesure d'un rayonnement haute énergie comportant au moins une sonde miniaturisée 10 conforme à l'invention et un convertisseur photoélectrique. Avantageusement, le dispositif comprend au moins un photodétecteur à jonctions enterrées multiples permettant d'exploiter les caractéristiques spectrales du signal de luminescence collecté. Par exemple, le dispositif comprend une série de sondes miniaturisées 15 conformément à l'invention et une série de photodétecteurs reliés chacun par une fibre optique ou un faisceau de fibres optiques à un ou plusieurs matériaux luminescents, les photodétecteurs faisant partie du système de détection de luminescence. Avantageusement, les sondes miniaturisées présentent des matériaux 20 radioluminescents possédant des rendements de radioluminescence différents. Diverses autres caractéristiques ressortent de la description faite ci-dessous en référence aux dessins annexés qui montrent, à titre d'exemples non limitatifs, des formes de réalisation de l'objet de l'invention. La Figure 1 est un schéma de principe d'une sonde miniaturisée conforme à 25 l'invention. La Figure 2 est une vue illustrant la structure de bandes d'énergie pour des matériaux semi-conducteurs à gap direct. Les Figures 3A et 3B sont des vues illustrant la structure de bandes d'énergie pour des matériaux semi-conducteurs à gap indirect. 30 Les Figures 4A à 4C sont des schémas illustrant différents modes de réalisation du dispositif de mesure conforme à l'invention. Tel que cela ressort plus précisément de la Fig. 1, l'objet de l'invention concerne une sonde miniaturisée 1 faisant partie d'un dispositif de dosimétrie I permettant de mesurer un rayonnement haute énergie M tel que les rayons X, y, les électrons, les positrons et autres particules haute énergie. Cette sonde 1 comporte une cellule de conversion 2 comprenant un matériau radioluminescent 3 émettant un signal de luminescence dont l'intensité est fonction du rayonnement haute énergie M irradiant ledit matériau. Selon une caractéristique de l'objet de l'invention, le matériau radioluminescent 3 est un matériau massif semi-conducteur. Il doit être considéré qu'un matériau semi-conducteur est dit massif s'il se présente sous la forme d'un matériau monocristallin intrinsèque ou dopé, dont la plus petite dimension est supérieure au micron. Selon une variante préférée de réalisation, le matériau massif semi-conducteur est un matériau massif semi-conducteur à gap direct. Le matériau massif semi-conducteur à gap direct peut être choisi dans la liste non exhaustive suivante : AsGa, GaN, CdTe, GaAlAs, AIGaInN, InGaN. Ce matériau semi-conducteur à gap direct réalise la conversion des photons ou particules haute énergie en photons ultraviolets, visibles ou infrarouges. Tel que cela ressort plus précisément de la Fig. 2, quand le matériau massif à gap direct est soumis à un rayonnement haute énergie, des paires d'électrons trous sont créés dans le matériau et se recombinent avec une grande probabilité de transition radiative entre la bande de conduction Ec et la bande de valence E. Cette forte probabilité de recombinaison radiative garantit un très bon rendement de radioluminescence. Avantageusement, le choix d'un matériau semi- conducteur avec un gap supérieur à 1.2eV permet d'une part d'utiliser un photodétecteur sur silicium et d'autre part, de réduire la contribution du bruit thermique et, par conséquent, d'augmenter la sensibilité de détection. Selon une autre variante de réalisation, le matériau massif semi-conducteur 3 est un matériau massif semi-conducteur à gap indirect. Ce matériau massif semi-conducteur à gap indirect peut être choisi dans la liste non exhaustive suivante : SiC, GaP, GaAsP Tel que cela ressort plus précisément des Fig. 3A et Fig. 3B, le rendement de radioluminescence d'un matériau massif semi-conducteur à gap indirect dont la transition radiative est peu probable entre la bande de conduction Ec et la bande de valence Ev (Fig. 3A) peut être augmenté en introduisant des centres de recombinaison radiative c dans la bande interdite Eg. Par exemple, le matériau radioluminescent 3 est encapsulé dans la cellule de conversion 2 montée à l'une des extrémités d'une fibre optique 4 pour former une sonde invasive particulièrement bien adaptée pour la dosimétrie in-vivo en radiothérapie ou radiodiagnostique. Par exemple, la cellule de conversion 2 est pourvue d'un revêtement 5 adapté pour assurer la fixation mécanique du matériau radioluminescent 3 à l'extrémité de la fibre optique. Le choix du revêtement 5 prendra en compte les contraintes de l'application (par exemple la biocompatibilité pour la dosimétrie médicale) et l'optimisation de la collecte par la fibre optique du signal de luminescence. Par exemple, le revêtement 5 est du PTFE, du PEEK ou tout autre revêtement couramment utilisé pour les dispositifs médicaux invasifs. Selon une caractéristique de l'invention, le matériau radioluminescent 3 possède des faibles dimensions. Par exemple pour la dosimétrie in-vivo, le diamètre externe de la partie invasive de la sonde peut être inférieur à 800 microns. La fibre optique 4 reçoit le signal de luminescence émis par le matériau radioluminescent 3 et assure sa transmission vers un photodétecteur 6 faisant partie d'un système de détection de luminescence 7. De manière classique, le photodétecteur 6 réalise la conversion photoélectrique du signal de luminescence permettant de mesurer le rayonnement haute énergie irradiant le matériau radioluminescent. Par exemple, il peut être envisagé d'utiliser un photodétecteur 6 sur silicium comportant un ou plusieurs éléments sensibles (imageur matriciel par exemple). Avantageusement, le photodétecteur 6 comporte une structure CMOS à jonctions enterrées multiples (BD), BTJ) par exemple qui permet à la fois la mesure du signal de luminescence et la vérification directe de sa signature spectrale. La sonde 1 associée au système de détection 7 permet d'obtenir un dispositif de dosimétrie I assurant une mesure fiable, sûre et en temps réel du rayonnement haute énergie irradiant le matériau radioluminescent 3. Il doit être considéré que la sonde 1 conforme à l'invention peut être miniaturisée dans la mesure où elle est réalisée essentiellement par une fibre optique à l'extrémité de laquelle est placée la cellule de détection comportant essentiellement le matériau radioluminescent conforme à l'invention. Cette sonde qui présente un faible coût de revient peut posséder un caractère jetable. Cette sonde est particulièrement adaptée pour constituer une sonde invasive à usage unique. Un autre avantage d'un tel dispositif concerne la possibilité de mesurer en temps réel la dose de rayonnement haute énergie. Un tel dispositif permet de s'affranchir des connexions électriques entre la cellule de détection 2 et le photodétecteur 6. Tel que cela ressort plus précisément de la Fig. 4A, selon une autre variante de réalisation de la sonde 1 conforme à l'invention, cette dernière peut comporter plusieurs matériaux semiconducteurs 3 possédants des rendements et des spectres de radioluminescence différents. Pour cette variante de réalisation, il convient d'utiliser dans le système de détection de luminescence 7 un photodétecteur 6 permettant d'extraire les caractéristiques spectrales du signal incident. Par exemple, il sera possible d'utiliser des photodétecteurs CMOS à jonctions enterrées multiples ou des photodétecteurs conventionnels associés à des filtres adaptés. Un des avantages de cette variante est l'élargissement de la plage de sensibilité du dispositif de dosimétrie I. Tel que cela ressort plus précisément de la Fig. 4B, selon une autre variante de réalisation de la sonde 1 conforme à l'invention, cette dernière peut comporter plusieurs matériaux semiconducteurs 3 ayant des propriétés de radioluminescence différentes, encapsulés dans une même cellule de détection 2 et reliés au système de détection de luminescence 7 par un faisceau de fibres optiques 4. Pour cette variante de réalisation, il convient d'utiliser une matrice de photodétecteurs 6. Comme pour la variante de réalisation précédente, un des avantages de cette variante est l'élargissement de la plage de sensibilité du dispositif de dosimétrie I. Tel que cela ressort plus précisément de la Fig. 4C, il est à noter qu'il peut être prévu de relier une série de sondes miniaturisées 1 conformes à l'invention à une série de photodétecteurs 6 faisant partie du système de détection de luminescence 7. Selon une caractéristique préférée de réalisation, les sondes miniaturisées 1 présentent des matériaux semiconducteurs 3 possédant des propriétés de radioluminescence différentes. L'invention n'est pas limitée aux exemples décrits et représentés car diverses modifications peuvent y être apportées sans sortir de son cadre. REVENDICATIONS 1 - Sonde miniaturisée pour la mesure d'un rayonnement haute énergie comprenant au moins : - un matériau radioluminescent (3) émettant un signal de luminescence dont l'intensité est fonction du rayonnement haute énergie irradiant ledit matériau, - et une fibre optique (4) recevant le signal de luminescence et assurant sa transmission vers un système de détection de luminescence (7), caractérisée en ce que le matériau radioluminescent (3) est un matériau massif semi-conducteur. 2 - Sonde miniaturisée selon la revendication 1, caractérisée en ce que le matériau massif semi-conducteur (3) est un matériau massif semi-conducteur à gap direct. 3 - Sonde miniaturisée selon la revendication 2, caractérisée en ce que le matériau massif semi-conducteur à gap direct (3) est un matériau choisi parmi la 15 liste suivante : AsGa, GaN, CdTe, GaAlAs, AIGaInN, InGaN. 4 - Sonde miniaturisée selon la revendication 1, caractérisée en ce que le matériau massif semi-conducteur (3) est un matériau massif semi-conducteur à gap indirect. 5 - Sonde miniaturisée selon la revendication 4, caractérisée en ce que le 20 matériau massif semi-conducteur à gap indirect (3) est un matériau choisi parmi la liste suivante : SiC, GaP, GaAsP. 6 - Sonde miniaturisée selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que le matériau radioluminescent (3) est placé dans une cellule de conversion (2) montée à l'une des extrémités d'une fibre optique (4) pour former une sonde 25 invasive. 7 - Sonde miniaturisée selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que la cellule de conversion (2) montée à l'une des extrémités d'une fibre optique (4) comprend plusieurs matériaux semiconducteurs (3) ayant des propriétés de radioluminescence différentes. 30 8 - Sonde miniaturisée selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que la cellule de conversion (2) montée à l'une des extrémités d'un faisceau defibres optiques (4) comprend plusieurs matériaux semiconducteurs (3) ayant des propriétés de radioluminescence différentes. 9 - Dispositif pour la mesure d'un rayonnement haute énergie caractérisé en ce qu'il comprend au moins une sonde miniaturisée (1) conforme à l'une des revendications 1 à 8 et au moins un photodétecteur (6) relié par au moins une fibre optique (4) au matériau radioluminescent (3) et faisant partie d'un système de détection de luminescence (7). - Dispositif selon la revendication 9, caractérisé en ce qu'il comprend au moins un photodétecteur (6) à jonctions enterrées multiples permettant 10 d'exploiter les caractéristiques spectrales du signal de luminescence collecté. 11 - Dispositif selon la revendication 9 ou 10, caractérisé en ce qu'il comprend : - une série de sondes miniaturisées (1) conformes à l'une des revendications 1 à 8, - et une série de photodétecteurs (6) reliés chacun par une fibre optique (4) ou un faisceau de fibres optiques à un ou plusieurs matériaux luminescents (3), les photodétecteurs (6) faisant partie du système de détection de luminescence (7). 12 Dispositif selon l'une des revendications 9 à 11, caractérisé en ce que les sondes miniaturisées (1) présentent des matériaux radioluminescents (3) possédant des caractéristiques de luminescence spectrale différentes. 13 - Dispositif selon l'une des revendications 9 à 12, caractérisé en ce que les sondes miniaturisées (1) présentent des matériaux radioluminescents (3) possédant des rendements de radioluminescence différents.25