Brevet FR2918461A1 — publié le 20090109

La présente invention concerne le domaine des détecteurs de rayons gamma, et plus particulièrement des détecteurs fondés sur la diffusion de Compton. Il existe actuellement deux formes principales de conception pour les détecteurs ou télescopes d'imagerie à rayons gamma, à savoir les configurations de type à masque à ouverture codée et de type à diffusion de Compton. Les détecteurs à ouverture codée, tels que celui décrit dans le brevet américain N 5 036 546 au nom de Gottesman et consorts, sont utilisés pour réaliser des images de sources de rayons gamma, mais leurs performances ne sont pas bonnes au-dessus de 0,3 MeV d'énergie du fait que le rayonnement traverse l'ouverture sans avoir d'interaction ou en subissant une diffusion de Compton dans l'ouverture, puis en déposant le reste de son énergie sur le plan détecteur, pour ainsi rendre l'ouverture "optiquement mince" ou transparente, ce qui anéantit la résolution énergétique et le contraste du système. Ceci dégrade et finalement détruit l'image, être atténuée supplémentaire à qui se traduit par un poids très pénalisant et également par une déformation de l'image. Une autre démarche connue consiste à réaliser l'ouverture codée à partir d'un matériau détecteur actif semi-conducteur, tel que germanium (HPGe) ou tellurure de cadmium et de zinc (CdZnTe), ou d'un scintillateur, tel que iodure de sodium (NaI) ou iodure de césium (CsI), et à utiliser comme impulsion de sélection le signal généré à chaque fois qu'un rayon gamma interagit dans l'ouverture, essentiellement pour ordonner à l'électronique de traitement de signal mais la dégradation de l'image peut par l'ajout d'une épaisseur l'ouverture, épaisseur supplémentaire d'ignorer l'événement. Ceci se traduit toutefois par une perte significative d'efficacité de détection. Les ouvertures codées sont donc rarement utilisées pour réaliser des images de rayons gamma au-dessus de 0,3 MeV, lorsque la diffusion de Compton devient importante. La seconde forme principale de conception de télescopes à rayons gamma comprend les télescopes à diffusion de Compton qui utilisent l'effet de la diffusion de Compton produit lorsqu'un photon interagit avec un électron. Les énergies du photon et de l'électron sortants, ainsi que l'angle suivant lequel le photon diffusé quitte le point d'interaction permettent de déterminer l'énergie et la direction du photon ou du rayon gamma initial à un cône circulaire près. Un télescope à diffusion de Compton se compose de deux plans détecteurs, chaque niveau étant constitué d'un matériau de détection de rayons gamma, tel qu'un scintillateur (à savoir, NaI ou CsI), ou d'un détecteur semi-conducteur (à savoir, HPGe ou CZT). Les informations provenant des détecteurs au niveau des deux plans sont utilisées pour déterminer les points d'interaction dans les deux plans et l'énergie déposée dans les détecteurs des deux plans. Bien que les références mentionnées ci-dessus présentent et décrivent de nombreux progrès et perfectionnements technologiques notables dans la technique, aucun ne parvient à atteindre totalement les buts spécifiques atteints par la présente invention. Selon un premier aspect de la présente invention, il est proposé un détecteur de rayons gamma de forme combinée pour mesurer des rayons gamma incidents, caractérisé en ce qu'il comprend : un élément formant plan détecteur actif à ouverture codée de niveau supérieur adapté pour détecter un rayon gamma incident ; et un élément formant plan détecteur actif de rayon gamma de niveau inférieur espacé de l'ouverture codée de niveau supérieur pour détecter un rayon gamma incident ; le détecteur de rayons gamma de forme combinée fonctionnant, à de basses énergies de rayons gamma, comme un système à ouverture codée conventionnel, et à de plus hautes énergies de rayons gamma, comme un dispositif détecteur à diffusion de Compton. De préférence, l'élément formant plan détecteur actif à ouverture codée de niveau supérieur comprend un détecteur semi-conducteur. De préférence également, l'élément formant plan détecteur actif de rayon gamma de niveau inférieur est constitué d'un matériau capable de détecter l'énergie de rayons gamma interactifs. L'élément formant plan détecteur actif de rayon gamma de niveau inférieur peut détecter un point d'interaction d'un rayon gamma incident. L'élément formant plan détecteur actif de rayon gamma de niveau inférieur peut détecter une quantité d'énergie déposée par un rayon gamma incident. De préférence, l'élément formant plan détecteur actif de rayon gamma de niveau inférieur est disposé à l'intérieur du détecteur de rayons gamma de façon que l'élément formant plan détecteur actif à ouverture codée de niveau supérieur soit devant lui par rapport au trajet de propagation du rayon gamma. Selon un second aspect de la présente invention, il est proposé un procédé de détection de rayons gamma incidents sur un détecteur de rayons gamma, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes qui consistent à : détecter des rayons gamma d'énergie plus basse en utilisant le détecteur de rayons gamma en mode de dispositif d'imagerie à ouverture codée ; et détecter des rayons gamma d'énergie plus haute en utilisant le détecteur de rayons gamma en mode de dispositif à diffusion de Compton ; le détecteur de rayons gamma comprenant un élément formant plan détecteur actif à ouverture codée de niveau supérieur adapté pour détecter un rayon gamma incident, et un élément formant plan détecteur actif de rayon gamma de niveau inférieur espacé de l'ouverture codée de niveau supérieur pour détecter un rayon gamma incident. Ce qui précède, ainsi que d'autres buts, avantages et caractéristiques de la présente invention, ressortira plus clairement de la description détaillée suivante d'un mode de réalisation préféré de celle-ci, donnée à titre d'exemple nullement limitatif en référence aux dessins annexés dans lesquels : la figure 1 est une représentation schématique d'un capteur d'imagerie de télescope Compton à ouverture codée, et la figure 2 est un exemple de graphique du coefficient d'atténuation massique en fonction de l'énergie de photons pour le tellurure de cadmium et de zinc. En résumé, un détecteur de rayons gamma de forme combinée D pour mesurer des rayons gamma incidents 10 comprend un élément formant plan détecteur actif à ouverture codée de niveau supérieur 12 adapté pour détecter un rayon gamma incident 10. Un élément formant plan détecteur actif de rayon gamma 14, espacé de la couche à ouverture codée de niveau supérieur 12, est également capable de détecter un rayon gamma incident 10. A de faibles énergies de rayons gamma, le dispositif détecteur de rayons gamma de forme combinée D fonctionne comme un système à ouverture codée conventionnel, tandis qu'à des énergies de rayons gamma supérieures, ce dispositif détecteur de rayons gamma de forme combinée fonctionne comme un dispositif détecteur à diffusion de Compton. Le dispositif D de la présente invention utilise deux niveaux de plans de détection actifs 12 et 14 espacés l'un de l'autre dans un boîtier 16, le niveau supérieur ou avant 12 étant un détecteur actif à ouverture codée (scintillateur ou semi-conducteur) et le niveau inférieur ou arrière 14 étant un plan détecteur actif formé d'un scintillateur ou d'un semi-conducteur. L'élément formant plan détecteur actif de rayon gamma de niveau inférieur 14 est disposé dans le détecteur de rayons gamma D de façon que l'élément formant détecteur actif à ouverture codée de niveau supérieur 12 soit situé avant lui par rapport au trajet de propagation du rayon gamma 10. L'ouverture codée 12 et l'élément formant plan détecteur 14 peuvent être tous deux réalisés à partir d'un matériau détecteur actif, tel que le tellurure de cadmium et de zinc (CdZnTe), d'un scintillateur cristallin (CsI, NaI) ou d'un scintillateur liquide. Cependant, au lieu d'être éliminés à chaque fois qu'ils génèrent un signal, les événements de diffusion de Compton sont ici exploités grâce au traitement des données en mode de télescope Compton, et à l'enregistrement tant de la position que du lieu de l'interaction du rayon gamma dans l'ouverture ainsi que dans le plan détecteur. On sait bien dans la technique comment traiter les photons à diffusion de Compton pour déduire l'angle d'arrivée 18 d'un photon à un cône angulaire près, mais la présente invention combine l'utilisation d'une ouverture codée active 12 et de l'élément formant plan d'absorption à diffusion de Compton 14. La combinaison de la présente invention D a pour avantage que, dans le cas d'énergies faibles où la probabilité d'une diffusion de Compton est nulle ou négligeable, le système D de la présente invention est utilisé en mode d'ouverture codée conventionnel (signal provenant uniquement du plan détecteur) pour fournir une très bonne image à des énergies faibles. Cependant, à chaque fois qu'un événement de diffusion de Compton est détecté (signaux coïncidents dans les deux couches formant ouverture et plan détecteur 12 et 14), le traitement est réalisé en mode de "diffusion de Compton". Le résultat de ceci est un capteur d'imagerie léger qui fonctionne bien dans les régimes d'énergie bas et hauts, ce qui n'avait jamais été réalisé jusqu'à maintenant. Les systèmes à ouverture codée conventionnels pourront bénéficier de la présente invention, puisqu'ils ne seront plus limités à des énergies faibles ( La figure 1 représente la présente invention. L'ouverture 12 est une ouverture "codée" active formée d'un matériau détecteur de rayons gamma. Les ouvertures codées sont habituellement constituées d'un matériau passif, mais l'ouverture codée 12 de la présente invention est active en ce sens qu'elle signale l'emplacement de toutes les interactions de rayons gamma dans l'ouverture 12 ainsi que l'énergie déposée. Etant donné que la section photoélectrique est importante aux basses énergies de rayons gamma ( Le fonctionnement des deux couches formant ouverture et plan détecteur 12, 14 dans un mode connu sous le nom de "mode coïncident" (fenêtre temporelle étroite), permet de reconstruire l'événement et de déterminer la direction du rayon gamma incident 10 à un cône angulaire près. Ce mode de fonctionnement est caractéristique d'un télescope Compton. Dans le cas présent, l'invention utilise une ouverture codée comme un plan de diffusion de Compton supérieur ou haut en plus de l'utiliser comme une ouverture codée conventionnelle. A de basses énergies de rayons gamma ( 0,3 MeV) grâce à la diffusion de Compton. La présente invention permet également d'augmenter la plage d'énergies dynamiques, de réduire le poids du système et d'améliorer la qualité de l'image. Bien que la description précédente ait porté sur un mode de réalisation préféré de la présente invention, celle-ci n'est bien entendu pas limitée à l'exemple particulier décrit et illustré ici, et l'homme de l'art comprendra aisément qu'il est possible d'y apporter de nombreuses variantes et modifications sans pour autant sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1. Détecteur de rayons gamma de forme combinée pour mesurer des rayons gamma incidents, caractérisé en ce qu'il comprend : un élément formant plan détecteur actif à ouverture codée de niveau supérieur (12) adapté pour détecter un rayon gamma incident (10); et un élément formant plan détecteur actif de rayon gamma de niveau inférieur (14) espacé de l'ouverture codée de niveau supérieur (12) pour détecter un rayon gamma incident (10); le détecteur de rayons gamma de forme combinée (D) fonctionnant, à de basses énergies de rayons gamma, comme un système à ouverture codée conventionnel, et à de plus hautes énergies de rayons gamma, comme un dispositif détecteur à diffusion de Compton. 2. Détecteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'élément formant plan détecteur actif à ouverture codée de niveau supérieur (12) comprend un détecteur semi-conducteur. 3. Détecteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'élément formant plan détecteur actif de rayon gamma de niveau inférieur (14) est constitué d'un matériau capable de détecter l'énergie de rayons gamma interactifs. 4. Détecteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'élément formant plan détecteur actif de rayon gamma de niveau inférieur (14) détecte un point d'interaction d'un rayon gamma incident. 5. Détecteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'élément formant plan détecteur actif de rayon gamma de niveau inférieur (14) détecte une quantité d'énergie déposée par un rayon gamma incident. 6. Détecteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'élément formant plan détecteur actif derayon gamma de niveau inférieur (14) est disposé à l'intérieur du détecteur de rayons gamma (D) de façon que l'élément formant plan détecteur actif à ouverture codée de niveau supérieur (12) soit devant lui par rapport au trajet de propagation du rayon gamma. 7. Procédé de détection de rayons gamma incidents sur un détecteur de rayons gamma, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes qui consistent à : détecter des rayons gamma d'énergie plus basse en utilisant le détecteur de rayons gamma (D) en mode de dispositif d'imagerie à ouverture codée ; et détecter des rayons gamma d'énergie plus haute en utilisant le détecteur de rayons gamma (D) en mode de dispositif à diffusion de Compton ; le détecteur de rayons gamma (D) comprenant un élément formant plan détecteur actif à ouverture codée de niveau supérieur (12) adapté pour détecter un rayon gamma incident, et un élément formant plan détecteur actif de rayon gamma de niveau inférieur (14) espacé de l'ouverture codée de niveau supérieur (12) pour détecter un rayon gamma incident. 8. Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que l'élément formant plan détecteur actif à ouverture codée de niveau supérieur (12) comprend un détecteur semi-conducteur. 9. Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que l'élément formant plan détecteur actif de rayon gamma de niveau inférieur (14) est constitué d'un matériau capable de détecter l'énergie de rayons gamma interactifs. 10. Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que l'élément formant plan détecteur actif de rayon gamma de niveau inférieur (14) détecte un point d'interaction d'un rayon gamma incident. 11. Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que l'élément formant plan détecteur actif de rayon gamma de niveau inférieur (14) détecte une quantité d'énergie déposée par un rayon gamma incident. 12. Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que l'élément formant plan détecteur actif de rayon gamma de niveau inférieur (14) est disposé à l'intérieur du détecteur de rayons gamma (D) de façon que l'élément formant plan détecteur actif à ouverture codée de niveau supérieur (12) soit devant lui par rapport au trajet de propagation du rayon gamma.