Brevet FR2938705A1 — publié le 20100521

Détecteur de rayonnement X à l'état solide La présente invention concerne un détecteur de rayonnement X à l'état solide comportant un capteur photosensible associé à un convertisseur de rayonnement. Les domaines d'application de ce type de détecteur sont 5 notamment la radiologie : radiographie, fluoroscopie, mammographie, mais également le contrôle non destructif. De tels détecteurs de rayonnement sont par exemple décrits dans le brevet français FR 2 803 081 dans lequel un capteur formé de photodiodes en silicium amorphe est associé à un convertisseur de 10 rayonnement. Le fonctionnement et la structure d'un tel détecteur de rayonnement vont être rappelés succinctement. Le capteur photosensible est généralement réalisé à partir d'éléments photosensibles à l'état solide arrangés en matrice. Les éléments 15 photosensibles sont réalisés à partir de matériaux semi-conducteurs, le plus souvent du silicium mono cristallin pour les capteurs de type CCD ou CMOS, du silicium poly cristallin ou amorphe. Un élément photosensible comporte au moins une photodiode, un phototransistor ou une photo résistance. Ces éléments sont déposés sur un substrat, généralement une dalle de verre. 20 Ces éléments ne sont généralement pas sensibles directement aux rayonnements de longueurs d'ondes très courtes comme le sont les rayons X ou gamma. C'est pourquoi, on associe le capteur photosensible à un convertisseur de rayonnement qui comporte une couche d'une substance scintillatrice. Cette substance a la propriété, lorsqu'elle est excitée par de tels 25 rayonnements, d'émettre un rayonnement de longueur d'onde supérieure, par exemple de la lumière visible ou proche du visible, auquel est sensible le capteur. La lumière émise par le convertisseur de rayonnement illumine les éléments photosensibles du capteur qui effectuent une conversion photoélectrique et délivrent des signaux électriques exploitables par des 30 circuits appropriés. Le convertisseur de rayonnement sera appelé scintillateur dans la suite de la description. Certaines substances scintillatrices de la famille des halogénures alcalins ou des oxysulfures de terres rares sont fréquemment employées pour leurs bonnes performances. Parmi les halogénures alcalins, l'iodure de césium dopé au sodium ou au thallium, selon que l'on souhaite une émission vers 400 nanomètres ou vers 550 nanomètres respectivement, est connu pour sa forte absorption des rayons X et pour son excellent rendement de fluorescence. II se présente sous la forme de fines aiguilles que l'on fait croître sur un support. Ces aiguilles sont sensiblement perpendiculaires à ce support et elles confinent en partie la lumière émise vers le capteur. Leur finesse conditionne la résolution du détecteur. Les oxysulfures de lanthane et de gadolinium sont aussi très employés pour les mêmes raisons. ~o Mais parmi ces substances scintillatrices, certaines ont comme inconvénient d'être peu stables, elles se décomposent partiellement lorsqu'elles sont exposées à l'humidité et leur décomposition libère des espèces chimiques qui migrent soit vers le capteur soit à l'opposé du capteur. Ces espèces sont très corrosives. L'iodure de césium et l'oxysulfure 15 de lanthane ont notamment cet inconvénient. En ce qui concerne l'iodure de césium, sa décomposition donne de l'hydroxyde de césium Cs+ OH- et de l'iode libre 12 qui peut ensuite se combiner avec des ions iodures pour donner le complexe I3-. En ce qui concerne l'oxysulfure de lanthane sa décomposition 20 donne du sulfure d'hydrogène H2S chimiquement très agressif. L'humidité est extrêmement difficile à supprimer. L'air ambiant ainsi que la colle utilisée pour l'assemblage du détecteur en contiennent toujours. La présence d'humidité dans la colle est due soit à l'air ambiant, soit comme sous-produit de la polymérisation si celle-ci résulte de la 25 condensation de deux espèces chimiques, ce qui est fréquent. L'un des aspects importants lors de la réalisation de ces détecteurs sera de minimiser la quantité d'humidité présente initialement à l'intérieur du détecteur, et en contact avec le scintillateur, et d'éviter la diffusion de cette humidité à l'intérieur du capteur lors de son 30 fonctionnement. Les détecteurs de rayonnement comportent une fenêtre d'entrée traversée par le rayonnement X en amont du scintillateur. Par ailleurs, la substance scintillatrice est généralement déposée sur un support métallique. Le support et la substance scintillatrice forment alors le scintillateur. Il est possible, mais pas obligatoire d'utiliser le support comme fenêtre d'entrée. Lorsque la substance scintillatrice est ainsi déposée sur la fenêtre d'entrée pour former le scintillateur qui est ensuite rapporté par collage sur le capteur, la fenêtre d'entrée doit supporter sans dommage les contraintes thermiques du dépôt et du traitement du scintillateur et posséder préférentiellement un coefficient de dilatation thermique du même ordre de grandeur que celui du scintillateur et que celui du capteur, plus particulièrement celui de son substrat. On peut aussi prévoir que la fenêtre ait un module d'élasticité faible, ce qui permet de supprimer des contraintes différentielles entre d'une part la fenêtre et le scintillateur et d'autre part la fenêtre et le capteur, ou plus particulièrement le substrat du capteur. On supprime ainsi les risques de craquèlement du scintillateur et de bris du substrat du capteur. L'état de surface de la fenêtre d'entrée doit de plus permettre, notamment pour l'iodure de césium, une croissance d'aiguilles les plus fines possibles, de la manière la plus uniforme possible. La finesse des aiguilles est un facteur de qualité pour la résolution du détecteur. Actuellement les supports sont en aluminium. La transparence de l'aluminium au rayonnement à détecter est excellente, ses propriétés optiques sont bonnes. On peut obtenir après traitement de l'aluminium un état de surface satisfaisant pour y déposer le scintillateur. Malheureusement, son coefficient de dilatation est très différent de celui du capteur. Pour éviter des contraintes mécaniques importantes à l'interface entre les deux éléments à l'occasion de cycles thermiques, on est réduit à utiliser un joint de scellement souple capable d'encaisser sans dommage les déformations liées à ces cycles thermiques. Ce joint est nécessairement souple pour encaisser les différences de dilatation entre le support du scintillateur et le capteur lors des cycles thermiques, et de minimiser les contraintes et les risques de casse. Or, les matériaux souples sont en général perméables à l'humidité. Il en résulte une protection insuffisante du scintillateur contre cette humidité, ce qui réduit la durée de vie du détecteur. Il est souhaitable que de tels détecteurs de rayonnement aient une durée de vie comparable avec la durée d'amortissement des appareils de radiologie ou autre sur lesquels ils sont montés, cette durée étant de l'ordre de 10 ans. Un autre mode de réalisation des détecteurs a également été développé, mode de réalisation dans lequel les fonctions de fenêtre d'entrée et étanchéité ne sont pas réalisées, comme dans l'état de l'art tel qu'il vient d'être décrit, par le seul support du scintillateur. Dans ce mode de réalisation, la fenêtre d'entrée est un élément supplémentaire posé sur le scintillateur, sans être fixé au scintillateur, et un joint de scellement étanche à l'humidité réalise l'assemblage de la fenêtre d'entrée et du capteur. Autrement dit, la fenêtre d'entrée est rapportée sur l'ensemble formé par le capteur et le scintillateur. Le scellement est effectué entre la fenêtre d'entrée et le capteur. Dans ce mode de réalisation, les contraintes auxquelles est soumis le support du scintillateur sont réparties entre le support et la nouvelle fenêtre d'entrée proprement dite. Le support du scintillateur reste soumis aux mêmes contraintes de réflectivité et d'état de surface pour le dépôt de substance scintillatrice que dans la structure précédente. Par contre, il n'est plus soumis aux contraintes d'étanchéité et de support du joint de scellement. Ces contraintes sont reportées sur la nouvelle fenêtre d'entrée additionnelle. Ce mode de réalisation permet de définir un matériau de fenêtre d'entrée qui soit compatible avec le matériau dont est constitué le capteur, notamment en termes de compatibilité de leurs coefficients de dilatation respectifs qui doit permettre l'utilisation d'un joint de scellement plus dur, et donc plus imperméable à l'humidité. En séparant les fonctions de fenêtre d'entrée et de support du 25 scintillateur, le choix de matériau utilisable pour réaliser la fenêtre d'entrée est beaucoup plus ouvert. Ce mode de réalisation peut être mis en oeuvre dans deux configurations d'assemblage du scintillateur et du capteur. Dans une première configuration, dite du scintillateur rapporté, la 30 substance scintillatrice est déposée sur un support que le rayonnement à détecter doit traverser avant d'atteindre le capteur. L'ensemble formé de la substance scintillatrice et de son support est alors collé sur le capteur. On utilise pour ce faire une colle optique dont l'objet est d'assurer un bon contact mécanique entre le scintillateur et le capteur, mais également un bon transfert de la lumière issue du scintillateur vers le capteur photosensible. Dans une seconde configuration, dite du dépôt direct, le capteur sert de support à la substance scintillatrice qui est alors en contact direct et 5 intime avec le capteur. Les deux configurations présentent chacune des avantages et des inconvénients qui sont par exemple décrits dans le brevet français FR 2 831 671. Le fait de disposer au dessus du scintillateur une fenêtre d'entrée indépendante du scintillateur pose néanmoins des problèmes tels que 10 notamment l'épaisseur du joint de scellement fixant la fenêtre d'entrée au capteur qui doit au moins être égale à l'épaisseur du scintillateur. Ce type de joint de scellement épais présente des difficultés de réalisation, notamment au niveau de la reproductibilité de son étanchéité. II peut par exemple ne pas être homogène et présenter des bulles pouvant entraîner la porosité du joint. 15 Le volume du joint peut nécessiter un moule pour sa mise en place. Un joint épais peut également, pour des raisons de rhéologie, couler et polluer de zones du détecteur où il n'est pas souhaité. L'invention vise à pallier tout ou partie des problèmes cités plus 20 haut en proposant la mise en place d'une fenêtre d'entrée rapportée sans faire appel à un joint épais. A cet effet, l'invention a pour objet un détecteur d'un premier rayonnement à l'état solide comportant un capteur photosensible, un scintillateur transformant le premier rayonnement en un second rayonnement 25 auquel le capteur est sensible, et une fenêtre d'entrée rigide traversée par le premier rayonnement en amont du scintillateur, le scintillateur étant disposé entre le capteur et la fenêtre d'entrée, le capteur comprenant un substrat et des éléments photosensibles disposés sur le substrat, caractérisé en ce que la fenêtre d'entrée est mise en forme de manière à épouser la forme du 30 scintillateur et en ce que la fenêtre d'entrée est fixée de façon étanche à l'humidité sur le substrat du capteur. L'invention a également pour objet un procédé de réalisation d'un détecteur de rayonnement selon l'invention, caractérisé en ce qu'il consiste à enchainer les opérations suivantes : 35 • coller le scintillateur sur le capteur ; • poser la fenêtre d'entrée sur l'ensemble formé du capteur et du scintillateur ; • coller la fenêtre d'entrée sur le capteur. L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages apparaîtront à la lecture de la description détaillée d'un mode de réalisation donné à titre d'exemple, description illustrée par le dessin joint dans lequel : La figure 1 représente un exemple de réalisation d'un détecteur de rayonnement conforme à l'invention. Sur cette figure, dans un souci de clarté, les échelles ne sont pas respectées. Le détecteur de rayonnement 10, représenté sur la figure 1, permet la détection de rayonnement X dont la direction est matérialisée par les flèches 11. Le détecteur 10 comprend un capteur 12, un scintillateur 13 transformant le rayonnement X en un rayonnement auquel le capteur 12 est sensible, et une fenêtre d'entrée 14 rigide traversée par le rayonnement X en amont du scintillateur 13. L'invention est décrite en rapport à un détecteur de rayonnement 20 X. II est bien entendu que l'invention peut être mise en oeuvre pour d'autres longueurs d'onde de rayonnement nécessitant un scintillateur. Le scintillateur 13 est disposé entre le capteur 12 et la fenêtre d'entrée 14. Le capteur 12 comprend un substrat 15 et des éléments photosensibles 16 disposés sur le substrat 15. Chaque élément 25 photosensible 16 est monté entre un conducteur de ligne et un conducteur de colonne de manière à pouvoir être adressé. Les conducteurs de lignes et de colonnes ne sont pas représentés sur la figure pour ne pas la surcharger. Les éléments photosensibles 16 et les conducteurs sont généralement recouverts d'une couche de passivation destinée à les protéger de l'humidité. 30 Le scintillateur 13 comprend un support 17 et une substance scintillatrice 18 déposée sur le support 17. La substance scintillatrice 18 appartient, par exemple, à la famille des halogénures alcalins tel l'iodure de césium qui est particulièrement sensible à l'oxydation humide, mais elle pourrait également appartenir à la famille des oxysulfures de terres rares dont certains membres 35 sont également peu stables comme l'oxysulfure de lanthane. Avantageusement, le support 17 est traversé par le rayonnement X en amont de la substance scintillatrice 18 et le scintillateur 13 est fixé au capteur 12 du coté de la substance scintillatrice 18. La fenêtre d'entrée 14 est posée sur le scintillateur 13 sans y être 5 fixée. La fenêtre d'entrée 14 est rigide et est fixée de façon étanche à l'humidité sur le substrat 15 du capteur 13. Un joint de scellement 19 étanche fixe la fenêtre d'entrée 14 au substrat 15. Le choix d'un matériau pour le joint de scellement 19 est fait en fonction des matériaux de la fenêtre d'entrée 14 et du substrat 15. Le joint de 10 scellement 19 peut être réalisé à base de matériau minéral. Ce type de joint présente une très bonne imperméabilité mais il nécessite une température de mise en oeuvre élevée, de l'ordre de 400°C. A titre d'alternative, le joint de scellement 19 peut être réalisé à base de matériau organique. Ces matériaux présentent une moins bonne 15 étanchéité que les matériaux minéraux. Mais en revanche leur température de mise en oeuvre est plus basse, inférieure à 200°C. Parmi les matériaux organiques la meilleure étanchéité est assurée par les adhésifs époxy La fenêtre d'entrée 14, quant à elle, peut être constituée de tout matériau dont le coefficient de dilatation thermique est proche de celui du 20 matériau dont est formé le substrat 15. Avantageusement, le coefficient de dilatation de la fenêtre d'entrée est inférieur à celui de l'aluminium. La proximité des coefficients de dilatation des 2 matériaux à assembler, à savoir celui de la fenêtre d'entrée 14 et celui du substrat 15 rend possible l'utilisation d'un joint de scellement 19 dur. 25 Plusieurs matériaux peuvent convenir pour réaliser la fenêtre d'entrée 14. Les matériaux contenant peu d'éléments lourds conviennent en général du fait de leur bonne transparence aux rayons X. La fenêtre d'entrée 14 peut comporter du verre. Le verre est mono composant et donc facile à mettre en oeuvre. De plus, le substrat 15 peut 30 également comporter du verre. De façon plus générale, la fenêtre d'entrée 14 et le substrat 15 peuvent être réalisé dans le même matériau ou tout au moins, comporter le même matériau majoritaire, ce qui limite la différence de coefficient de dilatation thermique entre la fenêtre d'entrée 14 et le substrat 15. Des fibres de carbone peuvent également être utilisées pour réaliser la 35 fenêtre d'entrée 14. Les fibres de carbone ont une meilleure transparence aux rayons X que le verre et sont aussi moins fragiles. En revanche, les fibres de carbone, souvent maintenues avec de la résine époxy, sont plus difficiles à sceller du fait de leur état de surface rugueux. A titre d'alternative, la fenêtre d'entrée 14 peut comporter un 5 matériau céramique dont la transparence aux rayons X est voisine de celle du verre. La fenêtre d'entrée 14 peut également comporter un matériau organique comme par exemple du polyester. Ce matériau présente une meilleure transparence aux rayons X que le verre. Sa fragilité est également 10 moindre que celle du verre. C'est un matériau homogène présentant un état de surface lisse lorsqu'il est obtenu par laminage ou par moulage. Néanmoins, le scellement du polyester est plus délicat à réaliser que celui du verre. Pour limiter au maximum l'épaisseur des moyens de fixation de la 15 fenêtre d'entrée 14 sur le substrat 15, la fenêtre d'entrée 14 est mise en forme de façon à recouvrir le scintillateur 13 et venir au plus près possible du substrat 15. Autrement dit, la fenêtre d'entrée 14 est mise en forme de manière à épouser la forme du scintillateur 13 et ainsi réduire l'épaisseur du joint de scellement 19 pour minimiser le passage d'humidité dans le joint de 20 scellement 19. Plus précisément, le scintillateur 13 peut être schématiquement représenté comme un parallélépipède dont une première face frontale 20 est disposée contre les éléments photosensibles 16. Une seconde face frontale 21, opposée à la face 20 est traversée par le rayonnement X. Le scintillateur 13 comprend également des faces latérales 25 sensiblement perpendiculaires aux deux faces frontales 20 et 21. Sur la figure 1, deux faces latérales 22 et 23 apparaissent. La fenêtre d'entrée 14 est mise en forme de telle sorte à recouvrir la face frontale 21 et les faces latérales. La fenêtre d'entrée 14 peut être constituée d'une feuille de verre 30 qui peut facilement être déformée pour épouser la forme du scintillateur. La feuille de verre peut être formée à chaud. Le formage à chaud consiste à ramollir le verre en température et à le laisser s'affaisser sur un moule. La feuille de verre peut être creusée par sablage mécanique. Le sablage mécanique consiste à projeter un jet de particules d'un matériau dur, 35 généralement de l'alumine ou tout autre matériau, sur les feuilles de verre en en préservant certaines zones par masquage, notamment les zones à fixer sur le substrat 15. On peut également utiliser des capots constitués de fibres de carbone mis en forme par moulage. Avantageusement, le scintillateur 13 est fixé sur le capteur 12 au moyen d'une colle 25 transparente au rayonnement auquel le capteur 12 est sensible. La fenêtre d'entrée 14 est fixée sur le substrat 15 du capteur 12 également au moyen de la colle 25. La colle 25 s'étend sur toute la surface du scintillateur 13 en regard du capteur 12. Autrement dit, on utilise le même adhésif afin d'assurer une fonction de colle optique entre le scintillateur 13 et le capteur 12 ainsi qu'une fonction de joint de scellement entre la fenêtre d'entrée 14 et le substrat 15. Le joint de scellement 19 et la colle 25 ne forment qu'un seul élément. L'utilisation du même élément comme joint de scellement 19 et comme colle 25 apporte plusieurs avantages : une simplification des modes de réalisation des assemblages dans le détecteur 10, une diminution du nombre de matières premières nécessaires à la réalisation du détecteur 10, et donc une diminution des temps opératoires et des coûts de réalisation. La colle 25 est choisie pour sa transparence et son absence de défauts, ce qui contribue directement à la qualité de l'image finale délivrée par le détecteur 10. La colle 25 doit également assurer l'intégrité mécanique de l'interface optique entre les éléments photosensibles 16 et la substance scintillatrice 18. La colle 25 doit assurer une bonne liaison mécanique entre le substrat 15 et la fenêtre d'entrée 14. Cette liaison devra également être étanche à l'humidité, soit par les propriétés intrinsèques du matériau de la colle 25, soit par sa faible épaisseur due au degré important de confinement du passage de l'humidité, apporté par la fenêtre d'entrée 14 mise en forme au plus près du scintillateur 13. La colle 25 peut être soit un adhésif liquide, déposé sur le substrat 15, par exemple par sérigraphie, trempé, offset, dépose au ménisque, ou tout autre moyen de dispense. La colle 25 peut nécessiter un recuit ou tout traitement de mise en oeuvre avant couplage optique de la substance scintillatrice 18 et dépose de la fenêtre d'entrée 14. La colle 25 peut également être déposée sur le substrat 15 et mis en oeuvre sous forme de film à partir d'un rouleau, avant couplage optique de la substance scintillatrice 18 et dépose de la fenêtre d'entrée 14. La colle 25 peut comprendre un élément appartenant à l'une des familles d'adhésif : silicone, acrylique ou époxy. Un procédé de réalisation d'un détecteur conforme à l'invention consiste à enchainer les opérations suivantes : • coller le scintillateur 13 sur le capteur 12 ; • poser la fenêtre d'entrée 14 sur l'ensemble formé du capteur 12 et du 10 scintillateur 13 ; • coller la fenêtre d'entrée 14 sur le capteur 12. Lorsque l'on utilise une même colle 25 pour assembler le scintillateur 13 et la fenêtre d'entrée 14 sur le substrat 15, le procédé 15 consiste à : • coller le scintillateur 13 sur le capteur 12 au moyen d'un film de colle 25 ; • coller la fenêtre d'entrée 14 sur le capteur 12 au moyen du film de colle 25. 20 REVENDICATIONS1. Détecteur d'un premier rayonnement à l'état solide comportant un capteur photosensible (12), un scintillateur (13) transformant le premier rayonnement en un second rayonnement auquel le capteur (12) est sensible, et une fenêtre d'entrée (14) rigide traversée par le premier rayonnement en amont du scintillateur (13), le scintillateur (13) étant disposé entre le capteur (12) et la fenêtre d'entrée (14), le capteur (12) comprenant un substrat (15) et des éléments photosensibles (16) disposés sur le substrat (15), caractérisé en ce que la fenêtre d'entrée (14) est mise en forme de manière à épouser la forme du scintillateur (13) et en ce que la fenêtre d'entrée (14) est fixée de façon étanche à l'humidité sur le substrat (15) du capteur (12). 2. Détecteur de rayonnement selon la revendication 1, caractérisé en ce que le scintillateur (13) comprend une face frontale (21) traversée par le premier rayonnement et des faces latérales (22, 23), en ce que la fenêtre d'entrée (14) recouvre la face frontale (21) et les faces latérales (22, 23) du scintillateur (13). 3. Détecteur de rayonnement selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le scintillateur (13) est fixée sur le capteur (12) au moyen d'une colle (25) transparente au second rayonnement auquel le capteur (12) est sensible et en ce que la fenêtre d'entrée (14) est fixée sur le substrat (15) du capteur (12) au moyen de la colle (25). 4. Détecteur de rayonnement selon la revendication 3, caractérisé 25 en ce que la colle (25) s'étend sur toute la surface du scintillateur (13) en regard du capteur (12). 5. Détecteur de rayonnement, selon l'une des revendications 3 ou 4, caractérisé en ce que la colle (25) comprend un élément appartenant à 30 l'une des familles d'adhésif : silicone, acrylique ou époxy. 6. Détecteur de rayonnement selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la fenêtre d'entrée (14) est posée sans être fixée sur le scintillateur (13). 7. Détecteur de rayonnement selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la fenêtre d'entrée (14) et le substrat (15) du capteur (12) comportent un même matériau majoritaire. 8. Détecteur de rayonnement selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la fenêtre d'entrée (14) comporte un élément appartenant à un ensemble comprenant du verre, des fibres de carbone, un matériau céramique et un matériau organique. 10 9. Détecteur de rayonnement X selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le scintillateur (13) comprend un support (17) et une substance scintillatrice (18) déposée sur le support (17), et en ce que la substance scintillatrice (18) comporte un matériau appartenant à la 15 famille des halogénures alcalins tel que l'iodure de césium ou des oxysulfures de terres rares tel que l'oxysulfure de lanthane. 10. Détecteur de rayonnement X selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le scintillateur (13) comprend un support 20 (17) et une substance scintillatrice (18) déposée sur le support (17), en ce que le support (17) est traversé par le premier rayonnement en amont de la substance scintillatrice (18) et en ce que le scintillateur (13) est fixé au capteur (12) du coté de la substance scintillatrice (18). 25 11. Procédé de réalisation d'un détecteur de rayonnement selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il consiste à enchainer les opérations suivantes : • coller le scintillateur (13) sur le capteur (12) ; • poser la fenêtre d'entrée (14) sur l'ensemble formé du capteur (12) et du 30 scintillateur (13) ; • coller la fenêtre d'entrée (14) sur le capteur (12). 12. Procédé selon la revendication 11, caractérisé en ce qu'il consiste à 35 • coller le scintillateur (13) sur le capteur au moyen d'un film de colle (25) ;5• coller la fenêtre d'entrée (14) sur le capteur (12) au moyen du film de colle (25).