Brevet FR2984584A1 — publié le 20130621

La présente invention concerne un dispositif de filtrage de rayons X. Elle concerne en outre un procédé de fabrication d'un dispositif de filtrage de rayons X. L'invention s'applique à des domaines d'instrumentation de rayons X tels que la spectrométrie et l'imagerie X. A titre d'exemple, on peut citer de manière non limitative les applications suivantes : - la physique des plasmas denses et chauds produits, par exemple, par l'interaction d'un faisceau laser de forte puissance avec la matière, les plasmas restituant une partie importante de l'énergie absorbée sous forme de rayonnement X ; l'imagerie médicale ; l'imagerie de contrôle non destructif en rayonnement X, l'analyse X sur sources synchrotrons. Un dispositif pour la filtration d'un faisceau de rayonnement X, utilisé dans ces applications, doit répondre à deux spécifications: avoir une bande 20 passante avec une largeur donnée et une réponse spectrale avec un profil spécifique. Dans le domaine des rayons X, il est connu de filtrer le rayonnement X en utilisant des écrans de matériaux absorbants. En effet, dans ce domaine, en dessous d'une énergie de 15 keV, le phénomène dominant pour la filtration 25 du rayonnement X est l'absorption photoélectrique. Cette absorption photoélectrique se manifeste par des discontinuités de la transmission des écrans, à des énergies caractéristiques des niveaux atomiques du matériau. La méthode de spectrométrie à large bande la plus ancienne, encore utilisée aujourd'hui, met en jeu ce principe de filtration. Elle a été utilisée par 30 P .A. Ross et porte le nom de « filtres de Ross » ou des « écrans équilibrés ». La figure 1 représente le schéma d'un exemple d'un tel filtre de Ross. Une bande d'énergie est analysée en utilisant deux voies de mesure 11, 12, chacune constituée d'un écran, respectivement Fl et F2 ; et d'un détecteur, respectivement DI et D2. Les deux détecteurs Dl et D2 ont des réponses identiques et les écrans Fl et F2 fixent la largeur de la bande spectrale. Les épaisseurs des écrans Fl et F2 sont choisies pour permettre la même transmission pour que la différence des signaux soit significative de l'énergie contenue dans la bande analysée. Cette méthode présente quelques inconvénients. D'abord elle utilise deux voies pour chaque mesure. De plus, il s'agit d'une mesure par différence donc peu fiable quand les énergies de discontinuité sont proches. Enfin, l'équilibrage des énergies n'est pas possible à toutes les énergies. On voit aussi qu'il subsiste une composante spectrale d'énergie élevée qui provient du filtre et qui n'est pas éliminée car la fonction de transfert d'un tel système (filtre + détecteur) n'est pas totalement nulle au-delà de l'énergie de coupure sélectionnée. Elle remonte, présentant une réponse parasite de forme triangulaire comme illustré sur la figure 2. Une seconde méthode de filtrage intéressante consiste en l'ajout d'un miroir à rayons X car le miroir élimine la composante parasite X-durs transmise par le filtre et joue le rôle de filtre passe-bas en énergie. Chaque voie résulte alors de trois éléments (filtre + miroir + dét ecteur). Ce principe de mesure constitue donc une amélioration par rapport au système précédent. Dans ces deux méthodes, la réponse spectrale du canal de mesure doit intégrer celle du détecteur et s'applique dans le cas où on peut trouver des matériaux dont le seuil d'absorption est convenable. Peu d'éléments présentent des discontinuités et, par conséquent, le domaine d'application est limité au petit nombre de matériaux existants. La position en énergie de cette bande spectrale est donc dépendante du filtre. De plus la forme de cette réponse est imposée, non constante et une dé-convolution du signal est indispensable, ce qui introduit une incertitude de mesure. La réalisation des miroirs interférentiels multicouches périodiques utilisables comme réflecteurs de Bragg permet d'être plus sélectif ou réglable 30 en fonction de l'énergie d'utilisation, et de définir une bande spectrale (monochromateur) située dans un large domaine spectral. Pour rappel un réflecteur de Bragg ou un réseau de Bragg est une structure dans laquelle alternent des couches de deux matériaux d'indices de réfraction différents. Les couches permettent de réfléchir, grâce à des phénomènes d'interférences constructives. Cette alternance de couches provoque une variation périodique de l'indice de réfraction effectif dans le réflecteur. Le principal intérêt des réflecteurs de Bragg réside dans la souplesse du choix de la nature et des constituants du miroir à rayons X. Ce choix est optimisé en fonction des caractéristiques de la source X à analyser. Un tel dispositif est décrit, par exemple, dans le brevet US4684565. Les réflecteurs Bragg peuvent être réalisés sur des supports de formes diverses pour réaliser des miroirs sélectifs et focalisants. Ces dispositifs sont connus sous le nom de miroir de « Goebbels » s'ils sont déposés sur un support parabolique. Ils peuvent faire l'objet de différentes optimisations telles que présenter un gradient latéral ou en profondeur afin d'adapter le réseau de Bragg à la courbure locale du support pour en optimiser le rendement. Toutefois, il subsiste pour ces systèmes trois limitations: - la largeur spectrale de la bande maximum possible est limitée et incompatible avec un fonctionnement large bande (c'est à dire de résolution spectrale AE telle que E/AE soit voisin de 1), - ces systèmes réflecteurs de Bragg diffractent (au même angle) certains harmoniques d'ordre supérieur de l'énergie hors de la bande passante concernée et diminuent la pureté spectrale arrivant sur le détecteur, - l'adaptabilité en longueur d'onde ne fonctionne qu'en changeant l'angle d'incidence. Pour essayer de remédier aux limitations des miroirs de Bragg, des dispositifs dénommés « supermiroirs » ont été conçus. Ce sont des miroirs interférentiels constitués par empilement de plusieurs miroirs de Bragg. Ils permettent de réfléchir plusieurs longueurs d'ondes incidentes simultanément par «addition» de la contribution de plusieurs pics de Bragg comme illustré sur la figure 5. Ces « supermirors » ont été appliqués dans le cas de la lumière visible avec des matériaux très peu absorbants, dans le cas des neutrons et dans le domaine des X-durs. Dans cette technique, on réalise des empilements d'épaisseur différente, correspondant à chacune des longueurs d'ondes que l'on veut réfléchir. Toutefois ceci se fait au détriment d'une diminution de la réflectivité. Ces dispositifs ont donc été développés en multipliant le nombre de couches nécessaires à la réalisation des empilements de filtres de Bragg. Les profils spectraux des miroirs obtenus présentent de fortes oscillations dues aux interférences entre les filtres de Bragg. On constate que ces systèmes permettent de cibler quelques raies d'énergie (celles correspondant aux filtres de Bragg), mais ne permettent pas de créer un dispositif dont la réponse soit un continuum. Cette technique, développée initialement avec des matériaux peu absorbants utilisables dans le domaine visible, est encore plus difficile à mettre en oeuvre dans le domaine X car la multiplication d u nombre de couches nécessaires pour réaliser des empilements de réseau de Bragg conduit soit à une absorption trop forte, soit à un nombre trop limité de raies d'énergies réfléchies. Dans le domaine X, le nécessaire recours à des matériaux fortement absorbant n'a donc pas permis la réalisation de supermiroirs à spectre large continu jusqu'à ce jour. Au mieux l'homme de l'art a-t-il pu réaliser des empilements de réseaux de Bragg aux limitations indiquées ci-dessus, ou des miroirs de Bragg présentant un gradient afin d'adapter un réseau de Bragg à un support non plan. Ces dispositifs ne permettent pas d'obtenir un miroir avec une bande spectrale large continue avec un profil spécifique dans le domaine du rayonnement X. Un des buts de la présente invention est de remédier à des inconvénients de l'état de la technique précité. Elle propose à cet effet un dispositif de filtrage de rayons X comportant : un filtre interférentiel apte à filtrer des rayons X, par réflexion, en fonction de leur énergie, ledit filtre interférentiel comprenant un empilement de couches de réfraction formant une structure multicouche caractérisé en ce que la structure multicouche a une structure apériodique, la réponse spectrale du filtre interférentiel étant dépendante des caractéristiques de la structure multicouche. L'utilisation d'une structure apériodique permet d'élargir considérablement la réponse spectrale du miroir, tout en limitant le nombre de couches nécessaires afin de minimiser la perte de réflectivité du miroir par rapport à une solution multi-Bragg. Selon un mode de réalisation, la structure multicouche comprend au 10 moins un ensemble (120_1..120_m ; 220_1...220_m) composé d'au moins une couche d'un matériau lourd (A) et d'au moins une couche d'un matériau léger (B), lesdites couches étant superposées l'une sur l'autre. Selon un mode de réalisation, le matériau lourd (A) est choisi parmi le groupe comprenant Co, Cr, Cu, Fe, Bi, V, Ni et Zn et le matériau léger (B) est 15 choisi parmi le groupe comprenant B4C, SiC, Sc, Ti. Selon un mode de réalisation, la structure multicouche comprend une pluralité d'ensembles (120), l'épaisseur totale respective de chaque ensemble variant en fonction de la position dudit ensemble dans la profondeur de la structure multicouche. 20 Selon un mode de réalisation, le rapport respectif de l'épaisseur (dA) de la couche d'un matériau lourd (A) sur l'épaisseur totale (d) de chaque ensemble est choisi pour définir la réponse spectrale du filtre (110, 210). Selon un mode de réalisation, au moins une des couches est composée de plusieurs matériaux différents. 25 Selon un mode de réalisation, les caractéristiques de la structure multicouche desquelles dépend la réponse spectrale du filtre interférentiel (110 ; 210) comprennent au moins une caractéristique parmi le nombre de couches, les épaisseurs des couches et les matériaux constituant les couches. Selon un mode de réalisation, la largeur AE de la bande spectrale du 30 dispositif est telle que 0.5 Un dispositif selon un mode de réalisation comporte en outre un filtre apte à filtrer des rayons X par absorption à une énergie définissant la borne basse de la bande passante de la réponse spectrale. Un dispositif selon un mode de réalisation comporte en outre un support sur lequel la structure multicouche est disposée, le support étant configuré pour fonctionner comme un optique focalisatrice. Un deuxième aspect de l'invention concerne un procédé de fabrication d'un dispositif de filtrage de rayons X comprenant l'identification de la réponse spectrale souhaitée du dispositif de filtrage ; la configuration, en fonction de la réponse spectrale identifiée, d'une structure multicouche comportant une pluralité de couches de réfraction, la structure multicouche ayant une structure apériodique caractérisée en ce que la configuration comprend le choix de caractéristiques de la structure multicouche pour obtenir la réponse spectrale identifiée. Dans un mode de réalisation le choix de caractéristiques de la structure multicouche comprend le choix d'au moins deux matériaux dont un matériau lourd et un matériau léger pour les couches de la structure multicouche. Dans un mode de réalisation le choix de caractéristiques de la 20 structure multicouche comprend le nombre de couches de la structure multicouche et/ou les épaisseurs des couches. Selon un mode de réalisation, le procédé comporte en outre une définition préliminaire d'une structure multicouches préliminaire comprenant une superposition d'une pluralité d'empilements périodiques produisant des 25 interférences aux énergies des pics de Bragg respectives dans la bande de la réponse spectrale identifiée. D'autres particularités et avantages de l'invention apparaîtront dans la description ci-après, illustrée par les dessins ci-joints, dans lesquels : - la figure 1 représente schématiquement un filtre de type Ross de 30 l'art antérieur; - la figure 2 représente un exemple de une réponse spectrale de l'art antérieur; 2 9845 84 7 - la figure 3 représente schématiquement un dispositif de filtrage de rayons X selon un premier mode de réalisation de l'invention ; - la figure 4 représente schématiquement la définition préliminaire selon un mode de réalisation de l'invention d'un filtre composé de plusieurs 5 empilements périodiques ; - la figure 5A représente la réponse spectrale du filtre de la figure 4; - la figure 5B représente schématiquement une réponse spectrale possible d'un dispositif de filtrage de rayons X selon un mode de réalisation de 10 l'invention ; - la figure 6 représente schématiquement un dispositif de filtrage de rayons X selon un deuxième mode de réalisation de l'invention. Un dispositif de filtrage de rayons X selon un premier mode de 15 réalisation est représenté schématiquement sur la figure 3. Ce dispositif de filtrage 100 comprend un filtre interférentiel 110 apte à filtrer de façon sélective par réflexion, des rayons X en fonction de leur énergie. Le filtre interférentiel est constitué d'un empilement d'une pluralité de couches 111_1 à 111_n d'indices de réfraction différents. Les couches 111_1 à 111_n sont empilées pour former une structure multicouche ayant une structure apériodique. La réponse spectrale du dispositif de filtrage 100 peut être choisie en fonction des caractéristiques de cette structure multicouche. La structure multicouche dans ce premier mode de réalisation est constituée des ensembles de monocouches 120_1...120_m. Chaque ensemble est composé de deux matériaux monocouches individuels A et B alternativement lourds et légers et d'épaisseur respective dA, dB. L'épaisseur totale de chaque ensemble d = dA + dB change avec sa profondeur dans la structure multicouche 110. Donc, par exemple dans le mode de réalisation de la figure 3 d3>d2>d1. Le choix du nombre n de couches de la structure multicouche 110, et de leur épaisseur respective est fait en fonction de la réponse spectrale souhaitée du dispositif de filtrage 100. Un procédé pour la détermination de la structure multicouche selon au moins un mode de réalisation de l'invention sera maintenant décrit. Dans une première étape, la forme de la réponse spectrale souhaitée pour le dispositif de filtrage est identifiée. Ensuite un choix d'au moins deux matériaux monocouches A et B, respectivement lourd et léger, est effectué. Un matériau lourd peut être choisi parmi le groupe comprenant Co, Cr, Cu, Fe, Bi, V, Ni et Zn et un matériau léger peut être choisi parmi le groupe comprenant B4C, SiC, Sc, Ti. Par exemple, la structure multicouche peut être constituée des ensembles de couches 120 à deux matériaux de type Co/B4C; Co/SiC; Cr/B4C; Cr/Sc; Cu/B4C. Ensuite une définition préliminaire est faite d'un supermiroir de type Bragg comme illustré à la figure 4, constitué de la superposition de plusieurs empilements périodiques de période donnée dl > d2> ... > dn produisant des interférences aux énergies des pics de Bragg respectives El Le design préliminaire de départ est une couche épaisse proche de l'épaisseur totale de l'empilement final de la structure multicouche 110. L'algorithme détermine le meilleur endroit pour insérer une nouvelle couche d'épaisseur très faible et réitère le processus. Elle permet d'optimiser l'épaisseur des couches mais également leur nombre et leur ordre. Dans certains modes de réalisation de l'invention, il peut être souhaitable d'utiliser plus de deux matériaux différents pour réaliser la structure multicouche afin d'améliorer le pouvoir réflecteur du dispositif de filtrage. Deux approches sont possibles. Dans une première approche des couches peuvent être constituées d'un mélange de plusieurs matériaux différents. Dans ce cas, on applique la méthode décrite ci-dessus, dans laquelle les caractéristiques à prendre en compte seront celles du mélange, plutôt que d'un matériau pur, pour les couches concernées. Dans une deuxième approche, le procédé selon un autre mode de réalisation inclut la réalisation des ensembles ayant un nombre de couches supérieur à 2. La figure 6 illustre un dispositif de filtrage de rayons X 200 selon un autre mode de réalisation de l'invention. Dans ce mode de réalisation la structure multicouche 210 comporte des ensembles 220_1 à 220_n de tri-couches constituées de 2 couches de matériaux légers B et C et une couche de matériau lourd A. La structure multicouche 210 peut être constituée d'ensembles 220 de trois couches de matériaux différents comme par exemple: Cr/B4C/SiC ou Cu/Co/B4C. Bien entendu toute autre combinaison pourra être utilisée. L'intérêt de cette approche est de mieux maîtriser les interfaces entre certains matériaux qui sont susceptibles d'être perturbées par un phénomène d'interdiffusion. Dans ce cas les épaisseurs initiales des couches dA, dB, dc, ... de chacun des n empilements périodiques initiaux sont fixées et on définit ri, r2, - rn comme étant les rapports respectifs de l'épaisseur du (ou des) matériau(x) lourd(s) sur la période d. La méthode décrite ci-dessus pour le premier mode de réalisation peut être ensuite appliquée avec les paramètres ainsi définis. Dans un autre mode de réalisation les deux approches peuvent être combinées si nécessaire, les seules limites étant celles de la maîtrise technologique de la réalisation des couches. Dans la pratique l'utilisation de bicouches mono ou bi-matériaux ou de tri couches donne déjà beaucoup de degrés de liberté pour répondre à de nombreux besoins. Dans certains modes de réalisation de l'invention, la structure multicouche peut être déposée sur un support plan ou sur un support non plan qui peut par exemple jouer le rôle d'optique focalisatrice. Dans d'autres modes de réalisation de l'invention, le dispositif de filtrage peut comporter en outre un filtre mince absorbant pour mieux borner la réponse spectrale du dispositif entre deux énergies, [E1, E2]. La borne basse El est apportée par l'un des éléments du miroir multicouche dont le matériau est choisi pour présenter une discontinuité d'absorption correspondant à cette valeur. Les composantes énergétiques basses Exemple d'un cas pratique: Un miroir X fonctionnant sous un angle d'attaque de 1,5° donne le profil souhaité pour une voie d'analyse spectrale d'un spectromètre X. Des dépôts supermiroir de type Cr/Sc ont été utilisés avec près de 200 alternances de couches pour réfléchir 10% des rayons X dans la bande d'énergie de 2 à 4 keV et avec une réflectivité voisine de zéro en dehors de la gamme spectrale visée grâce à la combinaison avec un filtre de 331am d'épaisseur de C101-1804 . Dans cet exemple, les périodes (les épaisseurs totales des ensembles de couches) de la multicouche varient entre 60 A et 92 A. Le dispositif de filtrage de rayons X selon les divers modes de réalisation de l'invention est utilisable en spectrométrie ou en imagerie X à large 5 bande auprès de sources polychromatiques pour des énergies comprises entre 100 eV et 50 keV. L'intérêt de ce système selon certains mode de réalisation de l'invention qui peut être considéré comme « un égaliseur de réponse spectrale » est de réfléchir une fenêtre spectrale avec une large bande et de 10 permettre au système composite qui l'intègre (par exemple un spectromètre ou un imageur) d'avoir une réponse spectrale constante ou répondant à un profil souhaité. Un dispositif selon des modes de réalisation de l'invention pourra ainsi être dimensionné pour avoir une réponse spectrale plate sur une large plage de longueurs d'onde, ou bien pour avoir une réponse spectrale 15 compensant la réponse spectrale d'autres éléments d'un système d'analyse, ou encore pour avoir une réponse spécifique permettant de sélectionner une ou plusieurs bandes spectrales et d'en exclure d'autres, toujours dans le domaine de rayonnement X susmentionné. En spectrométrie on peut ainsi restituer directement la puissance 20 rayonnée d'une source X dans une large bande spectrale, corrigée de la réponse des éléments constitutifs du spectromètre. En imagerie X (ou radiographie) la maîtrise de la bande passante permet d'améliorer la qualité et le contraste de l'image et la maîtrise du profil spectral en sortie du système permet d'améliorer l'homogénéité de l'image. 25 L'utilisation de plusieurs bandes spectrales permet d'obtenir simultanément plusieurs images à différentes énergies du même objet avec des contrastes différents (transmissions différentes de l'objet). Sur une source X, le dispositif selon les modes de réalisation de l'invention permet une meilleure connaissance de la source et un meilleur 30 contrôle de celle-ci en maîtrisant son spectre d'émission. Ceci est important dans le domaine médical où le contrôle des doses reçues de rayonnement est fondamental. REVENDICATIONS1. Un dispositif de filtrage de rayons X (100 ; 200) comportant : un filtre interférentiel (110 ; 210) apte à filtrer des rayons X, par réflexion, en fonction de leur énergie, ledit filtre interférentiel comprenant un empilement de couches de réfraction (110_1....110_n ; 210_1...210_n) formant une structure multicouche ; caractérisé en ce que la structure multicouche a une structure apériodique, la réponse spectrale du filtre interférentiel (110 ; 210) étant dépendante des caractéristiques de la structure multicouche. 2. Un dispositif selon la revendication 1 dans lequel la structure multicouche comprend au moins un ensemble (120_1..120_m ; 220_1...220_m) composé d'au moins une couche d'un matériau lourd (A) et d'au moins une couche d'un matériau léger (B), lesdites couches étant superposées l'une sur l'autre. 3. Un dispositif selon la revendication 2 dans lequel le matériau lourd (A) est choisi parmi le groupe comprenant Co, Cr, Cu, Fe, Bi, V, Ni et Zn et le matériau léger (B) est choisi parmi le groupe comprenant B4C, SiC, Sc, Ti. 4. Un dispositif selon la revendication 2 ou 3 dans lequel la structure multicouche comprend une pluralité d'ensembles (120), l'épaisseur totale respective de chaque ensemble variant en fonction de la position dudit ensemble dans la profondeur de la structure multicouche. 5. Un dispositif selon l'une quelconque des revendications 2 à 4 dans lequel le rapport respectif de l'épaisseur (dA) de la couche d'un matériau lourd (A) sur l'épaisseur totale (d) de chaque ensemble est choisi pour définir la réponse spectrale du filtre (110, 210). 6. Un dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes dans lequel au moins une des couches est composée de plusieurs matériaux différents. 7. Un dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes dans lequel les caractéristiques de la structure multicouche desquelles dépend la réponse spectrale du filtre interférentiel (110 ; 210) comprennent au moins une caractéristique parmi le nombre de couches, les épaisseurs des couches et les matériaux constituant les couches. 8. Un dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes dans lequel la largeur AE de la bande spectrale du dispositif est telle que 0.5 9. Un dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes comportant en outre un filtre apte à filtrer des rayons X par absorption à une énergie définissant la borne basse de la bande passante de la réponse spectrale. 10. Un dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes comportant en outre un support sur lequel la structure multicouche est disposée, le support étant configuré pour fonctionner comme une optique focalisatrice. 11. Un procédé de fabrication d'un dispositif de filtrage de rayons X comprenant l'identification de la réponse spectrale souhaitée du dispositif de filtrage ; la configuration, en fonction de la réponse spectrale identifiée, d'une structure multicouche comportant une pluralité de couches de réfraction, la structure multicouche ayant une structure apériodique ;caractérisé en ce que la configuration comprend le choix de caractéristiques de la structure multicouche pour obtenir la réponse spectrale identifiée. 12. Un procédé selon la revendication 11 dans lequel le choix de caractéristiques de la structure multicouche comprend le choix d'au moins deux matériaux dont un matériau lourd et un matériau léger pour les couches de la structure multicouche. 13. Un procédé selon la revendication 11 ou 12 dans lequel le choix de caractéristiques de la structure multicouche comprend le nombre de couches de la structure multicouche et/ou les épaisseurs des couches. 14. Un procédé selon l'une quelconque des revendications 11 à 13 comprenant une définition préliminaire d'une structure multicouches préliminaire comprenant une superposition d'une pluralité d'empilements périodiques produisant des interférences aux énergies des pics de Bragg respectives dans la bande de la réponse spectrale identifiée.