Brevet FR3071930A1 — publié le 20190405

Détecteur de photons à haute énergie L'invention se rapporte principalement à un détecteur de photons à haute énergie, typiquement supérieure à 0.2 MeV et avantageusement 0,5 MeV. Un tel détecteur peut être utilisé, par exemple, dans la tomographie par émission de positrons (TEP), à application clinique ou biologique. Une autre application peut être celle des spectromètres par annihilation de positron (« Positron Annihilation spectroscopy » PAS selon la terminologie anglaise), permettant de caractériser les états de surface de matériaux (semiconducteurs, cellules solaires, industrie des polymères, membranes po- reuses et catalyseurs par exemple). Les applications données précédem- ment le sont à titre purement illustratif, d'autres usages pouvant être envisagés. Un tel détecteur est notamment utile en science des matériaux, dans la recherche en physique nucléaire et, plus généralement, dans la détection de photons. La TEP est une application majeure dans la détection des photons à haute énergie, c'est-à-dire supérieure à 0,2 MeV, par exemple dans le domaine de la médecine et de la pharmacie où elle permet notamment d'obtenir des images relatives à des organes ou à des tissus biologiques in vivo, notamment à l'intérieur d'un organisme humain ou animal. De la même manière que pour les autres examens de médecine nucléaire, la réalisation d'un examen TEP nécessite l'injection d'un traceur radioactif. Un traceur est constitué d'un vecteur moléculaire, et d'un isotope radioactif qui permet de localiser la distribution de la molécule au sein de l'organisme. Le choix d'un isotope est déterminé d'une part en fonction des propriétés chimiques qui conditionnent la possibilité de marquage, et d'autre part en raison du mode de désintégration qui permet une détection externe du rayonnement émis. Pour sa mise en oeuvre, un des avantages de la TEP par rapport aux autres techniques de médecine nucléaire est qu'elle a à sa disposition un éventail d'éléments chimiques d'intérêt biologique pour le marquage. En effet, il se trouve que sur les quatre principaux constituants 2 des systèmes biologiques, trois possèdent des isotopes qui se désintègrent par émission de positrons : le carbone 11, l'azote 13 et l'oxygène 15. Son développement clinique a été obtenu grâce au fluor 18 (18F) qui s'intègre facilement dans des molécules intervenant dans des métabo- 5 lismes. De ce fait, la TEP permet de suivre de tels métabolismes et, notam- ment, de détecter des zones à forte consommation de glucose comme les zones cancérigènes. En référence à la figure 1, la TEP est donc basée sur l'émission d'un positron 100 dans une source 102 étudiée afin que ce positron 100 10 s'annihile - ou se désintègre - avec un électron en générant deux photons- gamma 104 et 106, d'une énergie de 511 keV chacun, émis de façon pratiquement colinéaire selon des sens opposés à partir d'un point 108 de désintégration. Grâce à un détecteur 110 de photons-gamma entourant la source 102 15 de positron, le point 108 de désintégration peut être déterminé comme porté par le segment 112 reliant les deux points 114 et 116 de détection des photons-gamma 104 et 106 dans le volume du détecteur 110. Ainsi, pratiquement, on injecte au patient une molécule d'intérêt biologique tel qu'un sucre (ou dopamine...) marqué par un produit radioactif. Les cellules cancéreuses, 20 qui ont une plus grande activité que les cellules saines, vont en priorité ab- sorber ce sucre un peu particulier, qui n'est pas métabolisé par les cellules. Le marqueur radioactif, souvent du Fluor 18, se désintègre en émettant un positron (l'antiparticule des électrons) qui s'annihile à son tour avec un électron de l'environnement en émettant selon deux directions opposées deux 25 photons-gamma (d'une énergie déterminée de 511 keV). A partir de millions de reconstructions de segments tels que le segment 112, il est alors possible de représenter par contraste des zones fortement émettrices de photons vis-à-vis de zones faiblement émettrices de photons qui traduisent, respectivement, des zones présentant une forte con- 30 centration d'isotopes vis-à-vis de zones présentant une faible concentration d'isotopes. La figure ibis montre par exemple le principe d'une spectrométrie d'annihilation de positrons, dans la configuration dite de « mesure de temps 3 de vie » (« Positron Annihilation Lifetime Spectrometry » selon la terminologie anglaise abrégée PALS). Une autre configuration envisageable serait la reconstruction des Accolinéarités (« ACcolinearity Annihillation reconstruction » selon la terminologie anglaise abrégée ACAR). Un faisceau de posi- 5 trons 120 d'une largeur de pic à mi-hauteur (FWHM) 121 de l'ordre de cent picosecondes est pulsé en direction d'une cible à étudier 122. Lors de l'interaction avec la cible 122, un positronium 123 est créé. Un positronium est une paire constituée d'un électron et d'un positron. Le positronium 123 est ensuite annihilé générant un rayonnement gamma : deux rayons gamma 10 124 sont émis de façon pratiquement colinéaire selon des sens opposés. Les rayons gamma 124 doivent alors être détectés par un détecteur 125 à haute résolution temporelle. En référence à la figure 2, un détecteur de photon-gamma 110 comporte classiquement un milieu de détection 200 destiné à absorber un pho- 15 ton-gamma 104, 106 en générant des photons 201 selon un phénomène luminescent, et un photodétecteur 202 destiné à détecter lesdits photons 201. Lorsqu'un photon-gamma pénètre dans un détecteur, il peut interagir de plusieurs façons avec le milieu de détection. La distance parcourue par le 20 photon-gamma avant d'interagir avec le milieu est exprimée en « longueur d'atténuation », et est d'autant plus petite que le milieu à traverser est dense et/ou composé de matériaux de haut numéro atomique. Les milieux de détection classiquement utilisés sont réalisés à base de cristaux. Ces cristaux utilisés sont notamment caractérisés par une forte densité afin d'accroître les 25 chances d'interaction de la matière avec le photon à absorber (densité, en g.cm-3, généralement supérieure à 6). Un premier type d'interaction est appelé « effet Compton ». L'effet Compton correspond à la collision entre le photon-gamma et un électron du milieu de détection. Le photon-gamma diffuse sur un électron, perdant de 30 l'énergie, mais sans effectuer un transfert total de son énergie. L'électron est alors mis en mouvement. Le photon qui émerge avec l'électron, appelé photon diffusé, partage avec l'électron mis en mouvement l'énergie initiale. 4 Un deuxième type d'interaction est appelé « interac- tion photoélectrique ». Une interaction photoélectrique correspond à une émission d'un électron des couches profondes d'un atome du milieu de détection, par transfert total de l'énergie du photon-gamma vers l'électron. 5 Dans les deux cas, un électron est mis en mouvement dans le milieu de détection, ce qui peut être à l'origine de l'émission de photons 201. Le photodétecteur 202 en sortie du milieu de détection 200 permet ensuite de détecter lesdits photons 201. Un photodétecteur est un dispositif qui transforme la lumière qu'il absorbe en une grandeur mesurable, généra- 10 lement un courant électrique ou une tension électrique. Les photodétecteurs 202 de type photomultiplicateur, tels que celui représenté à la figure 2, sont largement utilisés. Un photomultiplicateur se présente sous la forme d'un tube sous vide 203 et d'une fenêtre d'entrée 204, par exemple en verre, que les photons pénètrent. A l'intérieur du tube 15 sous vide 203, en général à la surface de la fenêtre d'entrée 204, est appo- sée une fine couche de métal, semi métal, alliages ou de semi-conducteur 205, appelée « photocathode ». Lorsqu'un photon 201 atteint la « photocathode» 205, il éjecte souvent un électron. Un tel électron est appelé « photoélectron ». Le photoélectron est ensuite focalisé au moyen d'une électrode 20 de focalisation 207 vers une série de dynodes 208 ou avantageusement di- rectement vers une galette à micro-canaux (permettant une meilleure résolution temporelle) permettant de transformer le photoélectron initial en un paquet d'électrons 209 suffisant pour constituer un signal électrique mesurable sur une anode de sortie 210. Chaque dynode 208 étant maintenue à une 25 valeur de potentiel plus importante que la précédente, la différence de po- tentiel entre une dynode et la dynode suivante accélère les électrons 209, qui acquièrent suffisamment d'énergie pour générer un certain nombre d'électrons secondaires sur la dynode suivante. Il se produit donc, de dynode en dynode, un effet d'avalanche. 30 Classiquement, les milieux de détection utilisés pour des mesures à haute résolution temporelle sur des photons énergétiques sont réalisés à base de scintillateurs, tels que des scintillateurs à cristaux scintillants à haut 5 rendement lumineux et rapides du type LSO, LYSO, BaF2, ou plus récemment LaBr3: Ce ou LaCI3: Ce. La volonté est de réaliser une mesure du temps d'interaction la plus précise possible, en exploitant les premiers photons de scintillation parvenus 5 au photodétecteur. Des machines complètes exploitant l'information dite « de temps de vol » ont été réalisées, mais présentent à ce jour des performances modestes. La difficulté réside dans le nécessaire compromis entre l'efficacité de détection (demandant des détecteurs épais) et la résolution en temps (de- 10 mandant des détecteurs fins). Le besoin de positionner les interactions gamma dans le détecteur, est généralement mis en oeuvre en fractionnant le cristal scintillant, ce qui induit des pertes de lumière et dégrade la résolution temporelle, et l'efficacité de détection. Dans un scintillateur, l'électron qui est émis lors d'une interaction pho- 15 toélectrique est susceptible d'interagir avec les molécules présentes en son sein pour : - les ioniser et entraîner la formation « d'électrons d'ionisation », - les exciter et produire des « photons de scintillation ». Dans les appareils de TEP traditionnels, c'est la détection des pho- 20 tons de scintillation par un photodétecteur qui permet de calculer l'énergie déposée dans les cristaux inorganiques scintillants et de dater la détection. Le phénomène de scintillation produit des photons avec une distribution temporelle décrite par une exponentielle ou plusieurs exponentielles décroissantes de constante de temps -Cs, appelée constantes de temps de dé- 25 croissance de la scintillation. La/les constante(s) de temps de décroissance du scintillateur, le rendement de scintillation, et les dimensions des cristaux (conditionnant la dispersion des temps de parcours des photons avant détection) sont déterminants pour la résolution temporelle. Le « rendement de scintillation » est dé- 30 fini comme le nombre de photons de scintillation produits par MeV d'énergie déposée. Une autre voie explorée (cf. publication de S. Korpar et al. « Study of TOP PET using Cherenkov light », NIM A 654 (2011) 532-538) est de se 6 focaliser sur la détection des rares photons Tcherenkov (quelques dizaines de photons optiques) produits dans un cristal détecteur sur un temps très court ( REVENDICATIONS1. Détecteur (300, 400, 500) de photon à haute énergie comprenant : un cristal (301) destiné à absorber un photon à haute énergie en gé- nérant des photons selon un phénomène luminescent, un photomultiplicateur (302) comportant une couche photoélectrique (304), le détecteur (300) étant caractérisé en ce que ladite couche photoélectrique (304) est directement en contact avec une des faces (305) du cristal, le photomultiplicateur (302) étant configuré pour détecter les photons générés par le cristal (301) en incidence sur ladite couche photoélectrique (304). 2. Détecteur de photon selon la revendication précédente, caractérisé . 15 en ce que ledit cristal est choisi parmi le PbWO4 ou du BGO. 3. Détecteur de photon selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que le photodétecteur comporte une galette à micro-canaux. 20 4. Détecteur de photon selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le cristal comporte une première et une seconde faces en regard l'une de l'autre, le détecteur comportant au moins : un premier photomultiplicateur comportant une couche photoé- 25 lectrique directement en contact avec la première face du cris- tal, le premier photomultiplicateur étant configuré pour détecter les photons générés par le cristal en incidence sur ladite couche photoélectrique. un second photomultiplicateur comportant une couche photoé- 30 lectrique directement en contact avec la seconde face du cris- tal, le second photomultiplicateur étant configuré pour détecter les photons générés par le cristal en incidence sur ladite couche photoélectrique. 2 5. Détecteur de photon selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le cristal comporte une première et une seconde faces en regard l'une de l'autre, le détecteur comportant au moins : 5 un premier photomultiplicateur comportant une couche photoé- lectrique directement en contact avec la première face du cristal, le premier photomultiplicateur étant configuré pour détecter les photons générés par le cristal en incidence sur ladite couche photoélectrique. 10 un second photomultiplicateur comportant une matrice de pho- tomultiplicateurs semi-conducteurs couplée optiquement avec la seconde face du cristal, le second photomultiplicateur étant configuré pour détecter les photons générés par le cristal en incidence sur ladite couche photoélectrique. 6. Détecteur de photon selon la revendication précédente caractérisé en ce que la matrice de photomultiplicateurs est couplée optiquement avec la seconde face du cristal via une interface de couplage optique. 7. Détecteur de photon selon l'une des revendications précédentes ca- ractérisé en ce que la couche photoélectrique est une couche bialkali ou multialkali. 8. Détecteur de photon selon l'une des revendications précédentes comportant des moyens pour refroidir ledit détecteur. 9. Détecteur de photon selon l'une des revendications précédentes comportant des moyens d'analyse de la carte d'impact des photoélectrons obtenue par chaque photomultiplicateur et des moyens de dé- termination de la position de l'absorption et du moment d'absorption du photon à haute énergie dans le cristal, lesdits moyens de détermination mettant en oeuvre des méthodes statistiques avantageusement 3 robustes et/ou des méthodes d'analyse avantageusement multivaniées. 10. Dispositif de tomographie par émission de positrons comportant au 5 moins un détecteur de photon selon l'une des revendications précé- dentes. 11 .Spectromètre d'Annihilation de Positrons comportant au moins un détecteur de photon selon l'une des revendications 1 à 9, notamment 10 pour des mesures de type PALS et/ou ACAR.