EP0008302A1 - Detection et localisation de rayonnements neutres - Google Patents

Detection et localisation de rayonnements neutres

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EP0008302A1
EP0008302A1 EP79900505A EP79900505A EP0008302A1 EP 0008302 A1 EP0008302 A1 EP 0008302A1 EP 79900505 A EP79900505 A EP 79900505A EP 79900505 A EP79900505 A EP 79900505A EP 0008302 A1 EP0008302 A1 EP 0008302A1
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EP
European Patent Office
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radiation
photons
space
secondary photons
electric field
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP79900505A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Georges Charpak
Hoan Nguyen Ngoc
Armando Policarpo
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Bpifrance Financement SA
Original Assignee
Agence National de Valorisation de la Recherche ANVAR
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Filing date
Publication date
Application filed by Agence National de Valorisation de la Recherche ANVAR filed Critical Agence National de Valorisation de la Recherche ANVAR
Publication of EP0008302A1 publication Critical patent/EP0008302A1/fr
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01T—MEASUREMENT OF NUCLEAR OR X-RADIATION
    • G01T1/00—Measuring X-radiation, gamma radiation, corpuscular radiation, or cosmic radiation
    • G01T1/16—Measuring radiation intensity
    • G01T1/20—Measuring radiation intensity with scintillation detectors
    • G01T1/205—Measuring radiation intensity with scintillation detectors the detector being a gas
    • G—PHYSICS
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    • G01T—MEASUREMENT OF NUCLEAR OR X-RADIATION
    • G01T1/00—Measuring X-radiation, gamma radiation, corpuscular radiation, or cosmic radiation
    • G01T1/16—Measuring radiation intensity
    • G01T1/161—Applications in the field of nuclear medicine, e.g. in vivo counting
    • G01T1/164—Scintigraphy
    • G01T1/1641—Static instruments for imaging the distribution of radioactivity in one or two dimensions using one or several scintillating elements; Radio-isotope cameras
    • G01T1/1642—Static instruments for imaging the distribution of radioactivity in one or two dimensions using one or several scintillating elements; Radio-isotope cameras using a scintillation crystal and position sensing photodetector arrays, e.g. ANGER cameras
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01T—MEASUREMENT OF NUCLEAR OR X-RADIATION
    • G01T1/00—Measuring X-radiation, gamma radiation, corpuscular radiation, or cosmic radiation
    • G01T1/29—Measurement performed on radiation beams, e.g. position or section of the beam; Measurement of spatial distribution of radiation
    • G01T1/2914—Measurement of spatial distribution of radiation
    • G01T1/2921—Static instruments for imaging the distribution of radioactivity in one or two dimensions; Radio-isotope cameras
    • G01T1/2935—Static instruments for imaging the distribution of radioactivity in one or two dimensions; Radio-isotope cameras using ionisation detectors
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B6/00—Apparatus or devices for radiation diagnosis; Apparatus or devices for radiation diagnosis combined with radiation therapy equipment
    • A61B6/42—Arrangements for detecting radiation specially adapted for radiation diagnosis
    • A61B6/4208—Arrangements for detecting radiation specially adapted for radiation diagnosis characterised by using a particular type of detector
    • A61B6/4258—Arrangements for detecting radiation specially adapted for radiation diagnosis characterised by using a particular type of detector for detecting non x-ray radiation, e.g. gamma radiation

Definitions

  • the present invention relates to the detection and localization of neutral radiation, and in particular of soft gamma radiation and X-ray radiation, this application however not being limiting.
  • the present invention aims to provide a method and a device for locating neutral radiation providing a satisfactory spatial resolution for most medical applications, and a resolution in energy which cannot be achieved by gas detectors based on proportional counters, or by scintillation counters. Only solid state detectors can compete in energy resolution, but the detector described allows the production of large areas which cannot be reached at prices accessible by solid scintillators, such as those of "gamma cameras".
  • the invention proposes in particular a method for detecting and locating incident neutral radiation, in particular soft gamma radiation and X-ray radiation, according to which the formation of photoelectrons is caused by the action of incident radiation on gas atoms contained in an enclosure, the electrons are diverted, using an electric field, towards a space subjected to an electric field of sufficient value so that there is creation of photons by excitation of atoms of the gas and re turn of these atoms in the de-excited state; the photons are collected, through a transparent window, on a layer of a material for converting said photons into scintillations in the near or visible UV spectrum, and the barycenter of scintillations is located on the layer, for example by means of photomultipliers or ionization detectors.
  • the invention provides a detection and localization device comprising (generally downstream of a collimator having a network of entry holes) a sealed enclosure provided with an entry window transparent to incident radiation, occupied by a gas supplying , by interaction with incident radiation, photoelectrons, and provided with electrodes for creating an electric field of electron drift towards a space for creation of secondary photons.
  • This space will generally be delimited, in said enclosure, by electrodes creating an electric field of sufficient value to cause the formation of secondary photons, generally in far ultraviolet, by excitation of the atoms of the gas which occupies the enclosure and return of these atoms to the de-excited state.
  • the secondary photons pass through an output window associated with means making it possible to locate the origin of these secondary photons.
  • These original localization means can be constituted by a layer of material for converting photons into scintillations in the near ultraviolet spectrum or in the visible and photomultipliers arranged in a regular network facing the layer, associated with a circuit of analog or digital calculation using for example microprocessors.
  • the primary scintillation created by the photoelectron produced during the absorption of ⁇ radiation, is intense enough to be detected by photomultipliers.
  • the spaces for the creation of photoelectrons, for drift and for the formation of secondary photons will generally be occupied by at least one noble gas, the composition and the pressure of the atmosphere of the spaces being chosen as a function of the energy of the incident radiation.
  • the composition and the pressure of the atmosphere of the spaces being chosen as a function of the energy of the incident radiation.
  • the thickness of the photoelectron formation space obviously plays a role in the absorption of incident radiation. In the practical, we will generally choose a value between 5 and 20 cm.
  • - Figure 1 is a block diagram of the device, in section along a plane passing through its axis;
  • - Figure 2 is a large-scale block diagram intended to show the operation of the device;
  • FIG. 3 schematically shows the intensity variation I of the radiation due to two radioisotopes as a function of the energy E, near emission peaks;
  • FIG. 5 shows schematically (the scale not being respected) the timing over time of the primary and secondary scintillations due to the same radiation.
  • the device shown in FIG. 1 can be viewed as consisting of two distinct parts, the first being intended for the formation of secondary photons and the second part for locating the formation points.
  • the first part comprises a sealed enclosure 10 which, in the illustrated embodiment, comprises a side wall made up of rings stacked and fixed to each other in a sealed manner, an inlet window 11 and an outlet window 12.
  • the entry window 11 is made of material opaque to light, of thickness and atomic number sufficiently small to be transparent to incident radiation (X-rays for example). This entry window may be made of plastic (mylar by example) or light alloy. If the enclosure is occupied by a pressurized gas, the inlet window 11 will obviously have to be thick enough to resist the forces exerted on it. In practice, however, excessive stress can be avoided in the entry window 11 by placing it in abutment against the collimator 13, constituted by a thick plate pierced with parallel or converging holes, which is in any case necessary in in most cases.
  • a dry atmosphere of noble gas must be maintained in the enclosure, the composition and pressure of which are chosen according to the energy of the radiations to be detected.
  • one of the rings constituting the side wall of the enclosure is provided with connectors 14 for connection with a closed circuit (not shown) comprising an oven heated to a temperature between 400 ° C and 700 ° C, an exchanger gas cooling at the outlet of the oven and a circulation pump.
  • the oven is occupied by a reducing agent (calcium in shavings for example) and kept at a temperature sufficient to carry out the necessary purification.
  • a reserve gas cylinder To this closed circuit is associated a reserve gas cylinder.
  • the enclosure is divided, by electrodes of high transparency with neutral radiation and electrons, into three successive spaces.
  • a first space constitutes the photoelectron creation chamber and the drift chamber.
  • This first space designated by 15 in FIG. 2, has a thickness sufficient to convert a large fraction of the incident neutral radiation into photoelectrons. In practice, its thickness will generally be a few centimeters. It is subjected to a weak electric field, from 1 to a few hundred volts per centimeter, intended to cause the drift of the photoelectrons and of the additional electrons which they produce by ionization, towards the second space. In the embodiment illustrated in FIG.
  • these electrodes comprise a first electrode constituted by the input window 11 itself (the rear face of which is metallized if it is made of insulating material), brought to ground, then 'of annular electrodes 16 brought to successive staggered potentials and, finally, a grid with a high vacuum rate 17.
  • the second space designated by 18 in FIG. 2, is intended to cause the creation of radiations in the far ultraviolet spectrum by excitation of the neutral atoms of the gas which occupies the whole of the enclosure 10, then de-excitation of these atoms .
  • the electric field, established between the electrodes 17 and 20 which delimit the second space, must be sufficient for excitation of the neutral atoms, but sufficiently weak to avoid the appearance of permanent ionization. In practice, an electric field of a few kilovolts per centimeter will be used.
  • a third space (21 in FIG. 2) is delimited by the electrode 20 and the outlet window 12.
  • the space 21 is advantageously subjected to a weak electric field, in the opposite direction to that which prevails in space 18, to prevent electrons having passed through the space 18 from being able to strike the window 12.
  • This electric field can be created between the electrode 20 and a transparent metallic coating on the internal face of the window 12.
  • the window 12 is made of material transparent to far UV radiation created in space 18, quartz in general. The UV photons coming from the space 18 and which have passed through the space 20, strike a thin layer of frequency converter material 22 coating the external face of the window.
  • This material generally consisting of an aromatic substance such as P-terphenyl or P-quaterphenyl converts far UV photons as photons in near UV or visible.
  • the layer is placed on the external face of the window. It should be noted in passing that this output window can be much thinner than the scintillating crystal of a gamma camera and that it therefore does not cause a comparable loss of resolution.
  • the layer of converter material can be viewed as the input member of the second part of the device, intended for localization.
  • This second part comprises several photomultiplier tubes distributed regularly opposite the outlet window, so as to observe the scintillations in the layer of converter material.
  • a central photomultiplier tube 23 surrounded by a ring of photomultipliers 24, six in number for example. If a large diameter enclosure is used, it may be necessary to use an additional external crown. In each case, the number of photomultiplier rings will be chosen to allow an assessment of the barycenter of the radiation emitted with sufficient precision.
  • the photomultipliers are associated with a circuit allowing the location of emission of the incident neutral radiation to be evaluated.
  • the localization can be carried out by calculating the ratio of the signals supplied by the various photomultiplier tubes 23 and 24. It is not necessary to describe here a circuit making it possible to carry out the localization. Indeed, it can be an analog circuit of the type widely used at present in gamma cameras. In most cases, it will also be useful to assess the energy of the incident neutral radiation. For this, it suffices to sum the pulses supplied by all the photomultipliers in response to the same event. The energy resolution that we can obtaining, and which makes it possible to carry out a discrimination, is much better than that obtained in a wire counter or in a device using a scintillator crystal.
  • FIG. 3 The advantages provided by this improved energy selectivity appear in FIG. 3 in which 30, 31 and 32 respectively designate the representative / ative curves of the emission peaks for a first and a second radioisotope and of the spectrum. Compton diffusion due to these isotopes, contained in the source to be studied.
  • the space 15 was 5 cm thick and was subjected to an electric field of the order of 500 V / cm.
  • the space 18, 7 mm thick, was delimited by electrodes between which there was a potential difference of 4000 volts.
  • the layer of converter material consisted of a deposit of
  • FIG. 1 The embodiment of the invention illustrated in FIG. 1 comprises a multi-hole collimator 13 by means of which only X or gamma rays substantially parallel to the axis can penetrate into the photoelectron creation chamber.
  • the x, y coordinates of the point where a scintillation will appear on the converter layer 22 will not depend on the length of the path of the incident radiation in the photoelectron creation chamber before absorption.
  • pin-hole a pinhole collimator
  • FIG. 4 A device incorporating such a collimator is shown in FIG. 4, where the members corresponding to those of FIG. 1 have the same reference number, assigned the index a.
  • the coordinates in plane x and y of the point N where the scintillation will appear will be different.
  • the invention makes it possible to carry out a normalization correction by determining z, then applying to x and y a scale factor which is a function of z. For this it is necessary to measure z.
  • This csb measurement is possible without the addition of additional detection organs, insofar as the X-radiation from the source (created either by fluorescence or by radioactivity) has an energy above a threshold of the order of 10 keV and especially 20 keV.
  • X-rays give rise to a photoelectron which produces, by ionization of the noble gas, a packet of electrons which drift along the lines of force of the electric field e 1 , up to the space 18a of creation of the secondary radiation, then, under the effect of the field e 2 , up to point P. From the moment of creation of the electron packet in M, a primary luminescence or scintillation occurs in the noble gas.
  • the photomultipliers 23a and 24a provide a signal at time t 0 .
  • the packet of electrons arrives at the point P, it produces a secondary luminescence of intensity directly proportional to the electric field e 2 , at an instant t 1 (figure 5), P will in most of the cases be practically confused with the plane of grid 17a.
  • the distance z will be the sum of the thickness between 17a and 22a and the product of (t 1 -t 0 ) by the speed of drift of the electrons in the space where the electric field e 1 prevails.
  • the measurement of x and y will be carried out only by processing the secondary luminescence signal which appeared at time t 1 , which is much more intense than the first.
  • the correction calculation will be carried out in a conventional manner, either by analog or digital means. Knowing the x, y and z coordinates of the conversion point M relative to the hole 33 of the collimator 13a, we can reconstruct the exact image of the project tion of the source through the hole 33 on a given surface, flat for example, by performing:
  • the invention is susceptible of numerous variant embodiments.
  • the photomultiplier tubes can no longer be associated with an analog calculation circuit, but with a digital circuit which has the advantage, especially in the case of a device with a large number of photomultipliers, of allowing much easier balancing.
  • the detection of the luminescence induced in the gas of the detectors can be done throughout the electromagnetic spectrum from the ultraviolet to the infrared, although reference has only been made above. to ultraviolet operation. However, when the device is occupied by a gas under high pressure (10 to 20 bars), it may be more advantageous to use the light produced in red and infrared.

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Abstract

Dispositif de detection et de localisation de rayonnements gamma mous et de rayonnements X, comprenant une enceinte (10) munie d'une fenetre (11) opaque a la lumiere et transparente aux rayonnements incidents, occupee par un gaz noble et munie d'electrodes (11, 16, 17) destinees a provoquer la derive des electrons vers un espace de creation de photons secondaires. Dans ledit espace regne un champ electrique de valeur suffisante pour provoquer la formation de photons secondaires par excitation puis desexcitation des atomes du gaz noble. Les photons secondaires traversent une fenetre transparente (12) et sont convertis en photons dans l'UV proche ou le visible. Les scintillations sont localisees par des tubes photomultiplicateurs (23) et (24).

Description

DETECTION ET LOCALISATION DE RAYONNEMENTS NEUTRES
La présente invention concerne la détection et la localisation de rayonnements neutres, et notamment de rayonnements gamma mous et de rayonnements X, cette application n'étant toutefois par limitative.
On connaît déjà de nombreux dispositifs destinés à localiser les sources de rayonnements et a en fournir une image visible. Ces dispositifs ont trouvé une application importante dans le domaine médical où ils sont notamment utilisés pour déterminer in vivo la répartition dans un organe d'un élément qui est soit un radio-isotope, soit un élément émettant des rayonnements X provoqués par fluorescence X. La présente invention vise à fournir un procédé et un dispositif de localisation de rayonnements neutres fournissant une résolution spatiale satisfaisante pour la plupart des applications médicales, et une résolution en énergie qui ne peut être atteinte par les détecteυrs à gaz basés sur les compteurs proportionnels, ou par les compteurs à scintillation. Seuls les détecteurs à état solide peuvent rivaliser en résolution en énergie, mais le détecteur décrit permet la réalisation de grandes surfaces qui ne peuvent être atteintes à des prix accessibles par les scintillateurs solides, tels que ceux des "gamma caméras".
Dans ce but, l'invention propose notamment un procédé de détection et de localisation de rayonnements neutres incidents, en particulier de rayonnements gamma mous et de rayonnements X, suivant lequel on provoque la formation de photoélectrons par action du rayonnement incident sur des atomes de gaz contenus dans une enceinte, on fait dériver les électrons, à l'aide d'un champ électrique, vers un espace soumis à un champ électrique de valeur suffisante pour qu'il y ait création de photons par excitation d'atomes du gaz et re tour de ces atomes à l'état désexcité; on recueille les photons, à travers une fenêtre transparente, sur une couche d'un matériau de conversion desdits photons en scintillations dans le spectre UV proche ou visible, et on localise le barycentre des scintillatiçms sur la couche, par exemple au moyen de photomultiplicateurs ou de détecteurs à ionisation.
L'invention propose un dispositif de détection et de localisation comprenant (généralement en aval d'un collimateur présentant un réseau de trous d'entrée) une enceinte étanche munie d'une fenêtre d'entrée transparente aux rayonnements incidents, occupée par un gaz fournissant, par interaction avec le rayonnement incident, des photoélectrons, et munie d'électrodes de création d'un champ électrique de dérive des électrons vers un espace de création de photons secondaires. Cet espace sera en général délimité, dans ladite enceinte, par des électrodes de création d'un champ électrique de valeur suffisante pour provoquer la formation de photons secondaires, en général dans l'ultra-violet lointain, par excitation des atomes du gaz qui occupe l'enceinte et retour de ces atomes à l'état désexcité.
Les photons secondaires traversent une fenêtre de sortie associée à des moyens permettant de localiser l'origine de ces photons secondaires. Ces moyens de localisation d'origine peuvent être constitués par une couche de matériau de conversion des photons en scintillations dans le spectre ultra-violet proche ou dans le visible et des photomultiplicateurs disposés suivant un réseau régulier face à la couche, associés à un circuit de calcul analogique ou numérique mettant par exemple en oeuvre des microprocesseurs.
Pour les énergies de rayonnement γ .supérieures à 20 keV, la scintillation primaire, créée par le photoélectron produit lors de l'absorption du rayonnement γ , est suffisamment intense pour être détectée par les photomultiplicateurs. On dispose alors de deux signaux : le signal primaire instantané et le signal différé produit lors du passage des électrons d'ionisation dans l'espace de création de photons secondaires. Le temps qui sépare ces deux signaux est proportionnel à la distance parcourue par les électrons d'ionisation et donne donc la profondeur du point d'absorption du rayonnement neutre.
Ceci est très important pour les applications où la source d'émission des rayonnements neutres est ponctuelle; ce cas est celui des caméras dites à sténopée, fréquemment désignées par le terme anglo-saxon de "pinhole caméra" ou de la diffraction de rayonnements γ ou de neutrons, par exemple par des cristaux de faible dimension. Dans le cas de sources de neutrons lents, le gaz pourrait être constitué d'hélium 3 qui se prête bien, comme tous les gaz nobles, au phénomène d'émission stimulée par le champ électrique. Dans ce cas, la scintillation primaire serait particulièrement facile à détecter en raison de l'énergie élevée des noyaux de recul produits par l'absorption du neutron. La mesure du temps séparant la scintillation primaire de la scintillation stimulée différée rend inutile la présence d'électrodes produisant des potentiels cylindriques ou sphériques.
Les espaces de création des photoélectrons, de dérive et de formation des photons secondaires, seront en général occupés par au moins un gaz noble, la composition et la pression de l'atmosphère des espaces étant choisies en fonction de l'énergie des rayonnements incidents. A titre d'exemple, on pourra utiliser, dans l'ensemble d'enceintes, du xénon à une pression de 1 atmosphère pour détecter des rayonnements X de 6 à 50 keV; du xénon à 5 atmosphères si l'énergie est comprise entre 1 et 30 keV. L'épaisseur de l'espace de formation de photoélectrons joue évidemment un rôle dans l'absorption des rayonnements incidents. Dans la pratique, on choisira en général une valeur comprise entre 5 et 20 cm.
L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit d'un dispositif qui en constitue un mode particulier de réalisation donné à titre d'exemple non limitatif. La description se réfère aux dessins qui l'accompagne, dans lequel :
- la figure 1 est un schéma de principe du dispositif, en coupe suivant un plan passant par son axe; - la figure 2 est un schéma de principe à grande échelle destiné à faire apparaître le fonctionnement du dispositif;
- la figure 3 montre schématiquement la variation d'intensité I du rayonnement dû à deux radio-isotopes en fonction de l'énergie E, à proximité de pics d'émission;
- la figure 4, similaire à la figure 1, montre une variante de réalisation;
- la figure 5 montre schématiquement (l'échelle n'étant pas respectée) l'échelonnement dans le temps des scintillations primaire et secondaire dues à un même rayonnement.
Le dispositif montré en figure 1 peut être regardé comme constitué de deux parties .distinctes, la première étant destinée à la formation des photons secondaires et la seconde partie à la localisation des points de formation.
La première partie comporte une enceinte étanche 10 qui, dans le mode de réalisation illustré, comporte une paroi latérale constituée d'anneaux empilés et fixés les uns aux autres de façon étanche, une fenêtre d'entrée 11 et une fenêtre de sortie 12. La fenêtre d'entrée 11 est en matériau opaque à la lumière, d'épaisseur et de nombre atomique suffisamment faibles pour être transparent aux rayonnements incidents (rayonnements X par exemple). Cette fenêtre d'entrée pourra être en matière plastique (mylar par exemple) ou en alliage léger. Si l'enceinte est occupée par un gaz sous pression, la fenêtre d'entrée 11 devra évidemment avoir une épaisseur suffisante pour résister aux forces qui s'exercent sur elle. Dans la pratique toutefois, on peut éviter l'apparition de contraintes excessives dans la fenêtre d'entrée 11 en la plaçant en appui contre le collimateur 13, constitué par une plaque épaisse percée de trous parallèles ou convergents, qui est de toute façon nécessaire dans la plupart des cas.
Lors du fonctionnement, on doit maintenir dans l'enceinte une atmosphère sèche de gaz noble dont la composition et la pression sont choisies en fonction de l'énergie des rayonnements à détecter. Dans ce but, l'un des anneaux constituant la paroi latérale de l'enceinte est muni de raccords 14 de liaison avec un circuit fermé (non représenté) comportant un four chauffé à une température entre 400°C et 700°C, un échangeur de refroidissement du gaz à la sortie du four et une pompe de circulation. Le four est occupé par un réducteur (calcium en copeaux par exemple) et maintenu à une température suffisante pour réaliser la purification nécessaire. A ce circuit fermé est associée une bouteille de gaz de réserve. L'enceinte est divisée, par des électrodes de transparence élevée aux rayonnements neutres et aux électrons, en trois espaces successifs.
Un premier espace constitue chambre de création de photoélectrons et chambre de dérive. Ce premier espace, désigné par 15 sur la figure 2, a une épaisseur suffisante pour convertir une fraction importante du rayonnement neutre incident en photoélectrons. Dans la pratique, son épaisseur sera en général de quelques centimètres. Il est soumis à un champ électrique faible, de 1 à quelques centaines de volts par centimètre, destiné à provoquer la dérive des photoélectrons et des électrons supplémentaires qu'ils produisent par ionisation, vers le second espace. Dans le mode de réalisation illustré en figure 1, ces électrodes comprennent une première électrode constituée par la fenêtre d'entrée 11 elle-même (dont la face arrière est métallisée si elle est en matériau isolant), portée à la masse, puis' des électrodes annulaires 16 portées à des potentiels successifs échelonnés et, enfin, une grille à taux de vide élevé 17.
Le second espace, désigné par 18 sur la figure 2, est destiné à provoquer la création de rayonnements dans le spectre ultra-violet lointain par excitation des atomes neutres du gaz qui occupe l'ensemble de l'enceinte 10, puis désexcitation de ces atomes. Le champ électrique, établi entre les électrodes 17 et 20 qui délimitent le second espace, doit être suffisant pour qu'il y ait excitation des atomes neutres, mais suffisamment faible pour éviter l'apparition d'une ionisation permanente. Dans la pratique, on utilisera un champ électrique de quelques kilovolts par centimètre.
Enfin, un troisième espace (21 sur la figure 2) est délimité par l'électrode 20 et la fenêtre de sortie 12. L'espace 21 est avantageusement soumis a un champ électrique faible, de sens opposé à celui qui règne dans l'espace 18, pour éviter que des électrons ayant traversé l'espace 18 ne puissent venir frapper la fenêtre 12. Ce champ électrique peut être créé entre l'électrode 20 et un revêtement métallique transparent de la face interne de la fenêtre 12. La fenêtre 12 est en matériau transparent aux rayonnements UV lointain créés dans l'espace 18, en quartz en général. Les photons UV provenant de l'espace 18 et qui ont traversé l'espace 20, frappent une couche mince de matériau convertisseur de fréquence 22 revêtant la face externe de la fenêtre. Ce matériau, constitué en général par une substance aromatique telle que le P-terphényl ou le P-quaterphényl convertit les photons UV lointain en photons dans l'UV proche ou le visible. Dans la variante de réalisation montrée en figure 2, la couche est placée sur la face externe de la fenêtre. Il faut noter au passage que cette fenêtre de sortie peut être beaucoup plus mince que le cristal scintillateur d'une caméra gamma et qu'elle ne provoque donc pas une perte de résolution comparable.
La couche de matériau convertisseur peut être regardée comme l'organe d'entrée de la seconde partie du dispositif, destinée à la localisation. Cette seconde partie comprend plusieurs tubes photomultiplicateurs répartis régulièrement face à la fenêtre de sortie, de façon a observer les scintillations dans la couche de matériau convertisseur. Dans le mode de réalisation illustré sur la figure 1, il est prévu un tube photomultiplicateur central 23 entouré par une couronne de photomultiplicateurs 24, au nombre de six par exemple. Si l'on utilise une enceinte de grand diamètre, on peut être amené à utiliser une couronne supplémentaire externe. Dans chaque cas, le nombre de couronnes de photomultiplicateurs sera choisi pour permettre une évaluation du barycentre des rayonnements émis avec une précision suffisante.
Les photomultiplicateurs sont associés à un circuit permettant d'évaluer l'emplacement d'émission du rayonnement neutre incident. La localisation peut s'effectuer par calcul du rapport des signaux fournis par les différents tubes photomultiplicateurs 23 et 24. Il n'est pas nécessaire de décrire ici un circuit permettant d'effectuer la localisation. En effet, il peut s'agir d'un circuit analogique du type largement utilisé à l'heure actuelle dans les caméras gamma. Dans la plupart des cas, il sera utile d'évaluer également l'énergie du rayonnement neutre incident. Il suffit pour cela de sommer les impulsions fournies par tous les photomultiplicateurs en réponse à un même événement. La résolution en énergie que l'on peut obtenir, et qui permet d'effectuer une discrimination, est bien meilleure que celle obtenue dans un compteur à fil ou dans un appareil utilisant un cristal scintillateur. Les avantages apportés par cette sélectivité en énergie améliorée apparaissent sur la figure 3 sur laquelle 30, 31 et 32 désignent respectivement les courbes représent/atives des pics d'émission pour un premier et un second radio-isotopes et du spectre. de diffusion Compton dû à ces isotopes, contenus dans la source à étudier.
On peut notamment discriminer l'image due a la radiation monochromatique issue du premier radio-isotope, d'énergie E1, de l'image provenant du spectre de diffusion Compton. On peut ainsi avoir une représentation moins floue et plus contrastée de la répartition du radio-isotope dans la source.
Pour cela, il suffit d'appliquer les signaux de sortie du sommateur à un analyseur multicanaux comportant une fenêtre de simulation ΔE1. Le signal de sortie de l'analyseur est appliqué à l'entrée de commande d'une porte associée au circuit de localisation et seules sont prises en compte les informations correspondant à la fenêtre d'énergie. On peut également former simultanément les images provenant de 'deux radio-isotopes dont les rayonnements ont des pics E1 et E2 voisins. Pour cela, on utilisera encore des analyseurs multi-canaux de fenêtre ΔE1 et ΔE2 (figure 3). Une application importante de ce dernier mode de mise en oeuvre de l'invention consiste dans la formation simultanée de l'image de deux organes voisins ayant fixé des radio-isotopes distincts (foie et pancréas par exemple). Les avantages apportés par l'invention apparaissent immédiatement si l'on compare la quantité de lumière obtenue par ionisation du gaz noble dans l'espace 15 à celle qui est obtenue dans un cristal scintillateur. A perte d'énergie égale, la quantité de lumière obtenueest environ 100 fois plus grande.
De plus, on arrive à une résolution en plan qui peut aisément atteindre 2 mm, alors qu'on ne dépasse guère 10 mm dans le cas d'une caméra utilisant un cristal scintillateur épais.
A titre d'exemple, on peut indiquer les caractéristiques suivantes, qui sont celles d'un dispositif destiné à la détection et à la localisation de rayonnements X provenant d'un radio-isotope ou d'un élément excité par fluorescence. L'espace 15 avait une épaisseur de 5 cm et était soumis à un champ électrique de l'ordre de 500 V/cm. L'espace 18, de 7 mm d'épaisseur, était délimité par des électrodes entre lesquelles régnait une différence de potentiel de 4000 volts. La couche de matériau convertisseur était constituée par un dépôt de
1000μg/cm 2 d'épaisseur de P-terphényl.
Le mode de réalisation de l'invention illustré en figure 1 comporte un collimateur multi-trou 13 grâce auquel seuls les rayonnements X ou gamma sensiblement parallèles à l'axe peuvent pénétrer dans la chambre de création des photoélectrons. Pour une direction de rayonnement donnée, les coordonnées x , y du point où apparaîtra une scintillation sur la couche de convertisseur 22 ne dépendront pas de la longueur du parcours du rayonnement incident dans là chambre de création des photoélectrons avant absorption.
Il n'en est pas de même lorsqu'on utilise, au lieu d'un collimateur multi-trou, un collimateur sténopéique, dit "pin-hole". Un dispositif incorporant un tel collimateur est montré sur la figure 4, où les organes correspondant à ceux de la figure 1 portent le même numéro de référence, affecté de l'indice a. Selon que la conversion du rayonnement X incident aura lieu en M ou en M', les coordonnées en plan x et y du point N où apparaitra la scintillation seront différentes. L'invention permet d'effectuer une correction de normalisation par détermination de z, puis application à x et y d'un facteur d'échelle fonction de z. Pour cela il est nécessaire de mesurer z. Cette mesure csb possible sans adjonction d'organes de détection supplémentaires, dans la mesure où le rayonnement X provenant de la source (créé soit par fluorescence, soit par radio-activité) présente une énergie supérieure à un seuil de l'ordre de 10 keV et surtout 20 keV. Au point M, le rayonnement X donne naissance à un photoélectron qui produit, par ionisation du gaz noble, un paquet d'électrons qui dérivent le long des lignes de force du champ électrique e1, jusqu'à l'espace 18a de création du rayonnement secondaire, puis, sous l'effet du champ e2, jusqu'au point P. Dès l'instant de création du paquet d'électrons en M, il se produit une luminescence ou scintillation primaire dans le gaz noble. En réponse à cette luminescence, les photomultiplicateurs 23a et 24a fournissent un signal à l'instant t0. Lorsque le paquet d'électrons arrive au point P, il produit une luminescence secondaire d'intensité directement proportionnelle au champ électrique e2, à un instant t1 (figure 5), P sera dans la majeure partie des cas pratiquement confondu avec le plan de la grille 17a. La distance z sera la somme de l'épaisseur entre 17a et 22a et du produit de (t1-t0) par la vitesse de dérive des électrons dans l'espace où règne le champ électrique e1.
La mesure de x et de y s'effectuera uniquement par traitement du signal de luminescence secondaire apparu à l'instant t1, beaucoup plus intense que lepremier. Le calcul de correction s'effectuera de façon classique, soit par voie analogique, soit par voie numérique. Connaissant les coordonnées x, y et z du point de conversion M par rapport au trou 33 du collimateur 13a, on peut reconstituer l'image exacte de la projec tion de la source à travers le trou 33 sur une surface donnée, plane par exemple, en effectuant :
- la correction de l'efficacité de conversion avec l'inclinaison du rayon incident par rapport à l'axe de l'appareil, due à la différence d'épaisseurs des gaz traversés suivant l'inclinaison,
- la correction de projection de telle sorte qu'un rayonnement X provenant d'un point-objet ne donne qu'un point d'image. L'invention est susceptible de nombreuses variantes de réalisation. En particulier, on peut, au lieu d'utiliser des électrodes planes, utiliser des électrodes de création d'un champprésentant une symétrie cylindrique Ou une symétrie de révolution (comme décrit par exemple dans, la demande de brevet français n° 2 363 117). Les tubes photomultiplicateurs peuvent être associés, non plus à un circuit analogique de calcul, mais à un circuit numérique qui a l'avantage, surtout dans le cas d'un dispositif à grand nombre de photomultiplicateurs, de permettre un équilibrage beaucoup plus facile.
Il faut encore noter que la détection de la luminescence induite dans le gaz des détecteurs peut se faire dans tout le spectre électromagnétique depuis l'ultraviolet jusqu'à l'infrarouge, bien que l'on n'ait fait référence ci-dessus qu'à un fonctionnement en ultraviolet. Mais, lorsque l'appareil est occupé par un gaz sous pression élevée (10 à 20 bars), il peut être plus avantageux d'utiliser la lumière produite dans le rouge et l'infrarouge.

Claims

Revendications de brevet
1. Procédé de détection et de localisation de rayonnements neutres, en particulier de rayonnements gamma mous et de rayonnements X, suivant lequel on provoque la formation de photoélectrons par action du rayonnement incident sur des atomes de gaz contenu dans une enceinte, on fait dériver les électrons, à l'aide d'un champ électrique, vers un espace soumis à un champ électrique de valeur suffisante pour qu'il y ait création de photons secondaires par excitation d'atomes du gaz et retour de ces atomes à l'état désexcite et on détermine les emplacements de création desdits photons secondaires, caractérisé en ce qu'on effectue simultanément une sélection en énergie desdits photons secondaires.
2. Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce qu'on détecte les photons secondaires en les recueillant sur une couche (22) d'un matériau de conversion desdits photons en scintillations dans le spectre UV proche ou visible, et en localisant le barycentre des scinti l lations sur la couche à l'aide d'un circuit de calcul analogique ou numérique.
3. Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce qu'on fait dériver les électrons sous l'action d'un champ électrique de l'ordre de la centaine de volts par centimètre.
4. Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce qu'on soumet l'espace (18 ) de création d photons à un champ électrique de l'ordre du Kilovolt par centimètre.
5. Procédé suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'on détermine simultanément la répartition de deux radioéléments émettant des rayonnements d'énergie différente par sélection en énergie dans deux fenêtres différentes.
6. Procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 4, de localisation de rayonnements gamma d'énergie supérieure à 20 KeV, caractérisé en ce qu'on détecte la scintillation primaire créée par les photoélectrons produits lors de l'absorption d'un rayonnement gamma et en ce qu'on déduit la profondeur du point d'observation du rayonnement gamma de l'intervalle de temps qui sépare le signal primaire instantané, lors de l'absorption gamma, du signal différé produit par le passage des électrons d'ionisation dans l'espace de création des photons secondaires.
7. Dispositif de détection et de localisation de rayonnements neutres, notamment de rayonnements gamma mous et de rayonnements X, comprenant une enceinte étanche munie d'une fenêtre d'entrée transparente auxdits rayonnements, occupée par un gas fournissant, par interaction avec ledit rayonnement, des photoélectrons, munie d'électrodes destinées à créer, dans ladite enceinte, un champ. électrique de dérive des électrons vers un espace de création de photons secondaires où règne un champ électrique de valeur suffisante pour provoquer la formation de photons secondaires par excitation des atomes du gaz qui l'occupe et retour de ces atomes à l'état désexcité, et munie d'une fenêtre de sortie des photons, caractérisé par des moyens pour localiser l'origine desdits photons secondaires et les analyser en énergie.
8. Dispositif suivant la revendication 7, caractérisé eh ce que lesdits moyens de localisation de l'origine des photons secondaires comprennent une couche (22) de matériau de conversion desdits photons en scintillations dans le spectre UV proche ou dans le visible et des photomultiplicateurs (23, 24) disposés suivant un réseau régulier face à ladite couche.
9. Dispositif suivant la revendication 7, caractérisé en ce que les espaces (15, 18) de création des photoélectrons, de dérive et de formation des photons secondaires sont occupés par au moins un gaz noble.
10. Dispositif suivant l'une quelconque des revendications 7 à 9, caractérisé en ce qu'un collimateur (13) est disposé sur le trajet du rayonnement neutre incident, en amont de la fenêtre d'entrée de l'enceinte étanche occupée par un gaz.
11. Dispositif suivant la revendication 10, caractérisé en ce que la fenêtre d'entrée (11) transparente aux rayonnements incidents et opaque aux photons UV et visibles est constituée par une feuille de matière plastiqu ou d'alliage léger en appui contre le collimateur.
12. Dispositif suivant l'une quelconque des revendications 7 à 10, caractérisé en ce que l'espace (18) de création de photons secondaires est séparé de ladite fenêtre (12) par un espace (21) où règne un champ électrique de sens opposé à celui qui est établi dans l'espace (18) de création de photons secondaires.
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Inventor name: POLICARPO, ARMANDO

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