EP0742954A1 - Detecteur de rayonnements ionisants a microcompteurs proportionnels - Google Patents

Detecteur de rayonnements ionisants a microcompteurs proportionnels

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EP0742954A1
EP0742954A1 EP95941134A EP95941134A EP0742954A1 EP 0742954 A1 EP0742954 A1 EP 0742954A1 EP 95941134 A EP95941134 A EP 95941134A EP 95941134 A EP95941134 A EP 95941134A EP 0742954 A1 EP0742954 A1 EP 0742954A1
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EP
European Patent Office
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insulating material
microcounters
layer
detector
proportional counter
Prior art date
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EP95941134A
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German (de)
English (en)
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EP0742954B1 (fr
Inventor
Marc Lemonnier
Thierry Claude Bucaille
Jo[L Robert Charlet
Michel Bordessoule
François BARTOL
Stephan Megtert
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Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Original Assignee
Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
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Publication date
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Publication of EP0742954B1 publication Critical patent/EP0742954B1/fr
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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J47/00—Tubes for determining the presence, intensity, density or energy of radiation or particles
    • H01J47/06—Proportional counter tubes

Definitions

  • the present invention relates to a gas detector for detecting ionizing radiation such as ⁇ , ⁇ , ⁇ radiation, or x or ultra violet radiation from a multitude of proportional microcounters assembled to form a proportional counter.
  • Such a detector finds many applications in the fields of medical imaging, biology, particle physics, or even crystallography, and in many fields requiring non-destructive testing.
  • the detector of the invention is of the type in which primary electrons resulting from the ionization of radiation by the gas are multiplied under the effect of an electric field of high local intensity, in a gas.
  • the parallel plate detector comprises a counter produced by means of two parallel grids spaced from each other by a few millimeters and between which the multiplication of the electrons takes place. This area between the two parallel grids is called "multiplication zone".
  • the multiplication zone of such a detector therefore takes the form of a single volume delimited by the two grids.
  • the counters of these parallel plate detectors can only have a limited spatial resolution and, because of the plate / grid thickness, they cannot be arranged so as to constitute detectors of various shapes.
  • the wire detector comprises a plurality of equidistant wires, stretched in a plane. On either side of this plane are placed two taut grids forming cathodes. The multiplication of electrons takes place near the wires since there is a high electric field there. However, the multiplication zone of such a detector cannot be isotropic; furthermore, it does not allow the detector to have various shapes.
  • microstrip detector Another more recent type of gas detector is the microstrip detector.
  • the counter In this microstrip detector, the counter consists of coplanar electrodes etched on an insulating support. Such a microstrip detector is described in French patent FR-A-2 602 058.
  • the major drawback of this detector is its relatively low gain which is limited substantially to 5000 since it does not allow several counters to be superimposed.
  • the counters of these microstrip detectors have amstrop multiplication zones, located on very fine tracks (approximately 10 ⁇ , which makes them very sensitive to slamming. These detectors also have the disadvantage of being relatively fragile.
  • the object of the present invention is precisely to remedy the drawbacks of the various detectors described above. To this end, it offers a gas detector comprising a counter consisting of a plurality of independent proportional microcounters.
  • the invention relates to an ionizing radiation detector comprising an enclosure filled with a gaseous mixture which may comprise, for example a rare gas, inside which is arranged a proportional counter which delimits, between itself and the upper wall of the enclosure, an area in which ionization of the gas occurs by absorption of radiation.
  • This proportional counter further comprises at least one lower electrode and at least one upper electrode, parallel with each other, separated from each other by a layer of insulating material and brought to different potentials.
  • the upper electrode and the layer of insulating material comprise at least one breakthrough in which a substantially uniform electric field prevails and constituting a zone for the multiplication of the electrons resulting from the ionization of the radiation.
  • Each portion of the meter comprising an upper electrode part and a pierced insulating layer part as well as a lower electro ⁇ e part constitutes an independent microcounter, also called an elementary cell.
  • the lower electrode is an anode and the upper electrode is a cathode.
  • the insulating material is a rigid material which can either be photosensitive, which makes it possible to facilitate the manufacture of the detector, or is highly resistive (with a resistivity of the order of 10 9 to 10 13 ⁇ .cirO, or fluorescent, which makes it possible to transform the UV radiation resulting from the multiplication into visible radiation.
  • the proportional counter comprises a plurality of upper electrodes arranged one above the other, in a plane parallel to the lower electrode and separated from each other by a layer of material insulating material, the openings in each upper electrode being aligned with the openings in the layers of insulating material.
  • the proportional counter comprises: a plurality of upper electrodes arranged in the same first plane, with the same first direction and connected to each other; and a plurality of lower electrodes arranged in the same second plane, parallel to the first plane, in the same second direction and connected to each other.
  • the proportional counter has a generally cylindrical shape, the lower and upper electrodes forming an open cylinder traversed longitudinally by an electric wire for supplying potential.
  • the upper electrode and the lower electrode are independent and each connected to a input of an electronic processing circuit, to form a pixel detector.
  • FIG. 1A represents a perspective view of a detector of the invention comprising a proportional counter produced according to a first embodiment
  • - Figure 1B shows a front view of a strip of microcounters according to the embodiment of Figure 1A;
  • FIG. 2A shows a front view of a strip of microcounters according to a second embodiment of the invention
  • FIG. 2B represents a perspective view of a counter produced with several strips of microcounters in FIG. 2A;
  • FIG. 4 shows a front view of a set of microcounters in which several cathodes are superimposed;
  • - Figure 5 shows a front view of a counter in which several strips of microcounters are superimposed;
  • FIG. 6 represents a micrometer plate on which each micrometer is connected by its anode to an external circuit;
  • FIG. 7 shows an example of arrangement of several bands of proportional microcounters;
  • FIG. 8 represents an example of a cylindrical proportional counter;
  • FIG. 9 shows a spectrum representative of the resolution for measuring an energy of 6 Kev coming from a source of Fe * - ⁇ , by a gas detector according to the invention.
  • a gas detector according to the invention is shown diagrammatically.
  • This detector comprises an enclosure 1 shown in phantom in the figure.
  • This enclosure 1 is filled with a gaseous mixture which generally comprises a rare gas (such as argon, krypton, xenon, etc.) and which is subjected to a selected pressure.
  • a gaseous mixture which generally comprises a rare gas (such as argon, krypton, xenon, etc.) and which is subjected to a selected pressure.
  • This gas mixture ensures the absorption of the radiation received by the detector.
  • These radiations are therefore ionized by the gas in a zone called "absorption zone", in which a weak and uniform electric field prevails. This ionization of radiation creates electric charges that we seek to multiply, thanks to the proportional counter 2.
  • This proportional counter 2 comprises a multitude of microcounters (also called “elementary cells") referenced 4. Each of these microcounters 4 is produced by means of two electrodes located in different planes and brought to different potentials so as to create an electric field which attracts electrical charges from the ionization of radiation in the gas.
  • the microcounters are arranged in strips 3 of microcounters.
  • microcounters arranged in bands (or rows).
  • these microcounters can be arranged according to all kinds of geometries (for example, in squares), but that they can also be independent. This choice of representation in "band” is simply intended to facilitate the understanding of the appended figures.
  • each strip 3 of microcomputer comprises an upper electrode 5, namely a cathode, a lower electrode 6, namely an anode, and a layer of insulating material 7 situated between the two electrodes 5 and 6.
  • the cathode 5 and the insulating layer 7 are perforated by openings 8 leading to the anode 6.
  • Each opening 8 constitutes a multiplication zone.
  • each microcomputer comprises a cathode portion 5, an insulating layer portion 7, an anode portion 6 and a multiplication zone 8.
  • each strip 3 can have several openings 8, each microcounter 4 is independent since it has its own multiplication zone.
  • a counter 2 of the invention can include a multitude of multiplication zones, which greatly limits the risks of breakdown.
  • FIG. 1A there is shown "a cutaway" of the counter 2 which makes it possible to see two breakthroughs 8 belonging to the strips 3 of microcounters and leading to the respective ⁇ anodes.
  • FIG. 1B shows more precisely a strip 3 of microcounters.
  • this strip 3 comprises an upper electrode 5 and a lower electrode 6.
  • the electrode upper 5 is a cathode and the lower electrode 6 is an anode.
  • the cathode 5 and the anode 6 are separated from each other by a layer 7 of an insulating material.
  • this insulating material is also photosensitive, which makes it easier to manufacture the detector.
  • the insulating material is also highly resistive. According to yet another embodiment, the insulating material is fluorescent so as to transform the UV radiation due to the multiplication into visible radiation which can, for example, be counted.
  • the cathode 5, as well as the insulating layer 7, are pierced with holes 8 inside which an electric field prevails, which creates multiplication zones.
  • the electric field is intense and almost uniform. It is therefore naturally towards these multiplication zones that the electric charges created by the ionization of the radiation in the absorption zone are directed.
  • the cathode can be increased to a few hundred volts, so as to attract the primary charges and the anode brought to an even higher voltage, so as to ensure the multiplication of these primary charges.
  • a substrate such as ceramic in order to ensure a better solidity of the counter.
  • FIG. 2A there is shown, in section, microcounters 4 produced according to an embodiment different from that shown in FIG. 1B.
  • the cathodes and the anodes are arranged in two perpendicular directions: the cathodes 5 are arranged in rows and the anodes 6 are arranged in rows.
  • Each breakthrough 8 leads to a ⁇ anode, as in the previous embodiment.
  • a proportional counter 2 is shown, produced by means of a multitude of strips 3 of microcounters of the type of that represented in FIG. 2A.
  • the proportional counter 2 shown in this FIG. 2B comprises a plurality of cathodes 5 arranged in rows and a plurality of anodes 6 arranged in columns.
  • the cathodes 5 are separated from the anodes 6 by a layer 7 of insulating, rigid and photosensitive material.
  • the cathodes 5 as well as the layer of insulating material 7 are perforated by openings 8, which open onto the anodes 6, as shown in FIG. 2B.
  • Such an arrangement of the electrodes 5 and 6 makes it possible to carry out the coding of events in two directions. It can therefore be, for example, used in imagery.
  • the openings 8 of the microcounters 4 have been presented in this figure 2B as holes of round section.
  • these microcounters may have openings 8 (or obviously) of different shapes.
  • these recesses can be slots, parallel or non-parallel to each other; they can be conical, cylindrical, etc., and of variable size.
  • Figures 3A and 3B show two examples of these recesses.
  • the recess 8 has a conical shape which has the advantage of avoiding that the ions resulting from the multiplication adhere to the wall 8 ′ of the recess, that is to say to the material 7.
  • the recess 8 of the microcounter has a concave wall 8 ′, the advantage of which is similar to that of the recess in FIG. 3A.
  • the ratio between the solid part of a microcomputer and the hollowed part of this microcomputer is typically chosen between 1 and 10.
  • the recesses are circular holes whose ratio between the depth of the hole and the width of the hole generally varies between 3 and 1/2.
  • the light emitted during the multiplication can be collected to form images or to perform counting or to obtain a synchronization signal signaling the event (namely the avalanche of ions) .
  • the strip 3 comprises two cathodes 5a and 5b and two layers 7a and 7b of photosensitive insulating materials: the insulating layer 7a is disposed between the cathodes 5a and 5b, and the insulating layer 7b is disposed between the cathode 5b and the common anode 6.
  • the openings 8 are made throughout the thickness consisting of the cathodes and the insulating layers.
  • Such an assembly with several stages of cathodes makes it possible to increase the height of the openings 8 and, consequently, the volume of the multiplication zone.
  • the multiplication power of this zone is thus increased and the collection of the ions created during the multiplication is facilitated and increased.
  • FIG. 5 there is shown a front view of a multistage counter produced by means of several plates 3a, 3b, of microcounters superposed one above the other.
  • the microcounters are arranged in the form of strips substantially of the type shown in FIG. 1B.
  • Each plate can either be placed directly on the lower plate or separated from its neighboring plate by gas identical to that prevailing in the activation zone (as is the case in this figure) or by an insulating layer.
  • the anode 6a, 6b of each of the plates 3a, 3b has a breakthrough 8a, 8b aligned with the breakthroughs of the cathodes 5a, 5b and the insulating layers 7a, 7b and leading to an additional anode 6c.
  • additional anodes 6c are necessary to ensure the creation of the electric field over the entire height of the openings and are placed under the clearance produced by the openings 8a and 8b. All of these plates 3a, 3b and additional anodes 6c are deposited on a rigid substrate 10.
  • each cathode / anode space of a plate 3 has a lower multiplication power than a multiplication zone of the counter of FIG. 2A, the superposition of several cathode / anode spaces makes it possible to obtain a gain which is higher than in a simple multiplication zone (like those shown in Figure 2A).
  • This "sandwich" configuration makes it possible to significantly reduce the electric field in the insulation; it also allows additional cathodes to collect part of the ions from the multiplication. The counting rate of the detector is thus greatly increased.
  • each microcomputer 4 has its own multiplication zone 8. This means that each microcomputer is independent. However, in certain applications the microcounters 4 can be linked together, either via their cathode or via their anode.
  • FIG. 6 there is shown a plate 3 of microcounters whose microcounters 4 are connected by their anodes 6 to an external circuit. More specifically, the plate 3 is bonded to a support 13 carrying the anodes 6 of the microcounters 4. Each anode 6 is connected by means of tracks PI, P2, from contact to the external circuit, for example, to an amplifier 15 itself arranged on a support 17. According to this example, the tracks PI and P2 pass through the support 13. Furthermore, as shown in this FIG. 6, a voltage source 19 is connected to the plate 3 by the cathode 5.
  • each of them can be connected directly to a separate amplifier.
  • Each microcomputer can then be considered as the pixel of a linear or two-dimensional detector.
  • the invention thus has the advantage of facilitating the connection by the fact that this can be done either on the cathode side or on the anode side, so still on the back of the detector.
  • the connecting tracks between the microcounters and the amplifiers can be engraved or screen printed during the manufacture of the proportional counter, so as to further facilitate the connection.
  • each microcomputer makes it possible to give an electrical signal, a function of the quantity of electrons received.
  • This electrical signal can be used for energy measurement and for measuring the position of impact. More precisely, the positioning of the impact of the ray (or spatial location) can be obtained directly by identifying the microcomputer affected, in the case where the absorption zone is weak. Otherwise, the electrons from the ionization are scattered on at least part of the proportional counter. We can then proceed to the search for the centroid, that is to say the microcomputer which has received the largest share of the scattered electrons.
  • centroid among the affected microcounters one can use either a known logical method which consists in digitizing the signal derived by the affected microcounters and then calculating the corresponding centroid, or by an analogical method by taking the electrical signals on lines to delay type RC, LC or R. Whatever the method chosen for determining the location of events, it is necessary to carry out a processing of the signals coming from the cathode, of the signals coming from the anode and, for certain embodiments using a additional anode, signals from this additional anode.
  • FIG. 7 there is shown another embodiment of the invention in which several strips 3a, 3b, 3c, 3d, 3e of microcounters are arranged to form a series of U and inverse U's. These bands are of the type of those shown in Figure 1B.
  • This particular arrangement makes it possible to produce a delay line such as one can use to effect the localization of events.
  • the different cathodes 5a-5e are juxtaposed perpendicular to each other other. Each of these cathodes 5a-5e corresponds to an anode 6a-6e separated from its corresponding cathode 5a-5e, by a layer of insulating material l a-le.
  • FIG. 8 yet another embodiment of a proportional counter according to the invention is shown. Unlike the linear counters described in the previous embodiments, this proportional counter 2 is cylindrical. Such a cylindrical counter can be used, for example, in crystallography.
  • this counter 2 has the form of an open cylinder whose opening 12 ensures the introduction of radiation inside the cylinder.
  • This counter 2 therefore comprises a cathode plane 5 forming the interior wall of the cylinder and an anode plane 6 forming the exterior wall of the cylinder.
  • the anode 6 and the cathode 5 are separated by a layer 7 of insulating and photosensitive material.
  • This cylinder having been shown in section, we see on the section of said cylinder breakthroughs 8. Such breakthroughs 8 are distributed over the entire length of the cylinder; they are shown in dotted lines, since they are covered by the anode 6. As can be seen in FIG.
  • an electric wire which 9 crosses the cylinder longitudinally this electric wire making it possible to bring a certain potential inside the cylinder. For example, one could bring the cathode 5 to a zero potential, the anode 6 to a potential of +1000 volts and the electric wire 9 to a potential of -200 volts.
  • each set of microcounters is therefore produced by means of a sheet of insulating material covered on each of its faces with a material driver.
  • the insulator may be glass or else photosensitive glass or even any other plastic material having sufficient dielectric strength.
  • To make each of the microcounters on a plate it is necessary to pierce the composite sheet (insulating sheet covered on either side with a conductive layer) of blind holes.
  • various known techniques can be used: - one of the methods consists in carrying out reserves in the cathode by photoengraving, then in digging it, for example by chemical attack. The cathode then serves as a self-supporting mask.
  • the insulating sheet is pierced either by UV photogravure, by deep X-ray lithography or by chemical attack, laser machining, ion attack, etc. according to the nature of this insulating sheet;
  • Another method consists in drilling blind holes directly using a laser capable of piercing the cathode and insulating it without piercing the anode.
  • the anode will be chosen thicker than the cathode, or else in a material of an appropriate nature.
  • the multiplier zones have a geometry such that it ensures the non-existence of breakdown between the electrodes, even at the ends of the plates, since the electrodes, cathodes and anodes are not in the same plane.
  • the anodes being of simple and robust form, they are not subject to deterioration under the effect of possible breakdown or the electronic and ionic bombardment which they undergo.
  • proportional meters described in FIGS. 1A to 8 can be used in gas detectors to determine different types of radiation.
  • X-ray detectors used in crystallography
  • the counters are placed on goniometers, in front of X sources or in front of synchrotron radiation sources.
  • These detectors having a good resolution in energy and a significant gain, they make it possible to obtain a very good spatial resolution while simplifying the connection since the anode or cathode planes can comprise, by screen printing, all the necessary electrical paths towards external circuits.
  • FIG. 9 a spectrum is shown showing the resolution of the energy measurements, for an energy of six thousand electron volts, in an argon / CO 2 mixture under atmospheric pressure.
  • the multiplication gain obtained can be around 20,000, which ensures completely correct processing of electrical signals.
  • the spatial resolution is of the order of 50 ⁇ m.
  • Such a proportional counter advantageously makes it possible to withstand high counting rates by microcounters; this rate can be around 100,000 events per second.
  • the counters according to the invention can have a high density of microcounters, this makes it possible to work with very high flows.
  • each microcomputer is independent, it is possible to obtain an even higher signal, to allow the detection of weak fluxes, by operating the counters in Geiger regime.

Landscapes

  • Measurement Of Radiation (AREA)
  • Electron Tubes For Measurement (AREA)

Abstract

L'invention concerne un détecteur de rayonnements ionisants comportant une enceinte (1) remplie d'un gaz rare, à l'intérieur de laquelle est disposé un compteur proportionnel (2) délimitant, entre lui-même et une paroi supérieure de l'enceinte, une zone d'absorption (A) dans laquelle sont ionisés les rayonnements. Ce compteur proportionnel comporte au moins une anode (6) et au moins une cathode (5), parallèles l'une à l'autre et séparées par une couche de matériau isolant (7), la cathode ainsi que la couche de matériau isolant comprenant au moins une percée (8) dans laquelle règne un champ électrique sensiblement uniforme et qui constitue une zone de multiplication des électrons issus de l'ionisation des rayonnements. Application à l'imagerie médicale, la biologie, la cristallographie et la physique des particules.

Description

DETECTEUR DE RAYONNEMENTS IONISANTS A MICROCOMPTEURS PROPORTIONNELS
DESCRIPTION
Domaine technique
La présente invention a pour objet un détecteur à gaz permettant de détecter des rayonnements ionisants tels que des rayonnements α, β, γ, ou encore des rayonnements x ou ultra violets à partir d'une multitude de microcompteurs proportionnels assemblés pour former un compteur proportionnel.
Un tel détecteur trouve de nombreuses applications dans les domaines de l'imagerie médicale, de la biologie, de la physique des particules, ou encore de la cristallographie, et dans de nombreux domaines nécessitant des contrôles non destructifs.
Etat de la technique
Le détecteur de l'invention est du type de ceux dans lesquels des électrons primaires issus de l'ionisation de rayonnements par le gaz sont multipliés sous l'effet d'un champ électrique de forte intensité locale, dans un gaz.
Plusieurs types de ces détecteurs à gaz sont actuellement connus et utilisés par l'homme du métier . Le plus connu de ces détecteurs est le détecteur à plaques parallèles. Il comporte un compteur réalisé au moyen de deux grilles parallèles distantes l'une de l'autre de quelques millimètres et entre lesquelles se fait la multiplication des électrons. Cette zone située entre les deux grilles parallèles est appelée "zone de multiplication". La zone de multiplication d'un tel détecteur se présente donc sous la forme d'un volume unique délimité par les deux grilles. Du fait même qu'il constitue un volume unique d'une taille relativement importante, un tel compteur présente l'inconvénient d'être très sensible au claquage. En outre, les compteurs de ces détecteurs à plaques parallèles ne peuvent avoir qu'une résolution spatiale limitée et, du fait de l'épaisseur plaque/grille, ils ne peuvent être arrangés de façon à constituer des détecteurs de formes variées.
Un autre type de détecteur a gaz est le détecteur a fils. Celui-ci comporte une pluralité de fils équidistants, tendus dans un plan. De part et d'autre de ce plan, sont placées deux grilles tendues formant des cathodes. La multiplication des électrons se fait a proximité des fils puisqu'il règne, à cet endroit, un champ électrique élevé. Cependant, la zone de multiplication d'un tel détecteur ne peut être isotrope ; en outre, elle ne permet pas au détecteur d'avoir des formes variées.
Un autre type de détecteur a gaz, plus récent, est le détecteur a microbandes. Dans ce détecteur a microbandes, le compteur consiste en des électrodes coplanaires gravées sur un support isolant. Un tel détecteur à microbandes est décrit dans le brevet français FR-A-2 602 058. L'inconvénient majeur de ce détecteur est son gain relativement peu eleve qui est limite sensiblement a 5 000 puisqu'il ne permet pas de superposer plusieurs compteurs. En outre, tout comme les compteurs des détecteurs a plaques parallèles décrits précédemment, les compteurs de ces détecteurs a microbandes présentent des zones de multiplication amstropes, localisées sur de pistes très fines (environ 10 μπ , ce qui les rend très sensibles au claquage. Ces détecteurs présentent de plus l'inconvénient d'être relativement fragiles.
Exposé de l'invention
La présente invention a justement pour but de remédier aux inconvénients des différents détecteurs décrits précédemment. A cette fin, elle propose un détecteur à gaz comportant un compteur constitué d'une pluralité de microcompteurs proportionnels indépendants.
De façon plus précise, l'invention concerne un détecteur de rayonnements ionisants comportant une enceinte remplie d'un mélange gazeux pouvant comporter, par exemple un gaz rare, à l'intérieur de laquelle est disposé un compteur proportionnel qui délimite, entre lui-même et la paroi supérieure de l'enceinte, une zone dans laquelle se produit l'ionisation du gaz par absorption des rayonnements. Ce compteur proportionnel comporte, en outre, au moins une électrode inférieure et au moins une électrode supérieure, parallèles l'une avec l'autre, séparées l'une de l'autre par une couche de matériau isolant et portées à des potentiels différents. L'électrode supérieure, ainsi que la couche de matériau isolant comprennent au moins une percée dans laquelle règne un champ électrique sensiblement uniforme et constituant une zone de multiplication des électrons issus de l'ionisation des rayonnements.
Chaque portion du compteur comprenant une partie d'électrode supérieure et une partie de couche isolante percées ainsi qu'une partie d'electroαe inférieure constitue un microcompteur indépendant, appelé aussi cellule élémentaire.
Avantageusement, l'électrode inférieure est une anode et l'électrode supérieure est une cathode. Conformément à l'invention, le matériau isolant est un matériau rigide qui peut être soit photosensible, ce qui permet de faciliter la fabrication du détecteur, soit fortement résistif (avec une résistivité de l'ordre de 109 à 1013 Ω.cirO, soit fluorescent, ce qui permet de transformer les rayonnements UV issus de la multiplication en rayonnements visibles.
Selon un premier mode de réalisation de l'invention, le compteur proportionnel comporte une pluralité d'électrodes supérieures disposées les unes au-dessus des autres, dans un plan parallèle à l'électrode inférieure et séparées les unes des autres par une couche de matériau isolant, les percées de chaque électrode supérieure étant alignées avec les percées des couches de matériau isolant.
Selon un autre mode de réalisation de l'invention, le compteur proportionnel comporte : une pluralité d'électrodes supérieures disposées dans un même premier plan, avec une même première direction et connectées entre elles ; et une pluralité d'électrodes inférieures disposées dans un même second plan, parallèle au premier plan, selon une même seconde direction et connectées entre elles.
Selon encore un autre mode de réalisation de l'invention, le compteur proportionnel a une forme globalement cylindrique, les électrodes inférieure et supérieure formant un cylindre ouvert traverse longitudmalement par un fil électrique d'amenée de potentiel.
Selon encore un autre mode de réalisation de l'invention, l'électrode supérieure et l'électrode inférieure sont indépendantes et reliées chacune a une entrée d'un circuit électronique de traitements, pour former un détecteur pixels.
Brève description des dessins
La figure 1A représente une vue en perspective d'un détecteur de l'invention comportant un compteur proportionnel réalisé selon un premier mode de réalisation ; - la figure 1B représente une vue de face d'une bande de microcompteurs conforme au mode de réalisation de la figure 1A ;
- la figure 2A représente une vue de face d'une bande de microcompteurs selon un second mode de réalisation de l'invention ; la figure 2B représente une vue en perspective d'un compteur réalisé avec plusieurs bandes de microcompteurs de la figure 2A ;
- les figures 3A et 3B représentant, en coupe, deux microcompteurs dont les évidements sont, respectivement, conique et concave ;
- la figure 4 représente une vue de face d'un ensemble de microcompteurs dans lequel plusieurs cathodes sont superposées ; - la figure 5 représente une vue de face d'un compteur dans lequel plusieurs bandes de microcompteurs sont superposées ; la figure 6 représente une plaque de microcompteurs sur laquelle chaque micrompteur est relié par son anode à une circuiterie externe ; la figure 7 représente un exemple d'agencement de plusieurs bandes de microcompteurs proportionnels ; la figure 8 représente un exemple de compteur proportionnel cylindrique ; et la figure 9 montre un spectre représentatif de la résolution de mesure d'une l'énergie de 6 Kev provenant d'une source de Fe*-^, par un détecteur à gaz conforme à l'invention.
Exposé détaillé de modes de réalisation
Sur la figure 1A, on a représenté schématiquement un détecteur à gaz conforme à l'invention. Ce détecteur comporte une enceinte 1 représentée en traits mixtes sur la figure. Cette enceinte 1 est remplie d'un mélange gazeux qui comporte généralement un gaz rare (tel que l'argon, le krypton, le xénon, etc.) et qui est soumis à une pression choisie. Ce mélange gazeux assure l'absorption des rayonnements reçus par le détecteur. Ces rayonnements sont donc ionisés par le gaz dans une zone appelée "zone d'absorption", dans laquelle règne un champ électrique faible et uniforme. Cette ionisation des rayonnements crée des charges électriques que l'on cherche à multiplier, grâce au compteur proportionnel 2.
Ce compteur proportionnel 2 comporte une multitude de microcompteurs (appelés aussi "cellules élémentaires") référencés 4. Chacun de ces microcompteurs 4 est réalisé au moyen de deux électrodes situées dans des plans différents et portées à des potentiels différents de façon à créer un champ électrique qui attire les charges électriques provenant de l'ionisation des rayonnements dans le gaz.
Comme on le voit sur cette figure 1A, les microcompteurs sont arrangés selon des bandes 3 de microcompteurs .
Sur cette figure 1A, ainsi que sur les figures qui seront décrites ultérieurement, on a représenté les microcompteurs agencés en bandes (ou rangées) . Cependant, on comprendra que ces microcompteurs peuvent être arrangés selon toutes sortes de géométries (par exemple, en carrés) , mais qu'ils peuvent aussi être indépendants. Ce choix de représentation en "bande" a simplement pour but de faciliter la compréhension des figures annexées.
En se référant à la figure 1A, chaque bande 3 de microcompteur comprend une électrode supérieure 5, à savoir une cathode, une électrode inférieure 6, à savoir une anode, et une couche de matériau isolant 7 située entre les deux électrodes 5 et 6. La cathode 5 et la couche isolante 7 sont trouées par des percées 8 débouchant sur l'anode 6. Chaque percée 8 constitue une zone de multiplication. Ainsi chaque microcompteur comporte une portion de cathode 5, une portion de couche isolante 7, une portion d'anode 6 et une zone de multiplication 8.
Bien que chaque bande 3 peut comporter plusieurs percées 8, chaque microcompteur 4 est indépendant puisqu'il possède sa propre zone de multiplication.
On comprendra donc qu'un compteur 2 de l'invention peut comporter une multitude de zones de multiplication, ce qui limite grandement les risques de claquage.
Sur cette figure 1A, on a représenté "un écorché" du compteur 2 qui permet de voir deux percées 8 appartenant aux bandes 3 de microcompteurs et débouchant sur les anodes β respectives.
La figure 1B montre de façon plus précise une bande 3 de microcompteurs. Comme expliqué précédemment, cette bande 3 comporte une électrode supérieure 5 et une électrode inférieure 6. L'électrode supérieure 5 est une cathode et l'électrode inférieure 6 est une anode. La cathode 5 et l'anode 6 sont séparées l'une de l'autre par une couche 7 d'un matériau isolant. Selon un mode de réalisation, ce matériau isolant est également photosensible, ce qui permet de faciliter la fabrication du détecteur.
Selon un autre mode de réalisation, le matériau isolant est également fortement résistif. Selon encore un autre mode de réalisation, le matériau isolant est fluorescent de façon à transformer les rayonnements UV dus à la multiplication en rayonnements visibles pouvant, par exemple, être comptabilisés.
La cathode 5, ainsi que la couche isolante 7 sont percées de trous 8 à l'intérieur desquels règne un champ électrique, ce qui crée des zones de multiplication. Dans ces zones de multiplication 8, le champ électrique est intense et quasiment uniforme. C'est donc naturellement vers ces zones de multiplication que se dirigent les charges électriques créées par l'ionisation des rayonnements dans la zone d' absorption.
Du point de vue électrique, si le potentiel de la fenêtre d'entrée du détecteur (c'est-à-dire l'enceinte) est de zéro volt, la cathode peut être portée à quelques centaines de volts, de façon à attirer les charges primaires et l'anode portée à une tension encore plus élevée, de façon à assurer la multiplication de ces charges primaires. En outre, pour certaines applications, il est possible d'utiliser comme matériau isolant, dans chaque bande de microcompteurs un substrat, tel que de la céramique afin d'assurer une meilleure solidité du compteur . Sur la figure 2A, on a représenté, en coupe, des microcompteurs 4 réalisés selon un mode de réalisation différent de celui montré sur la figure 1B.
Dans ce mode de réalisation, les cathodes et les anodes sont disposées selon deux directions perpendiculaires : les cathodes 5 sont disposées en lignes et les anodes 6 sont disposées en rangées. Chaque percée 8 débouche sur une anode β, comme dans le mode de réalisation précédent.
Sur la figure 2B, on a représenté un compteur proportionnel 2 réalisé au moyen d'une multitude αe bandes 3 de microcompteurs du type de celle représentée sur la figure 2A. En d'autres termes, le compteur proportionnel 2, représenté sur cette figure 2B, comporte une pluralité de cathodes 5 arrangées en lignes et une pluralité d'anodes 6 arrangées en colonnes. Tout comme sur les figures précédentes, les cathodes 5 sont séparées des anodes 6 par une couche 7 de matériau isolant, rigide et photosensible. Les cathodes 5 ainsi que la couche de matériau isolant 7 sont trouées par des percées 8, qui découchent sur les anodes 6, comme montre sur la figure 2B. Un tel agencement des électrodes 5 et 6 permet de réaliser le codage d'événements dans deux directions. Il peut donc être, par exemple, utilise en imagerie .
Comme pour tous les compteurs proportionnels montrés sur les figures précédentes, les percées 8 des microcompteurs 4 ont ete présentées sur cette figure 2B comme des trous de section ronde. Cependant, on comprendra facilement que tous ces microcompteurs peuvent comporter des percées 8 (ou évidemments) de formes différentes. Par exemple, ces évidemments peuvent être des fentes, parallèles ou non- parallèles les unes aux autres ; ils peuvent être coniques, cylindriques, etc., et de taille variable. Sur les figures 3A et 3B, on a représenté deux exemples de ces évidements. Sur la figure 3A, l'evidement 8 a une forme conique qui présente l'avantage d'éviter que les ions issus de la multiplication n'adhèrent à la paroi 8' de l'evidement, c'est-à-dire au matériau 7. Sur la figure 3B, l'evidement 8 du microcompteur a une paroi 8' concave dont l'avantage est similaire à celui de l'evidement de la figure 3A.
Néanmoins, quelle que soit la forme de ces évidements, le rapport entre la partie pleine d'un microcompteur et la partie évidée de ce microcompteur est typiquement choisi entre 1 et 10.
Selon le mode de réalisation préféré de l'invention (voir figures 1A à 2B) , les évidements sont des trous circulaires dont le rapport entre la profondeur du trou et la largeur du trou varie généralement entre 3 et 1/2.
Avec des percées 8 de tailles et de formes appropriées, la lumière émise durant la multiplication peut être recueillie pour former des images ou pour effectuer du comptage ou encore pour obtenir un signal de synchronisation signalant l'événement (à savoir l'avalanche des ions) .
Sur la figure 4, on a représenté une bande
3 de microcompteurs réalisée selon un mode de réalisation différent de ceux décrits précédemment. Selon ce mode de réalisation, la bande 3 comporte deux cathodes 5a et 5b et deux couches 7a et 7b de matériaux isolants photosensibles : la couche isolante 7a est disposée entre les cathodes 5a et 5b, et la couche isolante 7b est disposée entre la cathode 5b et l'anode commune 6. Dans cet exemple, les percées 8 sont réalisées dans toute l'épaisseur constituée des cathodes et des couches isolantes.
Un tel assemblage à plusieurs étages de cathodes permet d'augmenter la hauteur des percées 8 et, par conséquent, le volume de la zone de multiplication. Le pouvoir de multiplication de cette zone se trouve ainsi augmenté et la collecte des ions créés durant la multiplication se trouve facilitée et augmentée.
Sur la figure 5, on a représenté une vue de face d'un compteur à plusieurs étages réalisé au moyen de plusieurs plaques 3a, 3b, de microcompteurs superposées les unes au-dessus des autres. Dans cet exemple, les microcompteurs sont agencés sous forme de bandes sensiblement du type de celle représentée sur la figure 1B. Chaque plaque peut être soit posée directement sur la plaque inférieure soit séparée de sa plaque voisine par du gaz identique à celui régnant dans la zone d'activation (comme c'est le cas dans cette figure) ou par une couche isolante. En outre, l'anode 6a, 6b de chacune des plaques 3a, 3b comporte une percée 8a, 8b alignée avec les percées des cathodes 5a, 5b et des couches isolantes 7a, 7b et débouchant sur une anode supplémentaire 6c.
Dans ce mode de réalisation, des anodes supplémentaires 6c sont nécessaires pour assurer la création du champ électrique sur toute la hauteur des percées et se placent sous le dégagement réalisé par les percées 8a et 8b. L'ensemble de ces plaques 3a, 3b et des anodes supplémentaires 6c est déposé sur un substrat rigide 10.
Le champ électrique régnant dans ces percées est quasiment uniforme dans toute la hauteur des percées. Ainsi, bien que chaque espace cathode/anode d'une plaque 3 possède un pouvoir de multiplication plus faible qu'une zone de multiplication du compteur de la figure 2A, la superposition de plusieurs espaces cathode/anode permet d'obtenir un gain qui est plus élevé que dans une zone αe multiplication simple (comme celles montrées sur la figure 2A) . Cette configuration en "sandwich" permet de réduire de façon importante le champ électrique dans l'isolant ; il permet de plus aux cathodes supplémentaires de collecter une partie des ions provenant de la multiplication. Le taux de comptage du détecteur se trouve ainsi grandement augmenté.
On précise que les écarts e et e' entre les bandes 3a et 3b et entre la plaque 3b et l'anode supplémentaire 6c peuvent être variables selon les résultats souhaités.
Comme expliqué précédemment, chaque microcompteur 4 comporte sa propre zone de multiplication 8. Ceci signifie que chaque microcompteur est indépendant. Néanmoins, dans certains applications les microcompteurs 4 peuvent être reliés entre eux, soit par l'intermédiaire de leur cathode, soit par l'intermédiaire de leur anode.
De plus, il est possible de collecter des signaux électriques sur les électrodes à partir du dessus ou du dessous de la zone de multiplication 8, c'est-à-dire à partir de la cathode 5 ou de l'anode 6, ce qui permet de faciliter les connexions. Sur la figure 6, on a représenté une plaque 3 de microcompteurs dont les microcompteurs 4 sont reliés par leurs anodes 6 à une circuiterie extérieure. Plus précisément, la plaque 3 est collée sur un support 13 portant les anodes 6 des microcompteurs 4. Chaque anode 6 est reliée au moyen de pistes PI, P2, de contact jusqu'au circuit extérieur, par exemple, jusqu'à un amplificateur 15 disposé lui-même sur un support 17. Selon cet exemple, les pistes PI et P2 traversent le support 13. En outre, comme montré sur cette figure 6, une source de tension 19 est connectée à la plaque 3 par la cathode 5.
Selon un autre exemple dans lequel les anodes 6 ne sont pas connectées entre elles, chacune d'entre elles peut être reliée directement à un amplificateur distinct. Chaque microcompteur peut alors être considéré comme le pixel d'un détecteur linéaire ou bidimensionnel.
On comprendra donc que les interconnexions entre les anodes des microcompteurs et les circuits extérieurs peuvent se faire aisément au moyen d'un circuit multicouches, par exemple, en céramique et selon des techniques connu de l'homme de l'art.
L'invention a ainsi l'avantage de faciliter la connectique par le fait que celle-ci peut se faire soit du côté cathode, soit du côté anode, so t encore au dos du détecteur. De plus, les pistes de liaison entre les microcompteurs et les amplitificateurs peuvent être gravées ou sérigraphiées lors de la fabrication du compteur proportionnel, de façon à faciliter encore la connectique.
Ainsi réalise, chaque microcompteur permet de donner un signal électrique, fonction de la quantité d'électrons reçus. Ce signal électrique est exploitable pour la mesure de l'énergie et pour la mesure de la position de l'impact. De façon plus précise, le positionnement de l'impact du rayon (ou localisation spatiale) peut être obtenu directement en identifiant le microcompteur touché, dans le cas où la zone d'absorption est faible. Dans le cas contraire, les électrons provenant de l'ionisation se trouvent diffusés sur au moins une partie du compteur proportionnel. On peut alors procéder à la recherche du centroide, c'est-à-dire du microcompteur qui a reçu la plus grande part des électrons diffusés. Pour rechercher un tel centroide parmi les microcompteurs touchés, on peut utiliser soit une méthode logique connue qui consiste à numériser le signal dérivé par les microcompteurs touchés puis à calculer le centroide correspondant, soit par une méthode analogique en prélevant les signaux électriques sur des lignes à retard de type R.C, L.C ou R. Quel que soit le procédé choisi pour déterminer la localisation des événements, il faut effectuer un traitement des signaux issus de la cathode, des signaux issus de l'anode et, pour certains modes de réalisation utilisant une anode supplémentaire, les signaux provenant de cette anode supplémentaire.
Sur la figure 7, on a représente un autre mode de réalisation de l'invention dans lequel plusieurs bandes 3a, 3b, 3c, 3d, 3e de microcompteurs sont agencées pour former une suite de U et de U inverses. Ces bandes sont du type de celles montrées sur la figure 1B. Cet agencement particulier permet de réaliser une ligne de retard telle qu'on peut en utiliser pour effectuer la localisation des événements. Selon ce mode de réalisation, les différentes cathodes 5a-5e sont juxtaposées perpendiculairement les unes aux autres. A chacune de ces cathodes 5a-5e correspond une anode 6a-6e séparée de sa cathode correspondante 5a-5e, par une couche de matériau isolant l a-le .
Sur la figure 8, on a représenté encore un autre mode de réalisation d'un compteur proportionnel selon l'invention. Contrairement aux compteurs linéaires décrits dans les modes de réalisation précédents, ce compteur proportionnel 2 est cylindrique. Un tel compteur cylindrique peut être utilisé, par exemple, en cristallographie.
Comme on le voit sur cette figure 6, ce compteur 2 a une forme de cylindre ouvert dont l'ouverture 12 assure l'introduction des rayonnements à l'intérieur du cylindre. Ce compteur 2 comporte donc un plan de cathodes 5 formant la paroi intérieure du cylindre et un plan d'anode 6 formant la paroi extérieure du cylindre. L'anode 6 et la cathode 5 sont séparées par une couche 7 de matériau isolant et photosensible. Ce cylindre ayant été représente en coupe, on voit sur la section dudit cylindre des percées 8. De telles percées 8 sont reparties ainsi sur toute la longueur du cylindre ; elles sont représentées en pointillés, puisque recouvertes par l'anode 6. Comme on le voit sur la figure 8, un fil élecr que 9 traverse longitudmalement le cylindre, ce fil électrique permettant d'apporter un certain potentiel à l'intérieur du cylindre. Par exemple, on pourrait porter la cathode 5 à un potentiel zéro, l'anode 6 à un potentiel de +1000 volts et le fil électrique 9 à un potentiel de -200 volts.
Chaque ensemble de microcompteurs est donc réalisée au moyen d'une feuille de matériau isolant recouverte sur chacune de ses faces d'un matériau conducteur. Selon les modes de réalisation, l'isolant peut être du verre ou bien du verre photosensible ou encore toute autre matière plastique ayant une rigidité diélectrique suffisante. Pour réaliser, sur une plaque, chacun des microcompteurs, il faut percer la feuille composite (feuille isolante recouverte de part et d'autre d'une couche conductrice) de trous borgnes. Pour cela, différentes techniques connues peuvent être utilisées : - une des méthodes consiste à exécuter des réserves dans la cathode par photogravure, puis à la creuser, par exemple par attaque chimique. La cathode sert alors de masque autosupporté. Le percement de la feuille isolante s'effectue soit par photogravure UV, soit par lithographie profonde X ou encore par attaque chimique, usinage laser, attaque ionique, etc. selon la nature de cette feuille isolante ;
- une autre méthode consiste à percer des trous borgnes directement en utilisant un laser capable de transpercer la cathode et l'isolant sans pour autant transpercer l'anode. Pour cela, l'anode sera choisie plus épaisse que la cathode, ou bien dans un matériau de nature appropriée.
Pour certains modes de réalisation, tels que celui montré sur la figure 5, il faut effectuer un perçage de trous débouchants, c'est-à-dire des trous traversant de part en part la feuille composite. Pour cela, on peut utiliser soit un perçage mécanique, soit un perçage à laser de façon beaucoup plus simple que pour le perçage de trous borgnes.
Ces technologies permettent de réaliser des compteurs pour un coût relativement peu élevé. Ces compteurs peuvent être de grandes dimensions en juxtaposant plusieurs compteurs identiques. Un autre avantage encore de l'invention est que, puisque le compteur est principalement formé de la zone de multiplication, il peut être très mince, c'est-à-dire de l'ordre de quelques dizaines de microns. On peut ainsi obtenir un compteur proportionnel à peine plus épais qu'une feuille de papier. Ceci permet, comme on le comprendra aisément, de construire des détecteurs de formes très variées, par exemple cylindriques, comme montré sur la figure 6. Pour de telles géométries cylindriques, sphériques, etc. la parallaxe créée généralement dans une zone d'absorption est éliminée, ce qui permet d'avoir une zone d'absorption épaisse (de l'ordre de cent millimètres) . En outre, les zones multiplicatrices ont une géométrie telle qu'elle assure l'inexistence de claquage entre les électrodes, même aux extrémités des plaques, puisque les électrodes, cathodes et anodes ne sont pas dans le même plan. De plus, les anodes étant de forme simple et robuste, elles ne sont pas sujettes à une détérioration sous l'effet de claquage éventuel ou du bombardement électronique et ionique qu'elles subissent.
Tous les types de compteurs proportionnels décrits sur les figures 1A à 8 peuvent être utilisés dans des détecteurs à gaz pour déterminer différents types de rayonnements. Par exemple, pour des détecteurs de rayons X utilisés en cristallographie, on peut utiliser des compteurs proportionnels circulaires, linéaires ou sphériques permettant de très forts taux de comptage. Dans ce cas, les compteurs sont placés sur des goniomètres, devant des sources X ou devant des sources de rayonnement synchrotron. Ces détecteurs possédant une bonne résolution en énergie et un gain important, ils permettent d'obtenir une très bonne résolution spatiale tout en simplifiant- la connectique puisque les plans d'anodes ou de cathodes peuvent comporter, par sérigraphie, tous les cheminements électriques nécessaires vers des circuits extérieurs.
Sur la figure 9, on a représenté un spectre montrant la résolution des mesures de l'énergie, pour une énergie de six milles électrons volts, dans un mélange argon/C02 sous pression atmosphérique.
Pour les modes de réalisation décrits précédemment, on obtient une résolution en énergie d'environ 20% qui montre que le compteur fonctionne effectivement en régime proportionnel.
Pour les types de compteurs décrits précédemment, le gain de multiplication obtenu peut se situer aux alentours de 20 000, ce qui assure un traitement tout à fait correct des signaux électriques. Par exemple, pour un compteur dont les cellules de multiplication indépendantes sont séparées d'un pas d'environ 300 μm, la résolution spatiale est de l'ordre de 50 μm. Un tel compteur proportionnel permet avantageusement de supporter des taux de comptage élevés par microcompteur ; ce taux peut être d'environ 100 000 événements par seconde.
De plus, les compteurs selon l'invention pouvant avoir une grande densité de microcompteurs, cela permet de travailler avec des flux très élevés. En outre, pour des compteurs dans lequel chaque microcompteur est indépendant, il est possible d'obtenir un signal encore plus élevé, pour permettre la détection de flux faibles, en faisant fonctionner les compteurs en régime Geiger. Quelques autres avantages de l'invention sont que les détecteurs ainsi construits sont compacts et légers avec des coûts de fabrication relativement faibles par rapport aux détecteurs réalisés selon d'autres technologies, ce qui permet d'accroître considérablement leur champ d'utilisation.

Claims

REVENDICATIONS
1. Détecteur de rayonnements ionisants comportant une enceinte (1) remplie d'un gaz, à l'intérieur de laquelle est disposé un compteur proportionnel (2) délimitant, entre lui-même et une paroi supérieure de l'enceinte, une zone d'absorption
(A) dans laquelle le gaz est ionisé par les rayonnements, caractérisé en ce que le compteur proportionnel comporte au moins une électrode inférieure (β) et au moins une électrode supérieure (5), parallèles l'une à l'autre et séparées par une couche de matériau isolant (7), l'électrode supérieure ainsi que la couche de matériau isolant comprenant au moins une percée (8) dans laquelle règne un champ électrique sensiblement uniforme et qui constitue une zone de multiplication des électrons issus de l'ionisation des rayonnements.
2. Détecteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'électrode inférieure est une anode et l'électrode supérieure est une cathode.
3. Détecteur selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la couche de matériau isolant est rigide .
4. Détecteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la couche de matériau isolant est soit photosensible, soit fortement résistif, soit fluorescent.
5. Détecteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le compteur proportionnel comporte une pluralité d'électrodes supérieures disposées les unes sur les autres, parallèlement à l'électrode inférieure et séparées les unes des autres par une couche de matériau isolant, les percées de chaque électrode supérieure étant alignées avec les percées des couches de matériau juxtaposant ladite électrode supérieure.
6. Détecteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le compteur proportionnel comporte : une pluralité d'électrodes supérieures disposées dans un même premier plan, avec une même première direction et connectées entre elles ; et une pluralité d'électrodes inférieures disposées dans un même second plan, parallèle au premier plan, avec une même seconde direction, et connectées entre elles.
7. Détecteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le compteur proportionnel a une forme globalement cylindrique, les électrodes inférieure et supérieure formant un cylindre ouvert, traversé longitudinalement -par un fil électrique d'amenée de potentiel.
8. Détecteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que l'électrode supérieure et l'électrode inférieure sont indépendantes et reliées chacune à une entrée d'un circuit électronique de traitements.
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