EP2483909B1 - Radiation detectors and autoradiographic imaging devices comprising such detectors - Google Patents
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Images
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
- H01J47/02—Ionisation chambers
Definitions
- the diffusion space D has a dimension perpendicular to the input and output electrodes 8 of between 2 mm and 3 cm, for example equal to 2 cm.
- the cathode 5 consists of a conductive adhesive, for example a copper adhesive, bonded to one side of a microscope glass slide. Sample S being disposed on the opposite side of the microscope slide.
- a conductive adhesive for example a copper adhesive
- the energy loss of an electron of 100 keV crossing 1 cm of gas is 3.5 keV and that of a 300 keV electron is 1.9 keV. This results in the respective creation of 97 and 52 electron-ion pairs along their path.
- the creation of primary ionization charges along the trajectory can then be used to characterize the trace of the electron in the detector by a trajectory tracking method according to the invention.
- the inner layers of the anode 6 are formed of cross-conducting tracks 18.
- the tracks 18 extend parallel to the first rows of blocks 15.
- the tracks 18 extend parallel to second rows of blocks 15, perpendicular to the first.
- the tiles 15 of a row associated with the X coordinate are located on an inner layer different from that connected to the pavers arranged on a row corresponding to the Y coordinate.
- the tracks 18 are separated from the pavers 15 by an insulator.
- each pixel is connected to its track by a metallized hole made by laser drilling. With the placement of the tracks diagonally to the pixels, the playback pitch of the tracks is thus 282.84 microns. This pixel pitch is one of the best granularities realized to date in view of the surface for this type of gas detector.
- a detector according to the invention may comprise more than two amplifying structures.
Landscapes
- Measurement Of Radiation (AREA)
Description
La présente invention concerne un détecteur de radiations et un dispositif d'imagerie auto radiographique comprenant un tel détecteur.The present invention relates to a radiation detector and an auto radiographic imaging device comprising such a detector.
L'invention concerne plus particulièrement un détecteur de radiation β.The invention more particularly relates to a β radiation detector.
L'intérêt des pharmacologues, médecins ou biologistes pour l'utilisation de l'autoradiographie β est l'obtention, dans un temps relativement court, d'une image précise et bien quantifiée de la répartition de la radioactivité dans un organisme entier pour la biodistribution ou dans un organe pour la réceptologie ou l'hybridation in-situ. L'utilisation d'une large palette de radioéléments émetteurs β permet, aujourd'hui, de réaliser des autoradiographies de quasiment toutes les molécules ou médicaments existants. Les biologistes peuvent également remonter à l'activité volumique en trois dimensions en superposant les différentes images de coupes obtenues.The interest of pharmacologists, physicians or biologists in the use of β-autoradiography is to obtain, in a relatively short time, a precise and well-quantified image of the distribution of radioactivity in an entire organism for biodistribution. or in an organ for receptor or in situ hybridization. The use of a wide range of β-emitting radioelements makes it possible today to perform autoradiographies of virtually all existing molecules or drugs. Biologists can also go back to the volume activity in three dimensions by superimposing the different images of sections obtained.
Il existe dans l'état de la technique des diapositifs de films et d'écrans phosphores permettant de réaliser des études autoradiographiques β.In the state of the art, film slides and phosphor screens are available for performing autoradiographic β studies.
Ces deux techniques sont dites à exposition en aveugle, c'est-à-dire que l'image ne sera obtenue qu'après révélation du support. Cette révélation se fait soit par un laser pour les écrans phosphores soit par un bain chimique pour les films photographiques. Ces techniques présentent l'inconvénient de ne pas permettre de réaliser les études en temps réel.These two techniques are said to blind exposure, that is to say that the image will be obtained after revelation of the support. This revelation is done either by a laser for phosphor screens or by a chemical bath for photographic films. These techniques have the disadvantage of not making it possible to carry out studies in real time.
La demande
- une enceinte contenant un mélange gazeux de Néon et d'isobutane pour générer des électrons sous l'effet de radiations,
- une cathode par laquelle pénètrent les radiations à détecter,
- une anode pour générer des signaux en fonction d'un courant généré par le déplacement de charges au voisinage de cette anode, ces charges correspondent à des électrons dont les radiations sont directement ou indirectement à l'origine,
- des moyens de polarisation générant un champ électrique adapté pour entraîner des électrons dans une direction allant de la cathode vers l'anode,
- une structure amplificatrice, située entre la cathode et l'anode, comprenant un espace d'amplification des électrons entre une électrode d'entrée et une électrode de sortie, les électrodes d'entrée et de sortie étant configurées pour que dans l'espace d'amplification règne un premier champ électrique adapté à ce que des électrons soient générés par avalanche dans l'espace d'amplification, l'espace d'amplification débouchant sur au moins une ouverture de l'électrode de sortie, pour laisser passer au moins une partie des électrons générés par avalanche,
- un espace de dérive situé entre l'électrode de sortie et l'anode, dans lequel règne un deuxième champ électrique adapté à une diffusion, dans des directions perpendiculaires à ce champ, des électrons par diffusion sur les atomes et molécules du milieu contenu dans l'enceinte.
- an enclosure containing a gaseous mixture of neon and isobutane to generate electrons under the effect of radiation,
- a cathode through which the radiation to be detected penetrates,
- an anode for generating signals as a function of a current generated by the displacement of charges in the vicinity of this anode, these charges correspond to electrons whose radiation is directly or indirectly at the origin,
- polarization means generating an electric field adapted to drive electrons in a direction from the cathode to the anode,
- an amplifying structure, located between the cathode and the anode, comprising an electron amplification gap between an input electrode and an output electrode, the input and output electrodes being configured so that in the space of amplification reigns a first electric field adapted so that electrons are generated by avalanche in the amplification space, the amplification space opening on at least one opening of the output electrode, to let through at least one part of the electrons generated by avalanche,
- a drift space located between the output electrode and the anode, in which there is a second electric field suitable for diffusion, in directions perpendicular to this field, of electrons by diffusion on the atoms and molecules of the medium contained in the 'pregnant.
Le détecteur décrit dans
Il existe donc un besoin pour un détecteur de rayonnement β qui ne présente pas les inconvénients de l'art antérieur, en particulier qui permet une détection satisfaisante du rayonnement d'émetteurs de hautes énergies en temps réel.There is therefore a need for a β radiation detector which does not have the drawbacks of the prior art, in particular which allows a satisfactory detection of the radiation of high energy emitters in real time.
On connait, d'après le document
Un but de la présente invention est de proposer un nouveau détecteur de radiations offrant des possibilités d'observation élargies et un dispositif d'imagerie auto radiographique comprenant un tel détecteur.An object of the present invention is to provide a new radiation detector offering expanded viewing possibilities and an auto radiographic imaging device comprising such a detector.
L'invention propose ainsi un détecteur de radiations comprenant:
- une enceinte contenant un milieu adapté pour générer des électrons sous l'effet de radiations,
- une cathode par laquelle pénètrent les radiations à détecter,
- une anode pour générer des signaux en fonction d'un courant généré par le déplacement de charges au voisinage de cette anode, ces charges correspondent à des électrons dont les radiations sont directement ou indirectement à l'origine,
- des moyens de polarisation générant un champ électrique adapté pour entraîner des électrons dans une direction allant de la cathode vers l'anode,
- une structure amplificatrice, située entre la cathode et l'anode, comprenant un espace d'amplification des électrons délimité entre une électrode d'entrée et une électrode de sortie, les électrodes d'entrée et de sortie étant configurées pour que dans l'espace d'amplification règne un premier champ électrique E1 adapté à ce que des électrons soient générés par avalanche dans l'espace d'amplification, l'espace d'amplification débouchant sur au moins une ouverture de l'électrode de sortie, pour laisser passer au moins une partie des électrons générés par avalanche,
- un espace de dérive D situé entre l'électrode de sortie et l'anode, dans lequel règne un deuxième champ électrique E2 adapté à une diffusion, dans des directions perpendiculaires à ce champ E2, des électrons par diffusion sur les atomes et molécules du milieu contenu dans l'enceinte,
- an enclosure containing a medium adapted to generate electrons under the effect of radiation,
- a cathode through which the radiation to be detected penetrates,
- an anode for generating signals as a function of a current generated by the displacement of charges in the vicinity of this anode, these charges correspond to electrons whose radiation is directly or indirectly at the origin,
- polarization means generating an electric field adapted to drive electrons in a direction from the cathode to the anode,
- an amplifying structure, located between the cathode and the anode, comprising an electron amplification gap delimited between an input electrode and an output electrode, the input and output electrodes being configured so that in the space of amplification reigns a first electric field E1 adapted so that electrons are generated by avalanche in the amplification space, the amplification space opening on at least one opening of the output electrode, to let pass to least part of the electrons generated by avalanche,
- a drift space D located between the output electrode and the anode, in which there is a second electric field E2 adapted for diffusion, in directions perpendicular to this field E2, electrons by diffusion on the atoms and molecules of the medium contained in the enclosure,
Avantageusement, l'utilisation d'un mélange gazeux de Néon et de dioxyde de carbone combiné avec un espace d'amplification d'au moins 500 microns permet d'obtenir un détecteur adapté aux émetteurs de haute énergie.Advantageously, the use of a gaseous mixture of neon and carbon dioxide combined with an amplification space of at least 500 microns makes it possible to obtain a detector adapted to high energy emitters.
Un détecteur selon l'invention peut en outre comporter l'une ou plusieurs des caractéristiques optionnelles suivantes, considérées individuellement ou selon toutes les combinaisons possibles :
- l'électrode d'entrée de la structure amplificatrice correspond à la cathode ;
- l'électrode d'entrée est formée d'une face au moins partiellement conductrice d'un échantillon S émetteur de radiations ;
- le milieu adapté pour générer des électrons sous l'effet de radiations comprend un gaz comprenant un mélange Néon et de dioxyde de carbone, le Néon représentant au moins 85% et au plus 95% en volume du mélange ;
- la structure amplificatrice est configurée de sorte qu'entre l'électrode d'entrée et de sortie règne un champ électrique d'au moins 2,5 kV/cm ;
- une deuxième structure amplificatrice, située entre l'espace de dérive et l'anode, comprenant une électrode d'entrée et une seconde électrode, comportant au moins un espace d'amplification des électrons, l'électrode d'entrée et la seconde électrode étant configurées pour que des électrons soient générés par avalanche dans l'espace d'amplification, l'espace de dérive débouchant sur au moins une ouverture de l'électrode d'entrée, la deuxième structure amplificatrice étant configurée de sorte que son gain soit supérieur ou égal à 5000 ;
- la seconde électrode correspond à l'anode ;
- l'espace d'amplification situé entre l'électrode d'entrée et l'électrode de sortie est constitué d'au moins 99% en volume par ledit gaz, par exemple 99.97% ;
- les électrodes d'entrée (8) et de sortie (9) sont constituées de microgrilles ayant une résolution comprise entre 500 et 2000 lpi ; et
- les microgrilles ont un paramètre de maille compris entre 30 et 50 µm.
- the input electrode of the amplifying structure corresponds to the cathode;
- the input electrode is formed of an at least partially conductive face of a radiation emitting sample S;
- the medium adapted to generate electrons under the effect of radiation comprises a gas comprising a Neon mixture and carbon dioxide, the neon representing at least 85% and at most 95% by volume of the mixture;
- the amplifying structure is configured such that between the input and output electrode an electric field of at least 2.5 kV / cm prevails;
- a second amplifying structure, located between the drift space and the anode, comprising an input electrode and a second electrode, having at least one electron amplification gap, the input electrode and the second electrode being configured so that electrons are generated by avalanche in the amplification space, the drift space opening on at least one opening of the input electrode, the second amplifying structure being configured so that its gain is greater or equal to 5000;
- the second electrode corresponds to the anode;
- the amplification gap between the input electrode and the output electrode is at least 99% by volume by said gas, for example 99.97%;
- the input (8) and output (9) electrodes consist of microgrits having a resolution between 500 and 2000 lpi; and
- the microgrids have a mesh parameter of between 30 and 50 μm.
L'invention se rapporte également à un dispositif d'imagerie auto-radiographique comprenant un détecteur et un porte-échantillon, dans lequel la cathode est constituée par un échantillon au moins partiellement conducteur disposé sur le porte échantillon.The invention also relates to a device self-radiographic imaging system comprising a detector and a sample holder, wherein the cathode is constituted by an at least partially conductive sample disposed on the sample holder.
L'invention concerne également une méthode de détermination de la position d'émission des électrons détectés par l'anode d'un détecteur qui comprend les étapes suivantes :
- détermination des coordonnées d'un point A correspondant aux interactions moyennes des électrons dans l'espace de dérive,
- détermination des coordonnées d'un point B correspondant aux interactions moyennes des électrons dans l'espace d'amplification de la structure amplificatrice,
- détermination du point d'émission comme étant le point représentant l'intersection de la droite D passant par les points A et B et le plan d'altitude de référence.
- determination of the coordinates of a point A corresponding to the average interactions of the electrons in the drift space,
- determination of the coordinates of a point B corresponding to the average interactions of the electrons in the amplification space of the amplifying structure,
- determining the point of emission as being the point representing the intersection of line D passing through points A and B and the reference altitude plane.
L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple et faite en se référant aux dessins annexés dans lesquels :
- la
figure 1 est une coupe schématique perpendiculaire à ses faces principales, d'un premier mode de réalisation d'un détecteur selon l'invention ; - la
figure 2 est une coupe schématique, dans un plan analogue à celui de lafigure 1 , d'une partie de l'anode du détecteur représenté sur lafigure 1 ; - la
figure 3 représente schématiquement en perspective les pavés constitutifs de l'anode représentée sur lafigure 2 ; - la
figure 4 représente schématiquement une vue de dessus, l'agencement des pistes croisées de l'anode représentée sur lesfigures 2 ;et 3 - la
figure 5 représente schématiquement le mode de connexion des pavés aux pistes de l'anode représentée sur lesfigures 2, 3 et 4 ; - la
figure 6 représente schématiquement le détail du multiplexage des pistes d'une anode d'un détecteur selon un mode de réalisation de l'invention, - la
figure 7 illustre le principe de reconstruction de la position d'émission avec extrapolation de trajectoire, - la
figure 8 est une coupe schématique, perpendiculaire à ses faces principales, d'un mode de réalisation d'un détecteur selon l'invention.
- the
figure 1 is a schematic section perpendicular to its main faces, a first embodiment of a detector according to the invention; - the
figure 2 is a schematic section, in a plane similar to that of thefigure 1 of a part of the anode of the detector represented on thefigure 1 ; - the
figure 3 schematically represents in perspective the constituent blocks of the anode shown in FIG.figure 2 ; - the
figure 4 schematically represents a view of above, the arrangement of the crossed tracks of the anode shown on theFigures 2 and 3 ; - the
figure 5 schematically represents the connection mode of the blocks to the tracks of the anode shown on theFigures 2, 3 and4 ; - the
figure 6 schematically represents the detail of the multiplexing of the tracks of an anode of a detector according to one embodiment of the invention, - the
figure 7 illustrates the principle of reconstruction of the emission position with trajectory extrapolation, - the
figure 8 is a schematic section, perpendicular to its main faces, of an embodiment of a detector according to the invention.
Pour des raisons de clarté, les différents éléments représentés sur les figures ne sont pas nécessairement à l'échelle.For the sake of clarity, the different elements shown in the figures are not necessarily to scale.
On entend par « émetteurs à haute énergie » au sens de l'invention un émetteur de radiation β dont l'énergie moyenne est supérieure ou égale à 100 keV.The term "high energy emitters" in the sense of the invention means a β radiation emitter whose average energy is greater than or equal to 100 keV.
Selon le premier mode de réalisation, représenté sur la
Ce mélange gazeux comprend au moins 50% d'un gaz rare et au moins 5 à 15% de dioxyde de carbone. Les molécules de dioxyde de carbone sont destinées à contrôler le processus d'amplification par avalanche.This gaseous mixture comprises at least 50% of a rare gas and at least 5 to 15% of carbon dioxide. The carbon dioxide molecules are intended for control the avalanche amplification process.
Selon un mode de réalisation de l'invention, le mélange gazeux est choisit de manière à être ininflammable. Avantageusement, la manipulation du détecteur selon l'invention s'en trouve simplifié.According to one embodiment of the invention, the gaseous mixture is chosen so as to be non-flammable. Advantageously, the manipulation of the detector according to the invention is simplified.
Dans le cas particulier de la détection des particules β, ce mélange gazeux est avantageusement à une pression comprise entre 0,5 et 2 bars, par exemple entre 0,9 et 1,1 bars, et comporte un gaz rare dont la densité électronique moyenne est proche de 10 électrons par atome, comme par exemple du néon.In the particular case of the detection of β particles, this gaseous mixture is advantageously at a pressure of between 0.5 and 2 bar, for example between 0.9 and 1.1 bar, and comprises a rare gas whose average electron density is close to 10 electrons per atom, such as neon.
L'enceinte 2 renferme une cathode 5, une anode 6 et une structure amplificatrice 7.The
Dans le mode de réalisation représenté à la
L'anode 6 est située à proximité de la face 2b de l'enceinte 2 opposée à celle 2a à proximité de laquelle se trouve l'échantillon S.The
La structure amplificatrice 7 est située entre la cathode 5 et l'anode 6. L'espace de l'enceinte 2 situé entre la cathode 5 et la structure amplificatrice 6 constitue un espace de conversion C. Les radiations ionisantes émises par l'échantillon S pénètrent dans l'espace de conversion C par la cathode 5.The amplifying
L'espace de l'enceinte 2 situé entre la structure amplificatrice 7 et l'anode 6 constitue un espace de diffusion D.The space of the
La structure amplificatrice 7 comporte une électrode d'entrée 8 et une électrode de sortie 9 sensiblement parallèles à la cathode 5 et l'anode 6 et délimitant un espace d'amplification A.The amplifying
Selon un mode de réalisation de l'invention, l'espace d'amplification situé entre l'électrode d'entrée et l'électrode de sortie est constitué d'au moins 99% en volume par ledit gaz, par exemple 99.97%.According to one embodiment of the invention, the amplification gap between the input electrode and the output electrode is at least 99% by volume by said gas, for example 99.97%.
Le document
De tels détecteurs de radiation ne peuvent en aucun cas être utilisés pour générer des électrons par un autre principe que celui des avalanches. Ce faisant, ils ne peuvent être utilisés par exemple pour générer les électrons issus de l'interaction de la particule ionisante avec le gaz comme selon la présente invention.Such radiation detectors can in no way be used to generate electrons by another principle than that of avalanches. In doing so, they can not be used for example to generate the electrons resulting from the interaction of the ionizing particle with the gas as according to the present invention.
Des moyens de polarisation 10 sont reliés à la cathode 5, à l'anode 6 et aux électrodes d'entrée 8 et de sortie 9. Ils permettent de porter la cathode 5 à un potentiel V1, l'anode 6 à un potentiel V2, l'électrode d'entrée 8 à un potentiel V3 et l'électrode de sortie 9 à un potentiel V4.Polarization means 10 are connected to the
Selon un mode de réalisation de l'invention, ces potentiels vérifient V2 > V4 > V3 > V1.According to one embodiment of the invention, these potentials satisfy V2> V4> V3> V1.
Dans un mode de réalisation de l'invention, les électrodes d'entrée 8 et de sortie 9 sont espacées d'une distance e supérieure ou égale à 500 µm et inférieure ou égale à 1.5 mm.In one embodiment of the invention, the input and
L'espace de diffusion D a une dimension perpendiculaire aux électrodes d'entrée 8 et de sortie 9 comprise entre 2 mm et 3 cm, par exemple égale à 2 cm.The diffusion space D has a dimension perpendicular to the input and
Selon un mode de réalisation de l'invention, l'anode 6 est reliée à la masse. La cathode 5, l'électrode d'entrée 8 et l'électrode de sortie 9 sont portées à des potentiels négatifs.According to one embodiment of the invention, the
Les moyens de polarisation 10 permettent ainsi de créer des champs électriques E1, E2, E3 respectivement dans l'espace de conversion C dans l'espace d'amplification A et dans l'espace de diffusion D. Les moyens de polarisation 10 entraînent les électrons de la cathode 5 vers l'anode 6.The polarization means 10 thus make it possible to create electric fields E1, E2, E3 respectively in the conversion space C in the amplification space A and in the diffusion space D. The polarization means 10 drive the electrons from the
Selon un mode de réalisation, l'électrode d'entrée 8 de la structure amplificatrice 7 est confondue avec la cathode 5. L'électrode d'entrée 8 est formée d'une face au moins partiellement conductrice de l'échantillon S.According to one embodiment, the
Selon un mode de réalisation, la cathode 5 peut être constituée d'une plaque mince électriquement conductrice d'une épaisseur sensiblement égale à 5 µm.According to one embodiment, the
Selon un mode de réalisation de l'invention, la cathode 5 est constituée d'un adhésif conducteur, par exemple un adhésif en cuivre, collé sur une face d'une lame de verre pour microscope. L'échantillon S étant disposé sur la face opposée de la lame de microscope.According to one embodiment of the invention, the
Les électrodes d'entrée 8 et de sortie 9 peuvent être constituées de microgrilles de type MICROMEGAS.The
Avantageusement, les microgrilles présentent une épaisseur inférieure ou égale à 10 µm, par exemple égale à 5 µm permettant des transitions de champs électriques très rapides.Advantageously, the microgrids have a thickness less than or equal to 10 microns, for example equal to 5 microns allowing very fast electric field transitions.
Il existe principalement deux types de microgrilles : les microgrilles électroformées et les microgrilles gravées par procédé chimique.There are two main types of microgrids: electroformed microgrids and chemically etched microgrits.
Les microgrilles électroformées sont à l'origine utilisées comme filtres de haute précision mais leurs bonnes caractéristiques, en particulier leurs motifs fins, réguliers et de faible épaisseur, en font des candidates très intéressantes pour une utilisation dans les détecteurs selon l'invention. Elles sont généralement en nickel d'une épaisseur voisine de 5 µm et possèdent des trous carrés de 39 µm de côté séparés par des barreaux de 11 µm qui leur confèrent un pas de 51 µm pour une grille de 500 lpi (Line per Inch). Il existe cependant toutes sortes de géométries et de tailles allant de 100 à 2 000 lpi avec des tailles allant de 7 à 11 pouces. Le procédé d'électroformage ne permet cependant pas de contrôler précisément l'épaisseur de la microgrille en particulier sur les bords où elle peut varier du simple au double. Cependant, pour le centre de la microgrille, l'épaisseur est bien maîtrisée.Electroformed microgrids are originally used as high precision filters but their good characteristics, in particular their thin, regular and thin patterns, make them very attractive candidates for use in detectors according to the invention. They are usually in nickel with a thickness of about 5 microns and have square holes of 39 microns apart separated by bars of 11 microns which give them a pitch of 51 microns for a grid of 500 lpi (Line per Inch). However, there are all kinds of geometries and sizes ranging from 100 to 2000 lpi with sizes ranging from 7 to 11 inches. The electroforming method, however, does not allow precise control of the thickness of the microgrid, in particular on the edges where it can vary from single to double. However, for the center of the microgrid, the thickness is well controlled.
Les microgrilles gravées par procédé chimique ont une surface de 25x25 cm2 et une épaisseur de 5 µm, elles possèdent des trous circulaires de 30 µm de diamètre disposés en mailles triangulaires équilatérales au pas de 60 µm. Le procédé de fabrication autorise l'incorporation directe de l'espaceur isolant à la grille sous la forme de plots en Kapton™ de 80 µm de diamètre disposés tous les 3 mm. Du fait de leur faible surface, ils permettent de réduire drastiquement la zone morte entre la grille et le support à environ 0,05 % de la surface de la grille. L'avantage de ce procédé de gravure chimique est la maîtrise de l'épaisseur de la grille sur toute sa surface contrairement aux grilles électroformées.The microgrits etched by a chemical process have a surface of 25x25 cm 2 and a thickness of 5 μm, they have
Selon un mode de réalisation, les électrodes d'entrée 8 et de sortie 9 sont respectivement chacune constituées d'une plaque mince électriquement conductrice, de faible épaisseur et percée d'ouvertures de faibles tailles. A titre d'exemple, les ouvertures ont une forme de carré de 35 µm de côté espacées les unes des autres avec un pas de 50 µm qui correspond sensiblement à un nombre d'ouverture par pouce linéaire de 500 lpi. On peut aussi utiliser les électrodes d'entrée 8 et de sortie 9 de 2 500 lpi ce qui correspond sensiblement à des ouvertures de 8 µm espacées de 10 µm. De telles électrodes d'entrée 8 et de sortie 9 forment chacune une grille, qui compte-tenu de la faible taille des ouvertures, peut être désignée « microgrille ». De telles microgrilles ont été décrites par exemple dans le document
La distance e séparant les électrodes d'entrée 8 et de sortie 9 est supérieure ou égale à 500 µm et inférieure ou égale à 1,5 mm.The distance e separating the
En effet, les contraintes associées aux électrons de haute énergie sont différentes de celles associées aux électrons de basse énergie. Les électrons de haute énergie parcourent des distances beaucoup plus importantes dans le gaz. Leur parcours pratique Rp est relativement important puisqu'il est de l'ordre de 20 cm. Un électron de 300 keV parcourra près d'un mètre dans du gaz avant d'être arrêté.Indeed, the constraints associated with high energy electrons are different from those associated with low energy electrons. High energy electrons travel much larger distances in the gas. Their practical path R p is relatively important since it is of the order of 20 cm. An electron of 300 keV will travel nearly a meter in gas before being shut down.
Les inventeurs ont mesuré l'altitude de la première interaction et l'énergie déposée lors de la première interaction avec le gaz pour du 46SC (Emax = 356 keV) et du 32P (Emax = 1710 keV) . L'émission est supposée isotrope dans l'espace. La première interaction engendre un dépôt d'énergie moyen de 49,83 eV pour le phosphore et de 61,93 eV pour le scandium à une altitude respective de 589 et 157 µm. Ces interactions ont lieu à des distances importantes du point d'émission ce qui se traduit par la création de peu de paires électron-ion dans l'espace d'amplification 7 au contact de la source S.The inventors measured the altitude of the first interaction and the energy deposited during the first interaction with the gas for 46 SC (E max = 356 keV) and 32 P (E max = 1710 keV). The emission is supposed to be isotropic in space. The first interaction generates an average energy deposit of 49.83 eV for phosphorus and 61.93 eV for scandium at a respective altitude of 589 and 157 μm. These interactions take place at significant distances from the emission point which results in the creation of few electron-ion pairs in the
Pour gagner en efficacité et en statistique de création de paires, les inventeurs proposent d'utiliser un espace d'amplification relativement important.To gain efficiency and statistics of pair creation, the inventors propose using a relatively large amplification space.
La perte d'énergie d'un électron de 100 keV traversant 1 cm de gaz est de 3,5 keV et celle d'un électron de 300 keV est de 1,9 keV. Cela se traduit par la création respective de 97 et 52 paires électron-ion le long de leur parcours. La création de charges d'ionisation primaire le long de la trajectoire peut alors être mise à profit pour caractériser la trace de l'électron dans le détecteur par une méthode de suivi de la trajectoire selon l'invention.The energy loss of an electron of 100 keV crossing 1 cm of gas is 3.5 keV and that of a 300 keV electron is 1.9 keV. This results in the respective creation of 97 and 52 electron-ion pairs along their path. The creation of primary ionization charges along the trajectory can then be used to characterize the trace of the electron in the detector by a trajectory tracking method according to the invention.
Les potentiels V3 et V4 des électrodes d'entrée 8 et de sortie 9 sont choisis de manière à ce que dans l'espace d'amplification A règne un champ électrique E2 adapté à ce que des électrons soient générés par avalanche dans l'espace d'amplification A.The potentials V3 and V4 of the input and
Le phénomène d'avalanche électronique se produit lorsque des électrons arrivent dans une zone de fort champ électrique typiquement de quelques dizaines de kV/cm. L'énergie qu'ils vont acquérir entre deux collisions va devenir suffisamment importante pour qu'ils produisent à leur tour des interactions ionisantes. Les électrons d'ionisation ainsi créés vont alors être accélérés et donner lieu à d'autres ionisations.The phenomenon of electronic avalanche occurs when electrons arrive in an area of strong electric field typically of a few tens of kV / cm. The energy they will acquire between two collisions will become important enough that they in turn produce ionizing interactions. The ionization electrons thus created will then be accelerated and give rise to other ionizations.
Dans le cas de microgrilles de type MICROMEGAS, il est possible de considérer que les lignes de champ sont parallèles. Par conséquent, l'augmentation du nombre d'électrons dn après un parcours dx se traduit par :
- n : nombre d'électrons à une position donnée,
- αT : premier coefficient de Townsend défini comme étant la probabilité de faire une interaction ionisante par unité de longueur : αT = 1/λ,
- λ : libre parcours moyen (distance moyenne que doit parcourir un électron avant de faire une interaction ionisante).
- n 0 : nombre initial d'électrons créés par l'ionisation,
- x : distance parcourue.
- n : number of electrons at a given position,
- α T : Townsend's first coefficient defined as the probability of doing an ionizing interaction per unit length: α T = 1 / λ,
- λ : average free path (average distance traveled by an electron before making an ionizing interaction).
- n 0 : initial number of electrons created by the ionization,
- x : distance traveled.
Comme représenté sur la
Comme représenté sur la
Comme représenté sur la
Les pistes 18 sont séparées les unes des autres d'une distance la plus faible possible tout en conservant une parfaite isolation entre elles. Le fait de disposer les pistes en couches superposées isolées les unes des autres permet de gagner en intégration tout en conservant la qualité d'isolation requise.The
Les pavés 15, grâce aux pistes 18, sont reliés à des amplificateurs rapides 20 eux-mêmes reliés, via des voies électroniques de lecture, à des moyens électroniques de traitement 21 (voir
Pour limiter le nombre de voies électroniques de lecture, et par conséquent le coût du détecteur 1, plusieurs pavés 15 appartenant à une même rangée peuvent être reliés à une même piste 18. Le nombre de pavés 15 séparant deux pavés connectés entre eux dépend de leur taille et de la technologie utilisée pour les réaliser.To limit the number of electronic reading channels, and therefore the cost of the
A titre d'exemple, ainsi que représenté sur la
Selon un mode de réalisation, l'anode 9 peut être divisée en 32 400 pixels élémentaires de 170x170 µm2 réalisés par découpe laser dans un plan de cuivre. Cette technologie permet de réduire la distance isolante interpiste à 30 µm contrairement à la gravure chimique dont la distance isolante minimale est de 75 µm. Le pas des pixels est ainsi de 200 µm dans les deux directions X et Y. Les pistes de lecture auxquelles sont reliés les pixels sont sur deux plans différents. Le plancher comporte 128 pistes en X et 128 pistes en Y. Elles sont placées diagonalement par rapport aux pixels comme le montre la
La planéité de l'anode est assurée par un collage sur un plan de référence en aluminium de 8 mm d'épaisseur.The flatness of the anode is ensured by gluing on an 8 mm thick aluminum reference plane.
En référence à la
Une partie de ce nuage d'électrons 23 traverse ensuite l'électrode de sortie 9 et pénètre dans l'espace de diffusion D. Le champ électrique E3 régnant dans l'espace de diffusion D est modéré, par exemple inférieur ou égal à 10 kV/cm et propice à un étalement latéral du nuage d'électrons 23 par diffusion des électrons qui le constitue sur les atomes et molécules du gaz.Part of this cloud of
Le suivi d'une particule β consiste, à partir du parcours de l'électron dans le gaz, à remonter par une reconstitution géométrique au point d'émission dans l'échantillon S. Cette méthode de suivi suppose que la trajectoire des électrons de haute énergie s'effectue en ligne droite sans déviation d'angle importante et que les coordonnées de la droite extrapolant le parcours de l'électron puisse être déterminé à partir de deux points caractéristiques de la trajectoire mesurée. Le premier point se situant dans l'espace d'amplification A et le second dans l'espace de diffusion D.The tracking of a particle β consists, starting from the path of the electron in the gas, to go up by a geometric reconstruction at the emission point in the sample S. This tracking method assumes that the trajectory of the electrons of high energy is made in a straight line without significant angle deviation and that the coordinates of the line extrapolating the path of the electron can be determined from two points characteristic of the measured trajectory. The first point lying in the amplification space A and the second in the diffusion space D.
Comme explicité ci-dessus, la perte d'énergie d'un électron de 100 keV traversant 1 cm de gaz est d'environ 3,5 keV. Cette perte d'énergie est négligeable devant l'énergie incidente de la particule β. De ce fait, il peut être considéré que la particule ne sera pas ou très peu déviée en traversant 1 cm de gaz et que sa trajectoire sera une ligne droite.As explained above, the energy loss of an electron of 100 keV crossing 1 cm of gas is about 3.5 keV. This loss of energy is negligible compared to the incident energy of the β particle. Therefore, it can be considered that the particle will not be or very little deflected through 1 cm of gas and that its trajectory will be a straight line.
Comme expliqué précédemment, un électron qui arrive sur l'anode aura traversé l'espace d'amplification A et l'espace de diffusion D. Les deux espaces différents traversés par l'électron permettent de remonter aux deux points caractéristiques de la droite constituant la trajectoire de l'électron.As explained previously, an electron that arrives on the anode will have crossed the amplification space A and the diffusion space D. The two different spaces crossed by the electron make it possible to go up to the two characteristic points of the straight line constituting the trajectory of the electron.
Le premier point correspondant au point moyen des interactions dans l'espace d'amplification Λ, est déterminé à partir des interactions de l'électron dans l'espace d'amplification A. La faible perte d'énergie associée à la petite épaisseur de gaz traversé permet de déterminer la position moyenne dans cet espace en utilisant une méthode dite du barycentre.The first point corresponding to the mean point of the interactions in the amplification space Λ, is determined from the interactions of the electron in the amplification space A. The low energy loss associated with the small thickness of gas traversed makes it possible to determine the average position in this space using a so-called barycenter method.
Le second point de la droite extrapolant le parcours de l'électron, est déterminé à partir des interactions de l'électron dans l'espace de diffusion D. Le fait que la particule dépose son énergie de manière quasi continue dans le milieu qu'elle traverse, permet de considérer que l'altitude moyenne des interactions se situe au milieu de la hauteur de l'espace de diffusion.The second point of the line extrapolating the path of the electron is determined from the interactions of the electron in the diffusion space D. The fact that the particle deposits its energy almost continuously in the medium it through, allows to consider that the average altitude of the interactions is in the middle of the height of the space of diffusion.
Cela permet alors de déterminer le second point caractéristique de la droite.This then makes it possible to determine the second characteristic point of the line.
La
La moyenne de la distribution spatiale de la charge dans l'espace de diffusion D nous donne le point A correspondant à l'altitude moyenne des interactions dans cet espace de diffusion D. La même méthode appliquée pour l'espace d'amplification A nous conduit au point B. La méthode de reconstruction par extrapolation géométrique consiste alors à assimiler la trajectoire de la particule β à une droite TD passant par ces deux points. La position d'émission extrapolée est alors donnée comme le point représentant l'intersection de cette droite avec la droite correspondant à une altitude nulle. De la même manière on peut évaluer la position d'émission dans la direction Y.The average of the spatial distribution of the charge in the diffusion space D gives us the point A corresponding to the average altitude of the interactions in this diffusion space D. The same method applied for the amplification space A leads us in point B. The geometric extrapolation reconstruction method then consists of assimilating the trajectory of the β particle to a line TD passing through these two points. The extrapolated emission position is then given as the point representing the intersection of this line with the line corresponding to a zero altitude. In the same way it is possible to evaluate the emission position in the Y direction.
Nous obtenons alors :
- avec (Xem, Yem, 0) les coordonnées du point d'émission, et (XmA, YmA, ZcA) les coordonnées du point correspondant à la moyenne de la distribution spatiale de charge dans l'espace d'amplification A,
- (XmD, YmD, ZcD) les coordonnées du point correspondant à la moyenne de la distribution spatiale de charge dans l'espace de diffusion D,
- ZcA -123µm,
- ZcD =5 500µm
- with (X em , Y em , 0) the coordinates of the point of emission, and (X mA , Y mA , Z cA ) the coordinates of the point corresponding to the mean of the spatial distribution of charge in the amplification space AT,
- (X MD , Y MD , Z CD ) the coordinates of the point corresponding to the mean of the spatial distribution of charge in the diffusion space D,
- Z cA -123 μm ,
- Z cD = 5,500 μm
Ces coefficients sont définis en fonction de l'émetteur en particulier pour la composante de l'espace d'amplification, et de la géométrie.These coefficients are defined according to the emitter in particular for the component of the amplification space, and the geometry.
Selon un mode de réalisation représenté à la
La distance e2 séparant les électrodes d'entrée 31 et de sortie 32 de la deuxième structure amplificatrice 30 est supérieure ou égale à 100 µm et inférieure ou égale à 200 µm par exemple égale à 125 µm.The distance e2 separating the input and
Le signal issu de l'ionisation primaire dans l'espace de diffusion doit être suffisamment amplifié pour être extrait du bruit électronique. Les inventeurs ont observé qu'il est avantageux d'avoir un gain de la deuxième structure amplificatrice au moins égal à 4 400 de préférence au moins égal à 5 000, pour pouvoir extraire le signal dû aux ionisations dans l'espace de diffusion quelque soit la direction de la particule incidente et quelque soit le plan de projection considéré pour un électron de 100 keV. De la même manière, les inventeurs ont observé que dans le cas d'une particule β, partant avec une énergie de 300 keV, le gain minimum à appliquer dans la deuxième structure amplificatrice pour ne pas privilégier les directions par rapport aux autres est de 8 000, de préférence de 9 500. A titre d'exemple, les inventeurs ont considéré un électron de 100 keV traversant l'espace de diffusion avec un angle de 45° suivant la direction X. En supposant sa trajectoire rectiligne, l'électron traverse alors 5,7 mm le long de l'axe de lecture X ce qui correspond à une perte d'énergie de 2 keV. Cela engendre la création de 55 paires d'électro-ions. En supposant un pas de lecture du plancher de 282,84 micromètres, le signal s'étale alors sur 20 pistes en supposant une transparence parfaite des microgrilles, la charge récoltée par piste et le gain minimum à appliquer dans ce cas sont donnés par :
Le facteur 2 provient du fait que le nuage électronique s'étale sur un plancher de pixels multiplexés. Ainsi la moitié de la charge est récoltée par les pistes de lecture en X et l'autre moitié par les pistes de lecture en Y.The
Pour un seuil par piste de 6 000 électrons, cela entraîne un gain minimum de 4 400 dans l'espace d'amplification au contact de l'anode pour extraire le signal du bruit électronique. Dans le cas d'un électron de 300 keV le gain minimum sera de 8 000 et dans selon d'un électron de 1 MeV, le gain minimum sera de 32 000.For a threshold per track of 6,000 electrons, this results in a gain of at least 4,400 in the amplification space in contact with the anode to extract the signal from the electronic noise. In the case of an electron of 300 keV the minimum gain will be 8000 and in according to an electron of 1 MeV, the minimum gain will be 32 000.
L'invention ne se limite pas aux modes de réalisations décrits et ne sera pas interprétée de façon limitative, et englobe tout mode de réalisation équivalent. En particulier un détecteur selon l'invention peut comprendre plus de deux structures amplificatrices.The invention is not limited to the embodiments described and will not be interpreted in a limiting manner, and encompasses any equivalent embodiment. In particular a detector according to the invention may comprise more than two amplifying structures.
Claims (11)
- Radiation detector comprising:- a chamber (2) containing an environment adapted for generating electrons under the effect of radiations,- a cathode (5) by which radiations to be detected enter,- an anode (6) for generating signals according to a current generated by the movement of charges near this anode (6), these charges correspond to electrons from which the radiations directly or indirectly originate,- polarisation means (10) generating an electrical field adapted for leading electrons in a direction going from the cathode (5) to the anode (6),- an amplifying structure (7), situated between the cathode (5) and the anode (6), comprising a space for amplifying (A) electrons, delimited between an input electrode (8) and an output electrode (9), the input electrodes (8) and output electrodes (9) being configured such that in the amplification space, a first electrical field (E2) prevails, adapted such that electrons are generated by flooding into the amplification space, the amplification space leading to at least one opening (12) of the output electrode (9), to let at least some of the electrons generated by flooding pass,- a diffusion space (D) situated between the output electrode (9) and the anode (6), wherein a second electrical field (E3) prevails, adapted to a diffusion, in directions perpendicular to this field (E3), of electrons by diffusion on atoms and molecules of the environment contained in the chamber (2),the environment adapted for generating electrons under the effect of radiations comprising a gas, comprising a mixture of at least 50% of a rare gas and of carbon dioxide, the amplification space being constituted of at least 90% by volume by said gas, characterised in that the distance (e) separating the input electrodes (8) and output electrodes (9) is greater than 500µm and less than or equal to 1.5mm.
- Detector according to claim 1, wherein the input electrode of the amplifying structure (7) corresponds to the cathode (5).
- Detector according to one of claims 1 or 2, wherein the input electrode (8) is formed of a face, at least partially conductive, of a radiation-emitting sample (S).
- Detector according to one of the preceding claims, wherein the environment adapted for generating electrons under the effect of radiations comprises a gas, comprising a Neon and carbon dioxide mixture, the Neon representing at least 85% and at the most, 95% by volume of the mixture.
- Detector according to one of the preceding claims, wherein the amplifying structure is configured such that between the input electrode and output electrode, an electrical field of at least 2.5kV/cm prevails.
- Detector according to one of the preceding claims, further comprising a second amplifying structure (30), situated between the diffusion space (D) and the anode (6), comprising a second input electrode (31) and a second output electrode (32), comprising at least one space for amplifying (A2) electrons, the second input electrode (31) and the second output electrode (32) being configured such that electrons are generated by flooding in the amplification space (A2), the diffusion space (D) leading to at least one opening of the input electrode (31), the second amplifying structure being configured such that the gain thereof is greater than or equal to 5000.
- Detector according to claim 6, wherein the second output electrode (32) corresponds to the anode (6).
- Detector according to one of the preceding claims, wherein the input electrodes (8) and output electrodes (9) are constituted of microgrids having a resolution of between 500 and 2000 lpi (between 19.7 lines per mm and 78.7 lines per mm).
- Detector according to claim 8, wherein the microgrids have a mesh parameter of between 30 and 50µm.
- Autoradiographic imaging device comprising a detector according to one of the preceding claims and a sample holder, wherein the cathode is constituted by a sample, at least partially conductive, disposed on the sample holder.
- Method for determining the position for emitting electrons detected by the anode of a detector according to any one of claims 1 to 9, comprising the following steps:- determining the coordinates of a point A corresponding to the average interactions of the electrons in the diffusion space (D),- determining the coordinates of a point B corresponding to the average interactions of the electrons in the amplification space (A) of the amplifying structure (7),- determining the emission point as being the point representing the intersection of the straight line (TC) passing through the points A and B and the reference altitude plane.
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