ES2632929T3 - Detector de trazas de partículas ionizantes - Google Patents
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Abstract
Detector (1) de trazas de partículas ionizantes que incluye: - un centellador (2) apto para emitir fotones cuando atraviesa por las partículas ionizantes; - un primer formador de imágenes (5) apto para detectar cada fotón emitido por el centellador, incluyendo el primer formador de imágenes una pluralidad de detectores elementales; - una primera red de microlentes (4), estando dispuesta cada microlente (7) de la primera red de microlentes para formar una imagen de la traza de las partículas ionizantes focalizando los fotones emitidos en el centellador, sobre el primer formador de imágenes, estando espaciados el primer formador de imágenes y la primera red de microlentes una distancia D, estando acoplada ópticamente cada microlente de la primera red de microlentes con al menos dos detectores elementales del primer formador de imágenes, caracterizado por que cada microlente presenta una distancia focal estrictamente inferior a la distancia D entre la primera red de microlentes y el primer formador de imágenes.
Description
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DESCRIPCION
Detector de trazas de particulas ionizantes Campo tecnico
La presente invencion se relaciona con un detector de trazas de particulas ionizantes, estando producidas las trazas por centelleo durante el paso de particulas ionizantes en un centellador.
Estado de la tecnica anterior
Un centellador es un material que emite luz como consecuencia de la absorcion de una radiacion ionizante, tal como un foton o una particula cargada. En efecto, cuando un material es atravesado por una particula cargada, ella misma producida eventualmente por un foton, las moleculas de este material son “excitadas”, es decir que un electron pasa de un nivel energetico a un nivel energetico superior. La desexcitacion de este electron, es decir la vuelta a descender del electron a un nivel menos energetico, se acompana de la emision de un foton que, en este caso, es un foton visible. Cuando una particula (tal como un electron, un alfa o un ion, por ejemplo) se propaga en un material centelleante, se emite luz a lo largo de la trayectoria. La cantidad de luz producida puede estar ligada a la cantidad de energia aportada por la particula que ha interaccionado con el material. La medida de esta cantidad de luz permite, asi, medir la energia depositada en el centellador. Esta ultima aplicacion es la mas frecuente pero estos detectores se utilizan igualmente para localizar interacciones. Esta localizacion puede llevarse a cabo utilizando o bien segmentando el centellador o bien por determinacion del baricentro de la luz emitida, como en las camaras gamma.
Estas camaras gamma se utilizan principalmente para detectar materiales radioactivos, por ejemplo en caso de fuga en una central nuclear, y en el campo medico con el fin de observar los organos de un paciente y las perturbaciones eventuales de estos organos generadas por enfermedades. Para hacer esto, un elemento radioactivo que emite fotones gamma es inyectado en el cuerpo de un paciente. La observacion de los fotones gamma permite conocer la distribucion del elemento radioactivo en el organismo. La camara gamma permite observar estos fotones gamma. Para hacer esto, una camara gamma incluye, generalmente:
- un colimador que permite seleccionar la direccion de los fotones que van a formar la imagen en el plano de deteccion;
- un centellador que permite convertir los fotones gamma en fotones visibles;
- fotomultiplicadores que permiten convertir los fotones visibles en senales electricas.
Los colimadores de la tecnica anterior estan formados, en general, de tubos muy delgados que permiten seleccionar los fotones gamma recibidos por el centellador. Cuanto mas delgados son los tubos del colimador, mejor es la resolucion espacial de la camara gamma, pero es mas pequena la cantidad de fotones recibidos por el centellador. Asi, en las camaras gamma de la tecnica anterior, es necesario inyectar dosis sustanciales de producto radioactivo para obtener imagenes explotables.
Por otro lado, existen tambien en la tecnica anterior detectores de trazas. Los primeros detectores de trazas eran camaras de niebla y camaras de burbujas en las que se tomaban fotografias que hacia falta digitalizar a continuacion sobre tablas de proyeccion. Con la camara de hilos, se hizo posible la digitalizacion directa de los datos. Hoy en dia. los detectores de trazas de tipo camara de deriva se utilizan corrientemente para detectar la traza de particulas cargadas sobre grandes superficies. Estos detectores gaseosos proporcionan una resolucion espacial inferior a 150 gm para un pequeno numero de canales de medida, pero son voluminosos y necesitan envolventes para contener el gas y tuberias para renovar el gas. Los detectores de silicio no tienen estos inconvenientes y permiten conseguir resoluciones de algunas decenas de micras. Sin embargo, los detectores de silicio de pistas, a fortiori de pixeles, necesitan un gran numero de canales de medida, una por pista o por pixel, y el consumo del sistema puede llegar a ser prohibitivo. Por otro lado, estos detectores de silicio son relativamente costosos.
Un detector de trazas de particulas ionizantes se conoce tambien del documento de patente alemana DE 195 05 729 C1. Este documento describe un detector con un centellador y un formador de imagenes de silicio, comprendiendo el detector tambien una red de microlentes unida directamente al centellador o al formador de imagenes.
Exposicion de la invencion
La invencion tiene como objetivo remediar los inconvenientes del estado de la tecnica proponiendo un detector de trazas de particulas en un centellador cuyo consumo electrico y el coste sigan siendo razonables, sin sacrificar la resolucion espacial.
Otro objeto de la invencion es proponer un detector de trazas de particulas que permite realizar una imagen en tres dimensiones de una traza de particula ionizante.
Por fin, otro objeto de la invencion es proponer una camara gamma mucho mas sensible que las de la tecnica
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Para hace esto, la invencion propone utilizar una red de microlentes para realizar una imagen de la traza centelleante. Cada microlente de la red de microlentes proyecta, sobre un formador de imagenes, la imagen de la traza de las particulas ionizantes. Asi, segun la invencion, la informacion sobre la traza en el centellador no se transmite ya de manera electrica sino de manera optica gracias a las microlentes que focalizan los fotones emitidos por la traza centelleante sobre el formador de imagenes.
Con mas precision, la invencion propone, segun un primer aspecto, un detector de trazas de particulas ionizantes que incluye:
- un centellador apto para emitir fotones cuando es atravesado por las particulas ionizantes;
- un primer formador de imagenes apto para detectar cada foton emitido por el centellador;
- una primera red de microlentes, estando dispuesta cada microlente de la primera red de microlentes para formar una imagen de la traza de las particulas ionizantes focalizando los fotones emitidos en el centellador, sobre el primer formador de imagenes.
El hecho de utilizar una red de microlentes permite detectar las particulas ionizantes tambien cuando crean una cantidad pequena de fotones en el centellador. Ademas, gracias a la utilizacion de microlentes, la resolucion espacial del detector esta limitada unicamente por las caracteristicas opticas de las microlentes y por la resolucion espacial del formador de imagenes. Ademas, la utilizacion de una red de microlentes permite tener una profundidad de campo muy buena, de suerte que la imagen puede ser nitida cualquiera que sea la posicion de la zona centelleante, es decir, de la zona del centellador en la cual se emiten los fotones. Ademas, el hecho de utilizar una red de microlentes permite realizar una imagen estereoscopica de la traza creada en el centellador. Esta informacion de tres dimensiones permite utilizar una mascara codificada dispuesta entre la fuente de particulas y el centellador en lugar de colocar un colimador de manera que se aumente la eficacia de deteccion de una camara gamma.
El detector de particulas puede, igualmente, incluir una o varias de las caracteristicas que siguen tomadas individualmente o segun todas las combinaciones tecnicamente posibles:
- el primer formador de imagenes incluye una pluralidad de detectores elementales, estando cada microlente de la primera red de microlentes acoplada a al menos dos detectores elementales del primer formador de imagenes;
- cada microlente de la primera red de microlentes presenta una distancia focal, siendo la distancia D entre la primera red de microlentes y el primer formador de imagenes estrictamente superior a la distancia focal de las microlentes;
- el primer formador de imagenes presenta una resolucion espacial mejor que 1 mm, y ventajosamente mejor que 200 pm, de manera que se pueda localizar con precision una particula ionizante;
- el primer formador de imagenes debe, preferiblemente, ser suficientemente sensible de manera que pueda detectar y localizar cada foton del centellador, es decir, que la senal producida por cada foton debe ser superior al ruido;
- el primer formador de imagenes puede estar formado por un CMOS o por un CCD (dispositivo de carga acoplada);
- el primer formador de imagenes incluye preferiblemente una matriz formada por varios detectores elementales, o pixeles, siendo apto cada detector elemental para crear cargas cuando reciben un foton;
- cada detector elemental presenta preferiblemente dimensiones inferiores o iguales a 1 mm, y de manera mas preferible inferiores o iguales a 200 pm, de manera que forme un formador de imagenes que presenta una resolucion espacial muy buena;
- cada detector elemental es preferiblemente un fotomultiplicador, ventajosamente un fotodiodo de avalancha. Cada fotodiodo de avalancha funciona preferiblemente en modo saturado o modo Geiger, de suerte que cada fotodiodo de avalancha forma un pixel que indica la presencia o la ausencia de foton recibido en la zona del espacio que representa. Un formador de imagenes tal permite tener una resolucion espacial muy buena al tiempo que tiene una sensibilidad muy buena y siendo muy rapido;
- el primer formador de imagenes igualmente incluye, preferiblemente, un sistema de lectura digital apto para identificar que detector elemental ha recibido un foton;
- el detector de trazas de particulas incluye preferiblemente medios de calculo aptos para calcular la posicion tridimensional de la zona centelleante en el centellador a partir de las imagenes del centellador proyectadas sobre el primer formador de imagenes por las microlentes. En efecto, cada microlente proyecta una imagen diferente del centellador sobre el primer formador de imagenes. Comparando las imagenes proyectadas por varias lentes diferentes, se puede pues reconstituir una imagen en tres dimensiones del centellador con una resolucion espacial muy buena;
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- el centellador presenta preferiblemente una forma paralelepipedica que incluye:
o una cara principal de deteccion que se extiende segun un plano de referencia (x,y);
o una cara secundaria de deteccion que se extiende perpendicular al plano de referencia (x,y);
- la primera red de microlentes y el primer formador de imagenes e extienden preferiblemente en paralelo con la cara principal de deteccion, de manera que se tiene una resolucion espacial muy buena en (x,y) cualquiera que sea la profundidad z a la cual se encuentre en el centellador;
- el detector incluye, ademas, preferiblemente:
o un segundo formador de imagenes apto para detectar cada foton proveniente del centellador;
o una segunda red de microlentes, estando dispuesta cada microlente de la segunda red para
formar una imagen de la traza de las particulas focalizando los fotones emitidos en el centellador sobre el segundo formador de imagenes;
- la segunda red de microlentes y el segundo formador de imagenes se extienden preferiblemente en paralelo con la cara secundaria de deteccion del centellador de manera que se aumente la resolucion espacial del detector segun la direccion perpendicular al plano de referencia;
- cada red de microlentes presenta preferiblemente una malla cuadrada;
- cada microlente presenta preferiblemente dimensiones comprendidas entre 0,5 y 5 mm;
- cada microlente presenta preferiblemente una abertura numerica comprendida entre 0,2 y 0,3, de manera que no se limite la cantidad de fotones que seran focalizados en buenas condiciones.
El detector de trazas de particulas ionizantes segun la invencion permite particularmente visualizar trazas de particulas cargadas tales como particulas a, iones, fotones, electrones que resultan eventualmente de una interaccion de fotones energeticos tales como los fotones X o gamma. En efecto, se puede asi realizar por estereoscopia imagenes en tres dimensiones de trazas de particulas ionizantes en el centellador sin tener que recurrir a un gran numero de canales de medida.
Segun un modo de realizacion, el detector de trazas de particulas puede ser una camara gamma. Una camara gamma tal presenta entonces una sensibilidad muy grande, alrededor de 100 veces mejor que las camaras gamma de la tecnica anterior, y una buena resolucion espacial.
En el caso en el que el detector de trazas de particulas es una camara gamma, el detector de trazas de particulas incluye preferiblemente una mascara codificada dispuesta entre la fuente de fotones gamma y el centellador. Es la utilizacion de la red de microlentes la que permite la utilizacion de la mascara codificada a una distancia corta de la fuente (por ejemplo, inferior a 1 m), lo que le permite a ella misma aumentar considerablemente el numero de fotones gamma que llegan sobre el centellador y aumentar asi la sensibilidad de la camara.
Breve descripcion de las figuras
Otras caracteristicas y ventajas de la invencion resultaran de la lectura de la descripcion detallada que sigue, en referencia a las figuras anexas, que ilustran:
- la figura 1, una representacion esquematica de un detector de trazas de particulas segun un primer modo de realizacion de la invencion;
- la figura 2, una representacion esquematica de un detector de trazas de particulas segun un segundo modo de realizacion de la invencion;
- la figura 3, una representacion esquematica de una camara gamma segun un tercer modo de realizacion de la invencion.
Para mayor claridad, los elementos identicos o similares se marcan por signos de referencia identicos en el conjunto de figuras.
Descripcion detallada de al menos un modo de realizacion
La figura 1 representa un detector 1 de trazas de particulas ionizantes segun un primer modo de realizacion de la invencion. En este primer modo de realizacion, el detector 1 es un detector de trazas que permite visualizar la traza centelleante generada por el paso de una particula ionizante en el centellador. Se comprendera aqui por “particula ionizante” una particula cargada como un proton, un ion o un electron resultante eventualmente de la interaccion de un foton energetico como los fotones X o gamma.
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El detector de trazas de particulas ionizantes 1 incluye un centellador 2. El centellador 2 es un medio centelleante, es decir, que esta formado por un material apto para emitir fotones, en general fluorescentes, cuando es atravesado por las particulas ionizantes que se quieren seguir. Asi, de una manera general, una particula ionizante produce al menos una interaccion 14 en el material centellador 2. Esta interaccion libera una gran cantidad de fotones, denominados fotones de centelleo 15, siendo detectados estos ultimos por un formador de imagenes 5 acoplado opticamente con el centellador 2. Una particula ionizante puede interaccionar multiples reprises con el centellador. Aunque estas interacciones se producen sucesivamente en el tiempo, su decalaje temporal es tan pequeno que pueden considerarse como simultaneas. Asi, una particula ionizante detectada por el detector 1 produce al menos una o varias interacciones 14 en el detector. El conjunto de lugares de interaccion en el detector constituye la traza de la particula en el detector. La traza puede ser puntual (un solo punto de interaccion) o tener la forma de una linea recta o de una curva erratica, que une los diferentes puntos de interaccion.
El material escogido para el centellador 2 debe ser el mas centelleante posible, es decir, producir el mayor numero posible de fotones por unidad de energia perdida, es decir, preferiblemente al menos 5 fotones por keV. El material centelleante es preferiblemente muy transparente a la luz que produce y sin envolvente.
Segun diferentes modos de realizacion y en funcion de las particulas que se quiere detectar, pueden escogerse diferentes materiales centelleantes. En efecto, el material centelleante escogido depende del tipo de particula a detectar, de los parametros a medir, de la precision requerida, del flujo de particulas a detectar o, incluso, del entorno.
Segun un modo de realizacion preferido, el material centelleante escogido es un centellador plastico. En efecto, los centelladores plasticos presentan la ventaja de ser no higroscopicos, de suerte que no necesitan envolvente para contenerlos, siendo toda envolvente susceptible de desviar las particulas cargadas. Ademas, los materiales centelleantes plasticos pueden ser realizados en volumenes muy grandes, lo que permite realizar dispositivos de grandes dimensiones. Ademas, los centelladores plasticos son muy transparentes a la luz que producen. Por fin, estos producen del orden de 10 fotones por keV de energia depositada en una traza. Para las camaras gamma, se preferiran cristales centelleantes (materiales inorganicos) como Nal o LaBr3.
El centellador presenta preferiblemente una forma de paralelepipedo, pero son concebibles otras formas como el icosaedro ya que cuantas mas caras haya, menos restricciones habra sobre la abertura numerica de las microlentes. El centellador incluye preferiblemente una cara principal de deteccion 3 que se extiende segun un plano de referencia (x,y) que define las direcciones x e y. La direccion z se define como que es perpendicular al plano de referencia (x,y).
El detector de particulas 1 incluye, igualmente un formador de imagenes 5. El formador de imagenes 5 es apto para detectar cada foton emitido por el centellador 2. Para ello, el formador de imagenes debe presentar una resolucion espacial inferior a 1 mm, ventajosamente inferior a 200 pm. Ademas, para evitar la superposicion de las trazas, el tiempo de lectura del formador de imagenes debe ser muy inferior al tiempo medio entre dos particulas sucesivas. Este tiempo medio depende de las dimensiones del detector y del flujo de particulas. Para un flujo de 100 particulas por segundo, es necesario un tiempo de lectura del orden de milisegundos. Para un flujo 1.000 veces mas elevado, el tiempo de lectura sera del orden de microsegundos. El formador de imagenes 5 incluye preferiblemente una matriz de detectores elementales 6, siendo apto cada detector elemental 6 para emitir una corriente si recibe un foton. Cada detector elemental 6 presenta preferiblemente dimensiones inferiores o iguales a 50 pm. Cada detector elemental forma asi un pixel. Ademas, el formador de imagenes incluye un sistema de lectura digital de los detectores elementales que permite identificar que detector elemental ha recibido un foton.
Cada detector elemental (o pixel) es preferiblemente un fotomultiplicador como, por ejemplo, un fotodiodo de avalancha o fotomultiplicador de silicio SiPM. En este caso, el formador de imagenes 5 esta formado, pues, por una matriz de fotomultiplicadores. En el caso de fotodiodos de avalancha, se aplica a las bornas de cada uno de ellos una tension tal que el fotodiodo de avalancha funciona en modo saturado o modo Geiger. Ademas, cada fotodiodo de avalancha 6 presenta preferiblemente dimensiones inferiores o iguales a 50 pm, de suerte que cada fotodiodo de avalancha forma un pixel. Asi, si uno de los fotodiodos de avalancha recibe un foton, el genera una impulsion que permite identificar el pixel correspondiente en la imagen digital. Asi, el formador de imagenes permite saber en que zona del espacio llega un foton unico con una resolucion espacial muy buena. Ademas, los fotodiodos de avalancha presentan la ventaja de ser muy rapidos, es decir, de tener un tiempo de reaccion del orden de nanosegundos y de consumir muy poca potencia electrica. El formador de imagenes 5 asi formado se extiende segun un plano paralelo al plano de referencia (x, y).
Segun otro modo de realizacion, el formador de imagenes 5 puede tambien estar constituido por un CMOS o un CCD.
El detector de particulas incluye, igualmente, una primera red de microlentes 4, Cada microlente 7 esta dispuesta para focalizar los fotones emitidos en el centellador en el plano del formador de imagenes 5 y esto, con una resolucion espacial muy buena cualquiera que sea la profundidad z a la cual son emitidos estos fotones en el centellador. Se optimiza la resolucion espacial colocando el formador de imagenes en la proximidad del plano focal de las microlentes, estando optimizada la distancia a la posicion focal en funcion de la profundidad del centellador.
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El hecho de colocar el formador de imageries a la distancia focal de las microlentes conduciria a focalizar los fotones visibles cuyo angulo de incidencia sea normal al plano que soporta las microlentes 7. Esto conduce a una puesta a punto denominada “al infinito”, que permite realizar una imagen nitida de las trazas generadas a gran distancia de las microlentes, distancia considerada como infinita con respecto a las dimensiones de las lentes.
No obstante, el objetivo del dispositivo de las figuras 1 a 3 es formar la imagen de los lugares de interacciones 14 en el centellador 2, teniendo este ultimo un espesor e del orden de centimetros, comprendido por ejemplo entre 0,5 y 2 cm, por ejemplo, igual a 1 cm. Dicho de otro modo, cada microlente 7 esta configurada para formar, sobre los fotodetectores elementales 6, una imagen nitida de una interaccion 14 en el centellador 2, produciendo esta interaccion 14 fotones de centelleo 15. Se comprende que esta interaccion 14 se produce a una distancia inferior al espesor e del centellador 2. Es imposible formar una imagen de una fuente situada a una distancia de una lente inferior a la distancia focal f. Tambien, cada microlente 7 tiene, preferiblemente, una distancia focal pequena, inferior a 0,5 cm, y por ejemplo igual a 0,1 cm, de manera que puedan realizar imagenes suficientemente nitidas de interacciones que se produzcan en profundidad en el centellador 2, es decir, en la proximidad de la red de lentes 4.
Por otro lado, se determina una distancia e', con respecto a la microlente 7, a la cual los objetos observados, en este caso, interacciones 14 que generan fotones visibles, deben ser nitidos. En el ejemplo representado en las figuras 1 a 3, las microlentes 7 estando pegadas al centellador 2, la distancia e' es, naturalmente, inferior o igual al espesor e del centellador y superior a la focal de las microlentes.
Conociendo f y e', es posible determinar la distancia D entre el plano de la primera red de microlentes 4 y la matriz de fotodetectores 6, segun la expresion:
Tomando f = 0,1 cm y e' = 1 cm, e' = 0,5 cm, e' = 0,2 cm, se obtienen respectivamente D = 0,11 cm, D = 0,125 cm y D = 0,2 cm, o sea, 2f.
Asi, de una manera general, la distancia D entre la primera red de microlentes 4 y el formador de imagenes 5 es estrictamente superior a la distancia focal de las microlentes. Asi, D > f, y preferiblemente f < D < 2f, en particular 1,1f < D < 2f. Cuanto mas se aleje D de f mas se acerca la zona de nitidez en el centellador 2 a la red de microlentes 6. A la inversa, cuanto mas se acerca D a f, mas se aleja la zona de nitidez en el centellador de la red de microlentes y se acerca a la cara superior 18 del centellador 2, designando esta cara superior la cara del centellador 2 expuesta a la radiacion incidente.
Esta distancia D puede ser adaptada, segun que se desee disponer de una imagen mas nitida de las interacciones 14 producidas en la parte superior del centellador, es decir en la proximidad de la cara superior 18, o en la parte inferior del centellador, es decir en la proximidad de la cara de deteccion 3.
Cada microlente esta acoplada opticamente a una pluralidad de pixeles 6 que constituyen el formador de imagenes matricial 5. Tipicamente, cada lente esta acoplada opticamente a un grupo de n*n pixeles, con n > 1. Preferiblemente, n esta comprendida entre 10 y 100. Hay pues menos microlentes 7 que pixeles 6. Tipicamente, el numero de pixeles 6 es superior a 10 veces, incluso 100 veces, incluso 1.000 veces (o todavia mas) el numero de microlentes 7.
Cuando se produce una interaccion 14 en el centellador 2, se generan los fotones de centelleo 15, y una parte de entre ellos alcanzan un grupo de m microlentes. En el ejemplo de las figuras 1 a 3, se ha representado un grupo de 4*4 microlentes 7 “tocadas” por los fotones de centelleo. Estas microlentes tocadas son las que alcanzan los fotones cuyo angulo de incidencia, con respecto a la normal a la cara 3, es inferior a un angulo limite de refraccion 0lim. Cada microlente 7 esta acoplada a un grupo de pixeles 6 distinto. Tambien, segun esta configuracion, se obtienen 16 imagenes de la interaccion 14, correspondiendo cada imagen a un grupo de pixeles 6, estando asociado cada grupo de pixeles a una microlente distinta.
De una manera general, el dispositivo permite obtener una pluralidad de imagenes de una traza formada por una o varias interacciones 14 en el centellador 2. Hay tantas imagenes como lentes que recogen una cantidad suficiente de fotones de centelleo 15. Dicho de otro modo, con un dispositivo tal, los fotones de centelleo 15 alcanzan m lentes, permitiendo entonces formar m imagenes distintas sobre el formador de imagenes. Esto permite obtener una imagen en 3 dimensiones de la traza en el centellador 2, debido a que se forman varias imagenes correspondientes a la misma traza (estereoscopia). La precision de la localizacion espacial de la traza depende de la distancia de la interaccion al plano de las microlentes e', de la focal de las microlentes 7, de la distancia entre el plano de las microlentes 4 y el plano formador de imagenes 5 y de la dimension de los pixeles 6. Para un sistema optimizado, aquella es tipicamente del orden de la dimension de los pixeles 6.
Cada microlente esta dimensionada de manera que forme una imagen de una traza centelleante generada en el
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centellador con una resolucion espacial R dada segun las direcciones x e y, y esto cualquiera que sea la profundidad z a la cual se forma la traza en el centellador. Para esto, para un centellador de profundidad p (en centimetros), cada microlente de la primera red presenta preferiblemente un diametro del orden de 4-10—2p1/2 y una abertura numerica a, con 0,2 < a < 0,3.
Por otro lado, si la malla de la red es cuadrada, cada microlente presenta preferiblemente una forma cuadrada de manera que se minimicen las zonas no cubiertas por las microlentes.
La primera red de microlentes esta dispuesta, preferiblemente, sobre la cara principal 3 del centellador. La primera red de microlentes recubre preferiblemente el conjunto de la cara principal 3 del centellador.
Las microlentes dan una multitud de puntos de vista sobre las trazas centelleantes generadas en el centellador de suerte que es posible reconstituir una imagen 3D de estas trazas comparando las imagenes formadas por cada una de las microlentes en el plano del formador de imagenes, estando ligado el paso de la red de las imagenes proyectadas a la distancia entre la traza y el plano de las microlentes. En efecto, comparando la diferencia de angulo bajo el cual cada microlente de la primera red de microlentes proyecta la traza, se puede calcular una imagen en tres dimensiones de las trazas generadas (estereoscopia).
El detector de particulas asi formado permite pues tener una resolucion espacial muy buena en x y en y, sobre toda la profundidad del centellador. Sin embargo, un detector tal presenta una resolucion espacial menos buena segun la direccion z que segun las direcciones x e y.
Para mejorar la resolucion espacial del detector segun la direccion z, el detector de particulas puede incluir, igualmente, como se representa en la figura 2, un segundo formador de imagenes 8 dispuesto en paralelo con la direccion z y una segunda red de microlentes 9 dispuesta entre el segundo formador de imagenes 8 y el centellador 2. Cada lente de la segunda red de microlentes 9 esta dispuesta de manera que forma una imagen de las trazas centelleantes en el centellador en el plano del segundo formador de imagenes 8.
Segun un modo de realizacion, el segundo formador de imagenes 8 puede ser identico al primer formador de imagenes, con la excepcion del hecho de que esta dispuesto en paralelo a un plano (y, z) en lugar de estar dispuesto en paralelo a un plano (x, y). Lo mismo, segun un modo de realizacion, la segunda red de microlentes puede ser identica a la primera red de microlentes, con la excepcion del hecho de que esta dispuesta en paralelo a un plano (y, z) en lugar de estar dispuesta en paralelo a un plano (x, y).
Sin embargo, se puede igualmente concebir el dimensionar la segunda red de microlentes y el segundo formador de imagenes de manera diferente de la primera red de microlentes y del primer formador de imagenes de manera que se obtenga una resolucion espacial diferente segun la direccion z que las que se obtienen segun las direcciones x e y.
Con el fin de aumentar aun mas la resolucion espacial y la sensibilidad, si el centellador incluye n caras, el detector puede incluir n redes de microlentes, estando situada cada red de microlentes sobre una de las caras del centellador. En este caso, el detector incluye igualmente tanto formadores de imagenes como redes de microlentes tenga, de manera que cada red de microlentes focaliza los fotones emitidos en el centellador en el plano del formador de imagenes asociado.
La figura 3 representa un detector 1' de particulas segun otro modo de realizacion de la invencion. En este modo de realizacion, el detector de particulas 1' es una camara gamma.
Esta camara gamma incluye, como en los modos de realizacion precedentes:
- un centellador 2;
- una red de microlentes 4;
- un formador de imagenes 5.
El centellador puede, por ejemplo, ser un centellador solido de ioduro de sodio o de bromuro de lantano. El centellador 2 incluye una primera cara principal 3 opuesta a una segunda cara principal 18. La segunda cara principal 18 del centellador esta dispuesta enfrente de la fuente de particulas gamma. La primera cara principal 3 esta recubierta por la red de microlentes 4.
La red de microlentes 4 y el formador de imagenes 5 son identicos a los descritos en los modos de realizacion precedentes.
La utilizacion de una red de microlentes 4 es particularmente ventajosa en el caso de una camara gamma ya que permite la utilizacion de una mascara codificada 9, en particular en una utilizacion medica, en la que la distancia fuente/centellador es del mismo orden de magnitud que la dimension del centellador. En efecto, la informacion de tres dimensiones sola permite la reconstruccion correcta de la imagen de la mascara. La mascara codificada 9 permite aumentar la eficacia de la camara gamma sin degradar la resolucion espacial.
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La mascara codificada 9 esta formada, por ejemplo, por una placa 11 perforada por agujeros 10.
Para mas comodidad en las explicaciones, se introducira la nocion de eficacia sM de la mascara codificada. Esta resulta de tres parametros: la capacidad de la camara gamma para muestrear la imagen proyectada a traves de la mascara se, la absorcion lineal g de la parte absorbente de la mascara y la transmision de los agujeros de la mascara definida por relacion entre el numero de fotones, Nd, que llegan sobre el detector y los, Ni, que llegan sobre los agujeros de la mascara:
donde x es el espesor de la mascara.
El material utilizado para realizar la mascara y su espesor juegan un primer orden sobre esta eficacia.
Dimension de los agujeros de la mascara: RM
La capacidad de formacion de imagenes de un sistema de mascara codificada reposa sobre un muestreo de la imagen proyectada por la mascara. Para una buena eficacia de muestreo, la dimension de la imagen de un agujero de la mascara proyectado sobre el detector debe ser sensiblemente mas grande que la resolucion espacial del detector. En la practica, se utiliza un tamano de imagen de agujero dos a tres veces mas grande que la resolucion del detector (se ~ 0,8-0,9). Asi, para una resolucion de 200 micras al nivel del centellador, convendran imagenes de agujero de 500 micras.
Material
La mascara es preferiblemente absorbente y delgada para evitar un efecto de colimacion que reduciria la eficacia de la mascara. Se escogera pues, preferiblemente, el material cuya absorcion lineal sea la mas elevada. Asi, segun un modo de realizacion preferido, la mascara codificada se realiza en una placa 11 de tungsteno. En efecto, este material ofrece un muy buen comportamiento mecanico y permite un mecanizado muy fino.
Espesor
Si x es el espesor de la placa 11, el angulo limite es 0 = arctg (RM/x). Se puede definir la superficie codificada como la superficie de los agujeros que se proyectan sobre el detector: fc = (RM(ds-dM)/x)2/4, con ds que es la distancia entre la fuente de fotones gamma y el centellador y dM que es la distancia entre la mascara y el centellador; esta debe ser suficiente para que se pueda formar una imagen. El numero de pixeles de la imagen reconstruida es proporcional a esta superficie codificada. Hace falta pues que 0 sea lo mas grande posible, pues RM/x debe ser lo mas grande posible.
Sin embargo, una mascara gruesa ofrece una buena opacidad pero puede reducir la transmision de los agujeros. Cuando la placa 11 es de tungsteno, un espesor e de 5 mm ofrece un buen compromiso porque la mascara codificada absorbe asi % de los fotones de 141 keV y que la transmision no se anulara mas que a 45°.
Distancia mascara-detector-fuente
La distancia entre la fuente 12 y el centellador 2 debe ser lo mas pequena posible para maximizar la eficacia de la mascara codificada. Por otro lado, cuanto mas grande sea la distancia dM mascara-centellador, mejor es la resolucion al nivel de la fuente, pero cuanto mas grande sea la distancia fuente-mascara, mejor es la transmision de los agujeros y mas grande es la superficie codificada. Se puede, pues, optimizar estas distancias en funcion de las cualidades de formacion de imagenes buscadas (campo, resolucion).
Ejemplos de realizacion
La optimizacion de una camara gamma tal debe ser efectuada en funcion de la aplicacion pero, para fijar las ideas, puede ser util dar algunos valores. Considerese una distancia ds de 20 cm entre la fuente de fotones gamma y el centellador y coloquese a mitad de la distancia entre la fuente y el centellador una mascara codificada de tungsteno de 5 mm de espesor perforada con agujeros de 5 mm de lado sobre la mitad de la superficie.
Eficacia:
Alrededor de 15 a 20 % de los fotones que caen sobre la mascara la atraviesan (Ni/Nd ~ 0,15-0,2), la absorcion de la mascara es de 0,75 y la eficacia del muestreo es de alrededor de 0,9. La eficacia de la mascara es, pues, del orden de 10 a 13%. Para comparacion, la eficacia de un colimador de una camara medica clasica no excede el 0,1%. Esta ganancia de mas de dos ordenes de magnitud en la eficacia se traduce en una reduccion del mismo orden de la dosis de producto radioactivo inyectado al paciente.
Resolucion:
La resolucion al nivel de la fuente es de un milimetro o sea 5 a 6 veces mejor que la de una camara medica clasica. Naturalmente, la invencion no esta limitada a los modos de realizacion descritos en referencia a las figuras y pueden
concebirse variantes sin salir del marco de la invencion. Asi, en funcion de las partfculas a detectar, pueden escogerse otros tipos de material centelleante para realizar el centellador. Por otro lado, la eleccion del formador de imagenes depende de la eleccion del centellador y puede, pues, igualmente, variar en funcion de las partfculas a detectar especificamente.
Claims (11)
- 5101520253035REIVINDICACIONES1. Detector (1) de trazas de particulas ionizantes que incluye:- un centellador (2) apto para emitir fotones cuando atraviesa por las particulas ionizantes;- un primer formador de imagenes (5) apto para detectar cada foton emitido por el centellador, incluyendo el primer formador de imagenes una pluralidad de detectores elementales;- una primera red de microlentes (4),estando dispuesta cada microlente (7) de la primera red de microlentes para formar una imagen de la traza de las particulas ionizantes focalizando los fotones emitidos en el centellador, sobre el primer formador de imagenes, estando espaciados el primer formador de imagenes y la primera red de microlentes una distancia D, estando acoplada opticamente cada microlente de la primera red de microlentes con al menos dos detectores elementales del primer formador de imagenes, caracterizado por que cada microlente presenta una distancia focal estrictamente inferior a la distancia D entre la primera red de microlentes y el primer formador de imagenes.
- 2. Detector (1) de trazas segun la reivindicacion 1, en el cual el primer formador de imagenes es un CMOS o un CCD.
- 3. Detector (1) de trazas segun la reivindicacion 1, en el cual el primer formador de imagenes (5) incluye, preferiblemente, una matriz formada por varios detectores elementales (6) siendo apto cada detector elemental (6) para crear una carga cuando recibe un foton, presentando cada detector elemental (6) dimensiones inferiores o iguales a 1 mm, ventajosamente a 200 pm.
- 4. Detector de trazas segun la reivindicacion precedente, en el cual cada detector elemental es un fotomultiplicador, ventajosamente, un fotodiodo de avalancha.
- 5. Detector (1) de centelleo segun una de las reivindicaciones 3 o 4, en el cual el primer formador de imagenes (5) incluye igualmente un sistema de lectura digital apto para identificar que detector elemental ha recibido un foton.
- 6. Detector (1) de trazas segun una de las reivindicaciones precedentes, que incluye, ademas, medios de calculo aptos para calcular la posicion del lugar de emision de cada foton emitido en el centellador a partir de las imagenes proyectadas sobre el primer formador de imagenes por las microlentes.
- 7. Detector de trazas segun una de las reivindicaciones precedentes, que incluye, ademas:- un segundo formador de imagenes (8) apto para detectar cada foton emitido por el centellador;- una segunda red de microlentes (9), estando dispuesta cada microlente de la segunda red para formar una imagen de la traza de las particulas focalizando los fotones emitidos en el centellador sobre el segundo formador de imagenes;extendiendose la segunda red de microlentes y el segundo formador de imagenes perpendicularmente a la primera red de microlentes.
- 8. Detector de trazas segun una de las reivindicaciones precedentes, en el cual cada microlente presenta dimensiones comprendidas entre 0,5 y 5 mm.
- 9. Detector de trazas segun una de las reivindicaciones precedentes, en el cual cada microlente presenta una abertura numerica comprendida entre 0,2 y 0,3.
- 10. Camara gamma (1') que incluye un detector de trazas segun una de las reivindicaciones precedentes.
- 11. Camara gamma segun la reivindicacion precedente, que incluye, ademas, una mascara codificada (9).
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