FR2638536A1 - Procede et dispositif de localisation de particules neutres pour faibles taux de comptage - Google Patents

Abstract

L'invention concerne notamment un détecteur permettant la localisation de particules dans un flux de particules neutres. Ce détecteur comprend essentiellement un convertisseur plan solide 5, un réseau de fils d'amplification de charges 6 utilisant l'ionisation stimulée d'un gaz, et une cathode 7. L'ionisation est stimulée jusqu'à l'apparition de traînées auto-régulées d'électrons (streamer mode). Application à l'imagerie.

Description

PROCEDE ET DISPOSITIF DE LOCALISATION DE
PARTICULES NEUTRES POUR FAIBLES TAUX DE COMPTAGE.

La présente invention concerne notamment un dispositif pour la détection et la localisation de particules dans un flux de particules neutres émises par une source, comprenant: - un convertisseur solide sensiblement plan, propre, sous l'impact de ces particules neutres, à produire des charges électriques; - une cathode sensiblement plane; - des fils anodiques, destinés a etre portés a un potentiel électrique différent de celui de la cathode pour faire appaître un champ électrique, et å produire une amplification des charges par ionisation d'un gaz environnant, stimulée par ce champ électrique; - des moyens de collectage de charges, comprenant des éléments conducteurs électriquement isolés les uns des autres; et, - une enceinte perméable aux particules neutres, renfermant le convertisseur, la cathode, les fils anodiques, les moyens de collectage de charges, et le gaz.

Un dispositif de ce type est décrit dans la demande de brevet européen publiée sous le numéro O 228 933.

Ce dispositif connu a permis l'obtention d'images de très haute qualité d'objets de dimensions et de densité importantes, irradiés par une source de particules neutres, telles que photons X, photons gamma, ou neutrons, ces objets étant disposés entre la source et le dispositif et explorés par balayage (scanning).

L'intéret manifesté par les spécialistes de l'imagerie pour ce dispositif antérieur a conduit a la recherche d'une extension de ses applications.

C'est dans ce contexte que se situe la présente invention, dont le but est de permettre l'obtention d'une image de haut contraste, meme dans des conditions a priori défavorables d'irradiation de l'objet à examiner, et plus particulièrement en cas de taux de conversion médiocres et/ou en présence de flux de particules incidentes de faible intensité.

Le dispositif de l'invention, destiné a la détection et la localisation de particules dans un flux de particules neutres émises par une source, et comprenant: - un convertisseur solide sensiblement plan, propre, sous l'impact de ces particules neutres, à produire des charges électriques; - une cathode sensiblement plane; - des fils anodiques, destinés à etre portés a un potentiel électrique différent de celui de la cathode pour faire appaire un champ électrique, et à produire une amplification des charges par ionisation d'un gaz environnant, stimulée par ce champ électrique; - des moyens de collectage de charges, comprenant des éléments conducteurs électriquement isolés les uns des autres; et, - une enceinte perméable aux particules neutres, renfermant le convertisseur, la cathode, les fils anodiques, les moyens de collectage de charges, et le gaz; est essentiellement caractérisé en ce que le gaz contient une substance d'extinction présente dans une proportion au moins égale à 25 pourcent.

Cette caractéristique autorise le dispositif à fonctionner selon un mode connu de l'homme de l'art sous la dénomination anglo-saxonne de "self-quenching streamer mode", caractérisé par l'apparition d'avalanches électroniques s'empilant jusqu'à une taille critique du nuage de charges, pour laquelle elles s'étouffent.

Les avantages particuliers, que ce mode de fonctionnement par ailleurs connu développe dans l'application spécifique qu'en fait l'invention, seront mieux compris dans la description détaillée de celle-ci.

De préférence, l'un au moins des éléments de collectage de charges est relié a un potentiel électrique de référence par l'intermédiaire d'une capacité propre a accumuler les charges collectées par cet élément.

Une telle intégration des charges contribue å compenser les effets négatifs associés aux flux de particules å faible taux de comptage.

Les fils anodiques du dispositif étant disposés sensiblement parallèlement les uns aux autres, dans un plan parallèle & la cathode, et a distance de celle-ci, le rapport de la distance entre deux fils anodiques voisins au moins, å la distance entre ces fils et la cathode, est en outre avantageusement au moins égal à 1.

Cette autre caractéristique permet d'améliorer le fonctionnement du dispositif en mode "streamer", autrement dit dans le mode dans lequel apparaissent des avalanches électroniques dont la taille est auto-régulée.

De préférence, le dispositif comprend aussi une source de tension propre å créer entre la cathode et les fils anodiques une tension électrique au moins égale å 2000 volts, et les fils anodiques ont un diamètre minimum supérieur & 20 microns.

Les caractéristiques précédemment mentionnées sont compatibles avec de nombreuses formes de réalisation du dispositif de l'invention.

En particulier, la cathode peut comprendre ou etre constituée par le convertisseur lui-meme; les éléments conducteurs électriquement isolés les uns des autres peuvent comprendre des cellules appartenant au convertisseur, lequel peut dans ce cas directement constituer les moyens de collectage de charges; en variante, les éléments conducteurs des moyens de collectage de charges peuvent comprendre ou etre constitués par les fils anodiques, comme dans le dispositif de la demande de brevet européen publiée sous le numéro O 228 933, ou encore comprendre des pistes conductrices separées et distinctes de ces derniers, propres à collecter des charges positives.

L'invention concerne aussi un procédé pour détecter et localiser des particules dans un flux de particules neutres reçues en provenance d'une source, ce procédé comprenant les opérations consistant å: - recevoir ces particules sur un convertisseur solide sensiblement plan et les convertir en charges électriques; - amplifier ces charges par ionisation d'un gaz environnant, stimulée par un champ électrique; et - collecter, en différents emplacements espacés les uns des autres, les charges présentes dans au moins un plan sensiblement parallèle au convertisseur; et étant principalement caractérisé en ce que l'opération d'amplification de charges comprend l'application d'un champ électrique de valeur suffisante pour permettre l'apparition d'avalanches électroniques å taille auto-régulée.

Le procédé peut avantageusement comprendre une autre opération, consistant à accumuler pendant un certain temps les charges électriques collectées.

De préférence, la conversion des particules neutres en charges électriques est assurée avec un taux de conversion tel que le nombre de particules détectées est inférieur a 105 particules par seconde et par centimètre carré de surface du convertisseur.

Ce procédé est particulièrement adapté, pour des raisons qui seront détaillées dans la suite de la description, a l'utilisation de neutrons thermiques en tant que particules neutres.

D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront clairement de la description qui en est faite ci-après, à titre indicatif et nullement limitatif, en référence aux dessins annexés, parmi lesquels: - la figure 1 est une vue schématique représentant, en perspective, la mise en oeuvre d'un dispositif conforme å l'invention: - la figure 2 est une vue schématique éclatée d'un dispositif conforme à l'invention; et - la figure 3 est une vue en coupe d'un dispositif de détection utilisable dans le système de la figure 1, faite suivant le plan III-III de la figure 2;
La figure 1 représente en 1 une source de particules neutres, par exemple une source de rayons X, mais plus typiquement une source de neutrons thermiques dans les applications principales de l'invention.

Une partie au moins du flux de particules émis par cette source traverse un objet å examiner 2 et parvient au dispositif 3 sur lequel porte plus particulièrement la présente invention.

Comme le montre plus en détail la figure 2, ce dispositif 3 comprend tout d'abord une enceinte, destinée a renfermer un gaz et formée d'une embase 4a et d'un couvercle 4b rendus solidaires l'un de l'autre de façon étanche vis-à-vis de l'atmosphère, le couvercle 4b étant en revanche perméable aux particules neutres émises par la source 1, aux neutrons par exemple.

Le gaz contenu dans l'enceinte est un mélange gazeux autorisant l'apparition d'un mode de fonctionnement "streamer", autrement dit l'apparition d'avalanches d'électrons dont la taille est auto-régulée par étouffement spontané.

A cette fin, ce gaz comprend une substance d'extinction (quencher) efficace, constituée de molécules carbonées et polyatomiques comportant de nombreux modes de relaxation, tel que l'isobutane ou le néopentane, en proportion d'au moins 25 pourcent.

Par exemple, ce gaz peut etre un mélange de 50 pourcent de gaz carbonique et de 50 pourcent d'isobutane, soumis a une pression de l'ordre de un à cinq bars.

A l'intérieur de l'enceinte, et parallèlement a 1'embase 4a sont disposés: - un convertisseur solide sensiblement plan 5, propre, sous l'impact de ces particules neutres, à produire des charges électriques; - un réseau plan 6 de fils conducteurs tels que 6a, 6b, disposé parallèlement au convertisseur et a distance de celui-ci; - et, de préférence, une grille plane de fils conducteurs 7, elle-meme disposée à distance du réseau 6.

Le convertisseur 5 et la grille plane sont reliés a un potentiel électrique de référence, et sont par exemple portés à des potentiels voisins du potentiel de la terre régnant i l'extérieur de l'enceinte, l'un et l'autre jouant le rôle de cathodes.

Les fils du réseau plan 6 sont en revanche reliés a une source externe de potentiel électrique qui délivre un potentiel positif + V par rapport aux potentiels moyens du convertisseur 5 et de la grille 7, par exemple de l'ordre de 2000 å 7000 volts.

Le convertisseur 5 comprend une plaque isolante 8, mieux visible sur la figure 3, et une matrice bidimensionnelle de cellules, telles que 9a, 9b, 9c, disposées sur une face de la plaque 8.

Chacune des cellules, telles que 9a, est destinée a fournir un signal représentant un point d'une image bidimensionnelle de l'objet 2.

Chacune des cellules fonctionne donc indépendamment de ses voisines, et l'image obtenue est constituée d'une matrice de points dont chacun correspond à l'une de ces cellules.

L'intensité lumineuse associée a un point de l'image dépend de la quantité de particules reçues par la cellule correspondante, cette quantité étant elle-meme dépendante de l'épaisseur et de la nature du matériau dont est fait l'objet dans l'angle solide délimité par la source d'une part et par la cellule en question d'autre part.

Le fonctionnement du dispositif est illustré sur la figure 3.

Le trajet ondulé Tl représente celui d'une particule neutre, un neutron par exemple, qui, après avoir été émise par la source 1 et traversé l'objet 2, le couvercle 4b du détecteur, la grille 7 et le plan de fils 6, atteint une cellule 9c du convertisseur 5.

Frappée par cette particule neutre, la cellule 9c, constituée d'un matériau adéquat, émet de façon statistiquement observable et reproductible un électron rapide dont la trajectoire est représentée en T2.

En traversant l'enceinte, cet électron rapide provoque l'ionisation du gaz sur son parcours, et les électrons ainsi produits dérivent vers le fil le plus proche, par exemple 6c, du réseau 6 sous l'effet du champ électrique résultant de la différence entre les potentiels du convertisseur 5 et du plan de fils 6. Ce mouvement est repéré par les flèches telles que
T3 sur la figure 3.

Parvenus a quelques diamètres du fil 6c, ces électrons sont très violemment accélérés par le champ électrique, dont la valeur augmente considérablement au voisinage immédiat du fil.

Ils acquièrent alors suffisamment d'énergie pour ioniser le gaz à leur tour, provoquant ainsi une amplification électronique.

Selon une caractéristique essentielle de l'invention, cette amplification correspond à un mode de fonctionnement dans lequel apparaissent des avalanches d'électrons dont la taille est auto-régulée.

Ce phénomène, dont résulte une augmentation considérable de la charge électrique, représentée par le nombre final d'électrons produit par chaque électron rapide, se poursuit jusqu'à étouffement spontané des avalanches.

Les ions positifs correspondants, représentant un nombre de charges égal à celui des charges de l'ensemble des électrons créés, s'écartent du fil 6c dont ils sont repoussés en raison de leur charge, et dérivent vers les cathodes les plus proches, constituées par la grille 7 d'une part et par le convertisseur 5 d'autre part.

Les ions positifs créés du côté de la grille sont recueillis par cette dernière tandis que ceux créés du côté du convertisseur 5 sont recueillis par une cellule de celui-ci, la cellule 9c en l'occurrence. Leur mouvement est repéré sur la figure 3 par les flèches en pointillé T4.

Comme le montre la figure 3, le convertisseur 5 présente une structure en couches supportée par une plaque isolante 8, cette derniere étant par exemple contituée par une carte de circuit imprimé en résine epoxy, d'un épaisseur de 3.2 millimètres.

La surface supérieure de cette plaque est recouverte d'une couche de cuivre 10, de quelques microns d'épaisseur.

Sur la couche de cuivre 10 est déposée une couche de colle conductrice 11, grâce a laquelle l'ensemble peut etre recouvert d'une couche d'un matériau de conversion 12, par exemple une feuille de gadolinium, d'une épaisseur d'un dixième de micron, préalablement dorée pour en éviter l'oxydation.

Cet empilage de couches 10, 11, et 12, déposé sur la plus grande partie au moins de la surface de la plaque 8, est ensuite découpé, par des traits de fraise scie tels que 13 attaquant la face supérieure de cette plaque, en éléments électriquement isolés les uns des autres, qui constituent les cellules 9a, 9b, 9c, etc.

De plus, la plaque isolante 8 comporte, pour chaque cellule telle que 9c, une traversée telle que 14c mettant cette cellule en contact électrique avec un conducteur tel que 15c aboutissant sur l'autre face de la plaque 8.

De préférence, chaque fil tel que 6c est tendu exactement au-dessus d'une rangée de cellules telles que 9c, celles-ci ayant avantageusement une forme rectangulaire ou carrée.

A titre d'exemple, la grille cathodique 7 peut etre constituée de fils d'acier inoxydable d'un diamètre de 50 microns chacun, s'entrecroisant å angle droit, suivant un pas de 500 microns, le rôle de cette grille étant de permettre une symétrisation du champ électrique sur les fils tels que 6c.

Le plan de fils 6 est réalisé sous la forme d'un tissage sur un cadre isolant de fils de tungstene dorés d'un diamètre minimum d'au moins 20 microns, et de préférence de 50 å 100 microns chacun, disposés parallèlement les uns aux autres suivant un pas S de 2.54 millimètres par exemple. L'ensemble des fils est relié à une source de potentiel électrique extérieur à l'enceinte 3, délivrant une tension de 5000 volts par exemple.

La distance G entre le plan de fils 6 et le convertisseur 5 d'une part et la distance entre le plan de fils 6 et la grille 7 d'autre part sont de préférence égales et de l'ordre de 3 à 5 millimètres.

Les cellules telles que 9c ont par exemple la forme de carrés de 2 millimetres de côté, réalisés au meme pas que les fils, 2.54 millimètres en ltoccurence.

Le matériau de conversion 12 utilisé dans les cellules telles que 9c est avantageusement constitué de gadolinium dans le cas où les particules neutres émises par la source 1 sont des neutrons thermiques, et de fer ou d'argent dans le cas où ces particules sont des rayons X, en particulier des X mous.

Les conducteurs tels que 15c sont d'une part reliés au potentiel de terre par l'intermédiaire de capacités respectives telles que 16c, d'autre part reliés, chacun au moins pendant un intervalle de temps donné, a un dispositif électronique 17, de type connu en soi, dont la fonction est de convertir le signal présent sur chacun de ces conducteurs en un point d'une image vidéo et/ou en une information susceptible d'etre stockee dans une mémoire optique, électronique, ou autre.

Dans les conditions exposées, les fils tels que 6c jouent le rôle de moyens d'amplification et de collectage de charges négatives, tandis que le convertisseur et ses cellules jouent a la fois le rôle de moyens de conversion, de cathode, et de moyens de collectage de charges positives.

En fait, dans la mesure ou le signal utile, pour chaque point de l'image de l'objet, est constitué par le signal électrique présent sur les conducteurs tels que 15c, les cellules telles que 9c constituent plus précisément les éléments utiles des moyens de collectage de charges.

Néanmoins, cette configuration particulière n'est en rien nécessaire å l'invention, dont l'aspect essentiel touche au mode d'amplification des charges, indépendamment de la polarité des charges collectées pour la génération du signal utile, et de l'endroit où ces charges sont collectées.

Ainsi, le signal utile pourrait etre obtenu par collectage des charges sur les fils anodiques, comme c'est le cas dans la demande de brevet européenne précédemment citée, et le dispositif pourrait ne pas comprendre d'autre cathode que celle que constitue le convertisseur.

L'invention développe tous ses avantages lorsque le nombre de particules neutres détectées est inférieur & å 105 particules par seconde et par centimètre carré de surface du convertisséur, et elle revêt un intéret particulier lorsque les particules détectées sont des neutrons thermiques.

Comme mentionné plus haut, l'opération d'amplification de charges comprend l'application dcun champ électrique de valeur suffisante pour permettre l'apparition d'avalanches d'électrons å taille auto-régulee (streamer mode), et il est avantageux, a cette fin, que le rapport de la distance S (figure 3) entre deux fils anodiques voisins 6b, 6c, a la distance G entre ces fils et la cathode 12, soit au moins égal à 1.

L'intéret-du mode de fonctionnement l'streamer" pour un détecteur appliqué à l'imagerie conformément a l'invention trouve son origine dans les deux raisons suivantes.

D'une part, ce mode permet la création, pour chaque électron rapide émis par le convertisseur, d'un nombre de charges extremement élevé, typiquement de l'ordre de 107 a de sorte qu'il est possible, meme à partir d'un petit nombre de particules reçues par le convertisseur, ou d'un petit nombre de particules converties par lui, d'obtenir une image d'un objet irradié tel que 2 (figure 1). Cette propriété est en outre exploitée au mieux selon le mode de réalisation de l'invention qui comprend une accumulation, pendant un certain temps, des charges électriques collectées, dans une capacité telle que 16c.

D'autre part et surtout, ce mode de fonctionnement permet de pallier un défaut intrinsèque que présentent les convertisseurs solides dans certaines conditions d'utilisation, notamment pour la détection de neutrons thermiques.

En effet, si le nombre d'électrons rapides créés à partir d'un nombre prédéterminé de neutrons incidents est constant, statistiquement au moins, en revanche les électrons rapides issus du convertisseur solide présentent une très grande dispersion énergétique.

Or, le nombre de charges de première ionisation directement créées par unité de distance par un électron rapide traversant le gaz est une fonction rapidement variable de l'énergie de cet électron rapide, de sorte que les éléments de collectage de charges, les cellules telles que 9c en l'occurrence, risquent de fournir des signaux respectifs représentatifs non plus du nombre de particules neutres que ces éléments ont reçues, mais de l'énergie des électrons rapides auxquels ces particules ont conduit par conversion.

Le mode "streamer", qui a la propriété d'amplifier les charges de façon fortement non lineaire, permet de rétablir ce defaut en donnant naissance, pour chaque électron rapide, a un nombre de charges collectées qui est sensiblement indépendant du nombre de charges de première ionisation directement créées par les électrons rapides. L'utilisation de ce mode de fonctionnement permet ainsi de ramener les fluctuations du signal utile å un niveau proche des fluctuations poissonniennes de la source.

Claims (12)

REVENDICATIONS.

1. Dispositif pour la détection et la localisation de particules dans un flux de particules neutres émises par une source, comprenant: - un convertisseur solide sensiblement plan, propre, sous l'impact de ces particules neutres, å produire des chargés électriques; - une cathode sensiblement plane; - des fils anodiques, destinés å etre portés å un potentiel électrique différent de celui de la cathode pour faire appaitre un champ électrique, et a produire une amplification des charges par ionisation d'un gaz environnant, stimulée par ce champ électrique; - des moyens de collectage de charges, comprenant des éléments conducteurs électriquement isolés les uns des autres; et, - une enceinte perméable aux particules neutres, renfermant le convertisseur, la cathode, les fils anodiques, les moyens de collectage de charges, et le gaz; caractérisé en ce que le gaz contient une substance d'extinction présente dans une proportion est au moins égale à 25 pourcent.

2. Dispositif suivant la revendication 1, caractérisé en ce que l'un au moins desdits éléments de collectage de charges est relié å un potentiel électrique de référence par l'intermédiaire d'une capacité propre à accumuler les charges collectées par cet élément.

3. Dispositif suivant la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que, les fils anodiques étant disposés sensiblement parallèlement les uns aux autres, dans un plan parallèle & la cathode, et a distance de cellé-ci, le rapport de la distance (S) entre deux fils anodiques voisins au moins, à la distance (G) entre ces fils et la cathode, est au moins égal à 1.

4. Dispositif suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend une source de tension propre à créer entre la cathode et les fils anodiques une tension électrique au moins égale a 2000 volts.

5. Dispositif suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les fils anodiques ont un diamètre minimum supérieur å 20 microns.

6. Dispositif suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la cathode est constituée par le convertisseur lui-meme.

7. Dispositif suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les éléments conducteurs électriquement isolés les uns des autres comprennent des cellules appartenant au convertisseur, lequel constitue lui-meme les moyens de collectage de charges.

8. Dispositif suivant l'une quelconque des revendications 1 a 6, caractérisé en ce que les éléments conducteurs électriquement isolés les uns des autres comprennent les fils anodiques.

9. Procédé pour détecter et localiser des particules dans un flux de particules neutres reçues en provenance d'une source, comprenant les opérations consistant à: - recevoir ces particules sur un convertisseur solide sensiblement plan et les convertir en charges électriques; - amplifier ces charges par ionisation d'un gaz environnant, stimulée par un champ électrique, et - collecter, en différents emplacements espacés les uns des autres, les charges présentes dans au moins un plan sensiblement parallèle au convertisseur; caractérisé en ce que l'opération d'amplification de charges comprend l'application d'un champ électrique de valeur suffisante pour permettre l'apparition d'avalanches électroniques à taille auto-régulée.

10. Procédé suivant la revendication 9, caractérisé en ce qu'il comprend en outre une opération consistant à accumuler pendant un certain temps les charges électriques collectées.

11. Procédé suivant la revendication 9 ou 10, caractérisé en ce que la conversion des particules en charges électriques est assurée avec un taux de conversion tel que le nombre de particules détectées est inférieur à 105 particules par seconde et par centimètre carré de surface du convertisseur.

12. Procédé suivant l'une quelconque des revendications 9 à 11, caractérisé en ce que les particules neutres comprennent essentiellement des neutrons thermiques.