FR2754068A1 - Detecteur a gaz de rayonnements ionisants a tres grand taux de comptage - Google Patents
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Abstract
L'invention concerne un détecteur à gaz de rayonnements ionisants. Il comprend en combinaison dans une enceinte à gaz sous pression un module (1) d'absorption du rayonnement ionisant, engendrant des électrons, un module (2) d'amplification par phénomène d'avalanche électronique de ces électrons. Un module (3) de détection et de lecture des avalanches électroniques comporte une électrode (31) de détection munie d'une pluralité d'électrodes de détection élémentaires (31i) et un circuit d'interfaçage (30, 32) couplé à l'électrode de détection (31) muni d'une pluralité de sorties de détection et assurant l'étanchéité de l'enceinte à gaz. Application à la médecine nucléaire et à la cristallographie.
Description
Détecteur à gaz de rayonnements ionisants
à très grand taux de comptage
L'invention concerne un détecteur à gaz de rayonnements ionisants, tels que les rayons X, à très grand taux de comptage, utilisable notamment en imagerie médicale et/ou en cristallographie.
à très grand taux de comptage
L'invention concerne un détecteur à gaz de rayonnements ionisants, tels que les rayons X, à très grand taux de comptage, utilisable notamment en imagerie médicale et/ou en cristallographie.
L'imagerie des rayons X couvre de grands domaines d'application, parmi lesquels la médecine nucléaire et la cristallographie.
A l'heure actuelle, il existe de nombreux types de détecteurs à gaz, basés par exemple sur la mise en oeuvre de chambres à fils, ces détecteurs étant utilisés dans les domaines précités.
A titre d'exemple illustratif de tels détecteurs, on peut notamment citer la chambre à dérive sphérique employée pour l'étude de la structure des macromolécules par diffraction de rayons X, le rayonnement X utilisé présentant une énergie de l'ordre de 10 keV. Pour une description plus détaillée de ce type de détecteur, on pourra utilement se reporter à l'article intitulé "A fast X-Ray diffractometer based on a spherical drift multiwire proportional chamber" publié par R.KAHN, R.FOURME , B.CAUDRON, R.BOSSHARD, LURE (CNRS-UPS), 91405 Campus d'Orsay, France and Laboratoire de
Physico-chimie Structurale, Université Paris XII, 94010
Créteil, France ; R.BENOIT, R.BOUCLIER, G.CHARPAK, JC SAN
TIARD et F.SAULI, CERN Genève, Suisse, et édité par Nuclear
Instruments and Methods 172 (1980) 337-344, North-Holland
Publishing Company, et à l'article intitulé "Some Properties of Spherical Drift Chambers" publié par G.CHARPAK, C.DEMIER
RE, R.KAHN, JC SANTIARD et F.SAULI, CERN Genève, Suisse, et édité par Nuclear Instruments and Methods 141 (1977) 449455, North-Holland Publishing Company.
Physico-chimie Structurale, Université Paris XII, 94010
Créteil, France ; R.BENOIT, R.BOUCLIER, G.CHARPAK, JC SAN
TIARD et F.SAULI, CERN Genève, Suisse, et édité par Nuclear
Instruments and Methods 172 (1980) 337-344, North-Holland
Publishing Company, et à l'article intitulé "Some Properties of Spherical Drift Chambers" publié par G.CHARPAK, C.DEMIER
RE, R.KAHN, JC SANTIARD et F.SAULI, CERN Genève, Suisse, et édité par Nuclear Instruments and Methods 141 (1977) 449455, North-Holland Publishing Company.
En outre, un type de chambre à xénon sous pression de 3 bars a également été utilisé pour l'imagerie en rayonnement y d'énergie de l'ordre de 60 keV en médecine nucléaire. Un tel type de chambre, décrit par l'article intitulé "Clinical Applications of a Pressurized Xenon Wire
Chamber Gamma Camera Utilizing the Short Lived Agent Ta", publié par J.L. LACY, M.S. VERANI, M.E. BALL et R. ROBERTS,
Baylor College of Medicine, Houston, Texas 77030, USA et édité par Nuclear Instruments and Methods in Physics
Research A 269 (1988), 369-376 North-Holland, Amsterdam, permet, au mieux, d'atteindre un taux de comptage de 850 000 cps (coups par seconde) et une résolution spatiale de 2,5 mm.
Chamber Gamma Camera Utilizing the Short Lived Agent Ta", publié par J.L. LACY, M.S. VERANI, M.E. BALL et R. ROBERTS,
Baylor College of Medicine, Houston, Texas 77030, USA et édité par Nuclear Instruments and Methods in Physics
Research A 269 (1988), 369-376 North-Holland, Amsterdam, permet, au mieux, d'atteindre un taux de comptage de 850 000 cps (coups par seconde) et une résolution spatiale de 2,5 mm.
Dans les deux exemples précités, le taux de comptage maximum toléré par les chambres à fils qui permettent de localiser les rayons X est essentiellement limité par deux facteurs
- le premier facteur est inhérent à la structure même des chambres à fils, lesquelles ne tolèrent pas de taux de comptage effectif supérieur à environ 104 c/s.mm2
- le deuxième facteur est inhérent à l'électronique utilisée pour lire la position des phénomènes d'avalanches engendrés par les rayonnements ionisants.
- le premier facteur est inhérent à la structure même des chambres à fils, lesquelles ne tolèrent pas de taux de comptage effectif supérieur à environ 104 c/s.mm2
- le deuxième facteur est inhérent à l'électronique utilisée pour lire la position des phénomènes d'avalanches engendrés par les rayonnements ionisants.
La présente invention a pour but de remédier aux inconvénients et facteurs limitants précités des dispositifs détecteurs de l'art antérieur, par la mise en oeuvre d'un détecteur de rayonnements ionisants permettant de gagner jusqu'à un facteur mille dans le taux de comptage obtenu.
Un autre objet de la présente invention est la mise en oeuvre d'un détecteur de rayonnements ionisants présentant des caractéristiques spécifiques de construction permettant d'exploiter de façon simple et économique les taux de comptage précités.
Le détecteur à gaz de rayonnements ionisants, objet de la présente invention, est remarquable en ce qu'il comporte, en combinaison, une enceinte à gaz sous pression, un module d'absorption de ce rayonnement ionisant permettant d'engendrer des électrons à partir de ce rayonnement ionisant, un module d'amplification par phénomène d'avalan che électronique de ces électrons, un circuit de détection et de lecture de ces avalanches électroniques comportant au moins une électrode de détection présentant une pluralité d'électrodes de détection élémentaires destinées à détecter la charge électrique desdites avalanches, un circuit d'interfaçage électriquement couplé à l'électrode de détection, ce circuit d'interfaçage comportant une pluralité de sorties de détection et permettant d'assurer l'étanchéité de l'enceinte à gaz.
Le détecteur à gaz de rayonnements ionisants, objet de la présente invention, trouve application à la médecine nucléaire et à la cristallographie, notamment.
I1 sera mieux compris à la lecture de la description et à l'observation des dessins dans lesquels
- la figure 1 représente de manière illustrative un détecteur à gaz de rayonnements ionisants, conforme à l'objet de la présente invention
- les figures 2a et 2b représentent de manière illustrative un détecteur à gaz de rayonnements ionisants dans le cas de la mise en oeuvre d'une chambre à fils de type asymétrique, respectivement d'une chambre asymétrique améliorée permettant d'obtenir des taux de comptage très élevés ;
- la figure 3a représente, selon une vue en perspective, un détail de réalisation du détecteur, objet de l'invention, tel que représenté en figures 1 ou 2a, 2b
- la figure 3b représente une vue de face du détail de réalisation représenté en figure 3a
- la figure 4a représente, selon une vue en perspective, un détail de réalisation du détecteur objet de l'invention, tel que représenté en figures 1 ou 2a, 2b, lorsque l'électrode de détection et la contre-électrode de détection sont formées par un ensemble multicouche
- la figure 4b représente une vue de face du détail de réalisation de la figure 4a
- la figure 4c représente une vue en coupe, selon le plan de coupe P de la figure 4a
- les figures 5a à 5e représentent une variante de réalisation du détecteur représenté en figures 4a à 4c, dans une application plus particulièrement destinée à la cristallographie dans le cas de la diffraction de LAUE.
- la figure 1 représente de manière illustrative un détecteur à gaz de rayonnements ionisants, conforme à l'objet de la présente invention
- les figures 2a et 2b représentent de manière illustrative un détecteur à gaz de rayonnements ionisants dans le cas de la mise en oeuvre d'une chambre à fils de type asymétrique, respectivement d'une chambre asymétrique améliorée permettant d'obtenir des taux de comptage très élevés ;
- la figure 3a représente, selon une vue en perspective, un détail de réalisation du détecteur, objet de l'invention, tel que représenté en figures 1 ou 2a, 2b
- la figure 3b représente une vue de face du détail de réalisation représenté en figure 3a
- la figure 4a représente, selon une vue en perspective, un détail de réalisation du détecteur objet de l'invention, tel que représenté en figures 1 ou 2a, 2b, lorsque l'électrode de détection et la contre-électrode de détection sont formées par un ensemble multicouche
- la figure 4b représente une vue de face du détail de réalisation de la figure 4a
- la figure 4c représente une vue en coupe, selon le plan de coupe P de la figure 4a
- les figures 5a à 5e représentent une variante de réalisation du détecteur représenté en figures 4a à 4c, dans une application plus particulièrement destinée à la cristallographie dans le cas de la diffraction de LAUE.
Une description plus détaillée d'un détecteur à gaz de rayonnements ionisants, objet de la présente invention, sera maintenant donnée en liaison avec la figure 1 et les figures suivantes.
Ainsi qu'on l'a représenté de manière schématique sur la figure 1 précitée, le détecteur à gaz de rayonnements ionisants, objet de l'invention, comprend, dans une enceinte à gaz sous pression, un module 1 d'absorption de ce rayonnement permettant d'engendrer des électrons à partir de ce dernier, et un module 2 d'amplification par phénomène d'avalanche électronique de ces électrons. Sur la figure 1, l'enceinte à gaz porte la référence E. De type classique, elle peut être munie, soit d'une fenêtre d'admission latérale permettant l'admission d'un faisceau de rayonnements ionisants en nappe, cette fenetre étant notée Fel sur la figure 1, soit d'une fenêtre dite sommitale, notée Fes, permettant l'admission du rayonnement ionisant à partir d'un objet à étudier tel qu'une coupe de laboratoire isotopiquement marquée ou, le cas échéant, dans le cas de la cristallographie, à partir du rayonnement diffracté par des cristaux ou par tout corps cristallin ou amorphe à étudier sous un rayonnement de type rayonnement X par exemple.
En outre, le détecteur, objet de la présente invention, comprend un circuit 3 de détection et de lecture des avalanches électroniques engendrées dans le module d'amplification 2, ce module de détection et de lecture 3 comportant au moins, ainsi que représenté sur la figure 1 précitée, une électrode de détection, notée 31, présentant de préférence une pluralité d'électrodes de détection élémentaires destinées à détecter la charge électrique des avalanches électroniques précitées et un circuit d'interfa çage 31 électriquement couplé à l'électrode de détection 30.
Le circuit d'interfaçage 31 comprend, de préférence, ainsi qu'il sera décrit ultérieurement dans la description, une pluralité de sorties de détection et permet bien entendu d'assurer l'étanchéité au gaz de l'enceinte à gaz E précédemment décrite.
En ce qui concerne le mode de réalisation du module d'absorption 1 du rayonnement ionisant et du module d'amplification 2 par phénomène d'avalanche des électrons créés du fait de cette ionisation, on indique que ce mode de réalisation correspond de manière générale à la mise en oeuvre de chambres à fils de type asymétrique, respectivement de type asymétrique amélioré, ce dernier type de chambre permettant en particulier d'atteindre des taux de comptage très élevés, supérieurs à 107 c/s.mm2.
D'une manière générale, on rappelle qu'en ce qui concerne la mise en oeuvre de chambres à fils de type asymétrique, le module d'absorption 1 du rayonnement ionisant et le module d'amplification 2 par phénomène d'avalanche électronique correspondent à ceux décrits dans la publication intitulée "A High-Rate, High-Resolution
Asymmetric Wire Chamber with Microstrip Readout" publié par
G.CHARPAK, I.CROTTY, Y.GIOMATARIS, L.ROPELEWSKI et M.C.S.
Asymmetric Wire Chamber with Microstrip Readout" publié par
G.CHARPAK, I.CROTTY, Y.GIOMATARIS, L.ROPELEWSKI et M.C.S.
WILLIAMS, CERN, Genève, Suisse, édité par le Nuclear
Instruments and Methods in Physics Research, sous la référence NIM A 376, 1996, page 29. Dans le cas de la mise en oeuvre d'une chambre à fils de type asymétrique ainsi que décrit précédemment et représenté en figure 2a, on rappelle en outre que l'électrode de détection 31 forme une électrode de cathode, alors que les électrodes de détection élémentaires constituant cette électrode de détection forment ellesmêmes des électrodes de cathode élémentaires. Pour une description plus détaillée de la mise en oeuvre de chambres à fils de type asymétrique et, en particulier, d'une réalisation spécifique grâce à la mise en oeuvre de potentiels électriques de polarisation de la grille G délimitant le module d'absorption 1 et le module d'amplification 2, ainsi que sur les valeurs relatives de distance D1, D2 séparant ces électrodes, le module d'amplification 2 étant constitué par une succession d'anodes et de cathodes constituant en fait la chambre à fils, on pourra également se reporter au brevet américain n" 5,521,956 délivré au nom de Georges CHARPAK, le texte de ce document étant introduit dans la présente description à titre de référence.
Instruments and Methods in Physics Research, sous la référence NIM A 376, 1996, page 29. Dans le cas de la mise en oeuvre d'une chambre à fils de type asymétrique ainsi que décrit précédemment et représenté en figure 2a, on rappelle en outre que l'électrode de détection 31 forme une électrode de cathode, alors que les électrodes de détection élémentaires constituant cette électrode de détection forment ellesmêmes des électrodes de cathode élémentaires. Pour une description plus détaillée de la mise en oeuvre de chambres à fils de type asymétrique et, en particulier, d'une réalisation spécifique grâce à la mise en oeuvre de potentiels électriques de polarisation de la grille G délimitant le module d'absorption 1 et le module d'amplification 2, ainsi que sur les valeurs relatives de distance D1, D2 séparant ces électrodes, le module d'amplification 2 étant constitué par une succession d'anodes et de cathodes constituant en fait la chambre à fils, on pourra également se reporter au brevet américain n" 5,521,956 délivré au nom de Georges CHARPAK, le texte de ce document étant introduit dans la présente description à titre de référence.
En ce qui concerne en outre la mise en oeuvre de chambres du type chambres asymétriques améliorées, toutefois, on indique que le module d'absorption 1 du rayonnement ionisant et le module d'amplification 2 par phénomène d'avalanche sont formés, ainsi que décrit en relation avec la figure 2b, par une première G, une deuxième G' et une troisième électrode plane parallèle, notée 31, la troisième électrode 31 étant distante de la deuxième électrode G' d'une distance D2 inférieure à 200 pm et constituant une électrode d'anode, cette électrode formant bien entendu l'électrode de détection 31, laquelle est constituée par des anodes élémentaires, ainsi qu'il sera décrit ultérieurement dans la description.
Pour une description plus détaillée des conditions de mise en oeuvre d'une chambre asymétrique améliorée ou optimisée et, en particulier, des conditions de polarisation des différentes électrodes précitées, on pourra également utilement se reporter à la demande de brevet français n" 96 06600 déposée par Georges CHARPAK, cette demande de brevet étant introduite dans la présente description à titre de référence.
Dans le cas de l'utilisation de chambres à fils de type asymétrique, telles que représentées en figure 2a, on rappelle en particulier que le choix de la dimension D2, distance entre l'électrode formée par les fils d'anode et de cathode A,K successifs et l'électrode de détection 31, de l'ordre de 500 pm, pour une distance Dl = 3 mm, séparant la grille G de la même succession de fils d'anode et de cathode
A,K, permet de gagner un facteur 10 sur le taux de comptage des chambres classiques à structure symétrique.
A,K, permet de gagner un facteur 10 sur le taux de comptage des chambres classiques à structure symétrique.
Au contraire, dans le cas de l'utilisation d'une chambre asymétrique améliorée ou optimisée, telle que représentée en figure 2b, l'augmentation de taux de comptage est encore plus importante en raison des paramètres de structure et de dimensionnement, notamment de la grille G', des valeurs de champ électrique dans l'espace séparant la grille G et la grille G', champ El, et de l'espace séparant la grille G' de l'électrode de détection 31, la distance D2 séparant l'électrode G' de cette électrode de détection 31 étant inférieure ou égale à 200 pm. Ces paramètres permettent l'obtention de taux de comptage supérieurs ou égaux à 107c/s.mm2.
Dans les deux cas, quelle que soit la mise en oeuvre du type de chambre à fils asymétrique ou asymétrique améliorée ou optimisée, conformément aux figures 2a ou 2b, le détecteur à gaz, objet de la présente invention, permet, pour chacun des modes de mise en oeuvre, le choix d'un circuit de détection et de lecture adapté aux paramètres de comptage précités et en définitive, à la résolution de chaque type de chambre asymétrique, respectivement asymétrique améliorée ou optimisée, utilisée, c'est-à-dire finalement à la dimension ou diamètre des avalanches électroniques obtenues grâce à la mise en oeuvre des chambres précitées.
On comprend en particulier que le circuit de détection mis en oeuvre conformément à l'objet de la présente invention permet, dans une enceinte à gaz contenant un mélange de xénon sous pression de l'ordre de 6 bars plus un gaz tel que le méthane par exemple, empêchant les décharges secondaires par un mécanisme connu de l'état de la technique, d'économiser au maximum le nombre de connexions électriques étanches entre l'intérieur et l'extérieur de l'enceinte à gaz, c'est-à-dire au niveau du circuit d'interfaçage proprement dit. On indique en effet que la multiplication inconsidérée du nombre de ces connexions électriques est coûteuse, notamment en réalisation et en risque de fuite du gaz à des pressions aussi importantes, alors qu'il est nécessaire de pouvoir assurer un taux de comptage élevé et une localisation bidimensionnelle par exemple sur l'ensemble de la surface du détecteur.
Pour cette raison, le circuit d'interfaçage 3 mis en oeuvre dans le détecteur à gaz, objet de la présente invention, présente deux formes de réalisation complémentaires, plus particulièrement adaptées à l'utilisation, soit d'une chambre à fils de type asymétrique, soit d'une chambre de type asymétrique améliorée ou optimisée.
Dans un premier mode de réalisation plus particulièrement destiné à l'utilisation d'une chambre à fils de type asymétrique par exemple, on indique, ainsi que représenté notamment en figure 3a, que le circuit d'interfaçage 3 peut avantageusement comprendre une contre-électrode de détection, portant la référence 32, cette contre-électrode de détection présentant une pluralité de contre-électrodes de détection élémentaires 32i, ainsi que représenté sur la figure 3a précitée.
Chaque contre-électrode de détection élémentaire est couplée électrostatiquement à au moins une électrode de détection élémentaire, afin de permettre la transmission de la charge électrique détectée des avalanches électroniques en vue de leur comptage. Bien entendu, les électrode de détection et contre-électrode de détection 31,32 et les électrodes de détection élémentaires et contre-électrodes de détection élémentaires 31i,32i, permettent d'assurer l'étanchéité au gaz de l'enceinte à gaz E sous pression.
Dans un mode de réalisation particulier, on indique que l'électrode de détection 31 et la contre-électrode de détection 32, formées respectivement par les électrodes de détection élémentaires 31i et par les contre-électrodes de détection élémentaires 32i, sont formées avantageusement par au moins une couche de matériau électrique isolant, portant la référence 30. Cette couche de matériau électriquement isolant peut être formée par une lame à faces sensiblement parallèles en un matériau diélectrique tel que le CAPTON. La lame de matériau diélectrique 30, lorsqu'elle est constituée en CAPTON, peut présenter une épaisseur de l'ordre de 50 um.
Ainsi qu'on l'a représenté sur la figure 3a précitée, une première face F1 de la lame 30 est placée à l'intérieur de l'enceinte à gaz E et est munie d'éléments électriquement conducteurs formant chacun une électrode de détection élémentaire 31i, ainsi que représenté sur la figure 3a.
La deuxième face F2 de la lame 30 est placée à l'extérieur de l'enceinte à gaz E et est munie d'éléments électriquement conducteurs formant chacun une contre-électrode de détection élémentaire portant la référence 32i.
Ainsi que représenté sur la figure précitée, les électrodes de détection élémentaires 31i et les contreélectrodes de détection élémentaires 32i sont alignées suivant deux directions obliques, de préférence orthogonales, de façon à permettre un repérage bidimensionnel X,Y des avalanches électroniques. Bien entendu, on comprend que les électrodes de détection élémentaires 31i et les contreélectrodes de détection élémentaires 32i sont de forme et de dimension identiques et sont placées en vis-à-vis de façon à assurer un couplage électrostatique optimum entre électrode et contre-électrode élémentaire respective. Les deux directions d'alignement sont de préférence orthogonales pour assurer le repérage bidimensionnel X,Y selon des lignes X1 à Xn et des colonnes Yl à Yn ainsi que représenté sur la figure précitée.
De préférence, ainsi que représenté notamment sur la figure 3a, les électrodes de détection élémentaires 31i et les contre-électrodes de détection élémentaires 32i sont avantageusement constituées par des zones de matériau électriquement conducteur de forme sensiblement carrée et alignées pour former un damier. Ce damier constitue une matrice de détection bidimensionnelle.
En ce qui concerne les électrodes de détection élémentaires 31i, on indique que, de manière avantageuse, celles-ci peuvent être recouvertes d'une couche mince de matériau semi-conducteur 301 tel que le germanium par exemple, par pulvérisation, cette couche mince de matériau semi-conducteur 301 étant portée à un potentiel fixe tel que le potentiel de référence ou le potentiel de masse du détecteur. La couche de matériau semi-conducteur 301 permet ainsi de relier chaque électrode élémentaire 31i au potentiel de référence par l'intermédiaire d'une résistance de grande valeur, de plusieurs mégohms, ce qui permet ainsi de fixer le potentiel continu de chaque électrode élémentaire 31i pour assurer un fonctionnement stable du détecteur. On comprend ainsi que lors de l'apparition d'une avalanche électronique, la constante de temps réalisée par le circuit constitué par une électrode de détection élémentaire 31i et la résistance de la couche de matériau semi-conducteur 301 reliée au potentiel fixe permet de placer l'électrode élémentaire considérée, ainsi que le cas échéant les électrodes élémentaires voisines, au potentiel électrique engendré par les charges des électrons de l'avalanche, ce potentiel électrique étant immédiatement transmis par couplage électrostatique aux contre-électrodes de détection élémentaires 32i en vis-à-vis des électrodes de détection élémentaires précitées.
En ce qui concerne les contre-électrodes de détection élémentaires 32i, on comprend que celles-ci sont reliées alternativement à des lignes de comptage à n conducteurs, un conducteur par ligne ou colonne d'électrodes/contre-électrodes élémentaires, ces lignes de comptage étant référencées X1 à Xn pour la direction X de détection bidimensionnelle sur la figure 3a, et Y1 à Yn pour la direction de détection bidimensionnelle Y. Bien entendu, il est nécessaire que les paramètres de la chambre permettent d'influencer électriquement deux électrodes de détection élémentaires. Chaque ligne de comptage est reliée par l'intermédiaire d'un conducteur à une zone électriquement conductrice formant contre-électrode de détection élémentaire à raison d'une zone électriquement conductrice sur deux de chaque ligne ou colonne d'électrodes/ contre-électrodes élémentaires pour un conducteur constitutif d'une ligne de comptage. On comprend en effet qu'en ce qui concerne les électrodes de détection élémentaires 31i, il n'est pas nécessaire de relier ces dernières à des lignes de comptage, ce qui permet d'éviter ainsi la création de liaison électrique en traversée étanche, la liaison électrique à chaque contre-électrode de détection élémentaire 32i étant suffisante et permettant d'assurer ainsi le comptage et la détection bidimensionnelle des phénomènes d'avalanche engendrés par le rayonnement ionisant.
Bien entendu, on comprend que chaque conducteur d'une ligne de comptage de rang i donné peut alors être associé en sortie à un dispositif de type vernier, portant sur la figure 3a les références 33X, respectivement 33Y pour les lignes X1 à Xn, respectivement les colonnes Y1 à Y,, ce dispositif de type vernier permettant de détecter le rang du conducteur constitutif de la ligne de comptage et, en définitive, l'adresse i de la contre-électrode de détection 32i dans la ligne et la colonne correspondantes. De tels dispositifs de type vernier ne seront pas décrits de manière plus détaillée car ils correspondent à des éléments de l'état de la technique décrits dans la demande de brevet français n" 2 680 010 au nom de Monsieur Georges CHARPAK.
Un mode de réalisation préférentiel du circuit d'in terfaçage 3 décrit précédemment en liaison avec la figure 3a sera maintenant donné en liaison avec la figure 3b.
Selon la figure précitée, on indique que chaque zone conductrice constitutive d'une électrode de détection élémentaire 31i, respectivement d'une contre-électrode de détection élémentaire 32i, est de forme sensiblement carrée et subdivisée chacune en deux éléments triangulaires 31il, 31i2 ; 32il, 32i2 séparés par un espace diagonal. Un élément triangulaire sur deux éléments triangulaires successifs forme alors une contre-électrode de détection élémentaire dans le sens de parcours de l'une X ou l'autre Y direction bidimensionnelle de détection, chaque élément triangulaire correspondant étant interconnecté à une ligne de comptage, c'est-à-dire à un même conducteur formant la ligne de comptage précitée, affectée à des directions bidimensionnelles.
Sur la figure 3b, on peut observer que, par exemple, chaque élément triangulaire supérieur gauche est relié à un conducteur formant une ligne de comptage associée à la direction verticale, c'est-à-dire à une colonne, alors que chaque élément triangulaire inférieur droit est au contraire connecté à un conducteur d'une ligne de comptage horizontal, c'est-à-dire à la ligne de comptage associée à une ligne dans la direction X.
En outre, ainsi que représenté sur la figure 3b précitée, on indique que chaque zone conductrice peut avoir une dimension ou côté de valeur c et être espacée de toute zone conductrice adjacente dans la direction X respectivement Y d'une distance p pour constituer le damier ou matrice de détection bidimensionnelle. On comprend bien entendu que les paramètres c et p peuvent être avantageusement choisis en fonction de la valeur D du diamètre moyen des avalanches engendrées dans le détecteur. Ainsi, pour un diamètre d'avalanche de l'ordre de 2 mm, cette valeur correspondant par exemple à la mise en oeuvre d'une chambre à fils asymétrique, la distance p séparant deux électrodes de détection élémentaires successives, respectivement deux contre-électrodes de détection élémentaires successives, peut être prise égale à 100 pm, et la valeur de dimension c ou côté de chaque zone conductrice peut etre prise égale à 1 mm.
Lorsque bien entendu plusieurs triangles adjacents sont touches, c'est-à-dire soumis au phénomène d'influence électrique par le phénomène d'avalanche, la détection au moyen des appareils vernier précédemment cités, en X et Y, c'est-à-dire par détermination du rang du conducteur constitutif de la ligne de comptage correspondante, permet de déterminer l'adresse du triangle soumis à la plus forte influence électrique et donc de déterminer la position du centre d'avalanche correspondante. Bien entendu, un traitement électronique des signaux ainsi obtenus peut être réalisé à partir d'un traitement de type barycentre par exemple.
Enfin, et dans le but de supporter la différence de pression entre le milieu intérieur de la chambre de l'enceinte à gaz E et l'extérieur, on comprend que sur la face
F2 de la lame 30 de CAPTON telle que représentée en figure 3a par exemple, il est possible d'appliquer à l'extérieur une couche de maintien en un matériau électriquement isolant mais suffisamment résistant pour permettre le maintien de la planéité de l'ensemble. Ce système de maintien ne sera pas décrit en détail car il correspond à un système connu de l'état de la technique. Enfin, les conducteurs Xl à Xn, Y1 à g constituant les lignes de comptage n'étant pas placés dans le plan de la face F2, leur câblage peut être organisé de la façon la plus appropriée.
F2 de la lame 30 de CAPTON telle que représentée en figure 3a par exemple, il est possible d'appliquer à l'extérieur une couche de maintien en un matériau électriquement isolant mais suffisamment résistant pour permettre le maintien de la planéité de l'ensemble. Ce système de maintien ne sera pas décrit en détail car il correspond à un système connu de l'état de la technique. Enfin, les conducteurs Xl à Xn, Y1 à g constituant les lignes de comptage n'étant pas placés dans le plan de la face F2, leur câblage peut être organisé de la façon la plus appropriée.
Lorsque, pour la mise en oeuvre d'un détecteur conforme à l'objet de la présente invention, on utilise une chambre asymétrique améliorée ou optimisée, la dimension D des avalanches obtenues au niveau de l'électrode de détection est beaucoup plus faible. On rappelle en effet que pour une distance D2 telle que représentée en figure 2b égale à 200 pm par exemple, distance séparant la grille G de l'électrode de détection 31, la dimension D a pour valeur sensiblement 200 pm également. Dans de telles conditions, le circuit d'interfaçage 3 décrit précédemment dans la description apparaît moins bien adapté à la détection de phénomènes d'avalanche de telles dimensions.
Dans un tel cas, au contraire, il apparaît préférable de mettre en oeuvre un circuit d'interfaçage 3 spécifique, basé sur un principe semblable mais présentant certai nes particularités. Un tel circuit d'interfaçage peut alors être obtenu à partir des zones conductrices sensiblement carrées formant les électrodes de détection élémentaires, telles que décrites par exemple en figures 3a ou 3b, et en conférant à ces électrodes de détection élémentaires 31i une configuration plane dans le plan X,Y de détection bidimensionnelle adaptée à la dimension plane correspondante des avalanches.
Cette adaptation permet d'optimiser la résolution spatiale des électrodes de détection élémentaires 31i placées sur la face F1 du circuit d'interfaçage considéré.
Bien entendu, dans un tel cas et de manière particulièrement avantageuse, le circuit d'interfaçage 3 peut être formé par un circuit de type circuit imprimé multicouche formé par un ensemble de couches élémentaires superposées, ainsi que représenté en figure 4a. A titre d'exemple non limitatif, le circuit d'interfaçage représenté sur la figure précitée comporte uniquement, afin de ne pas surcharger le dessin, un nombre de couches limité à trois, C1, C2, C3.
Bien entendu, un nombre plus important de couches peut être prévu.
Ainsi qu'on l'observera sur la figure 4a précitée, l'une des faces F1 du circuit imprimé multicouche est orientée vers l'intérieur de l'enceinte à gaz E et comporte bien entendu l'électrode de détection 31.
Ainsi qu'on l'observera également sur la figure 4c, selon une vue en coupe selon le plan de coupe P de la figure 4a, chaque couche élémentaire comporte une pluralité de liaisons électriques intercouches, permettant d'assurer la connexion électrique des électrodes de détection élémentaires vers une autre face du circuit imprimé multicouche orientée vers l'extérieur de l'enceinte à gaz E. Bien entendu, les liaisons électriques sont étanches au gaz contenu dans l'enceinte à gaz.
En ce qui concerne la configuration plane des électrodes de détection élémentaires 31i, on indique, ainsi que représenté en figure 4b, et en raison de la faible dimension des avalanches précitées dans le cas de l'utilisation d'une chambre asymétrique améliorée ou optimisée, que les zones conductrices peuvent alors avantageusement être formées chacune par une pluralité de couronnes concentriques, notées 31il à 31i4 par exemple pour la zone conductrice 31i de la figure 4a. On comprend ainsi que la subdivision de chaque zone conductrice en couronnes concentriques permet d'adapter chaque zone conductrice considérée, et finalement chaque électrode de détection élémentaire, à la résolution, beaucoup plus fine, nécessaire pour la détection des avalanches dont la dimension a été précédemment indiquée.
Sur la figure 4b, en particulier, on a représenté les couronnes concentriques 31i1 à 31i4, quatre couronnes concentriques rectangulaires ayant été représentées pour la zone conductrice 31i de la figure 4a.
Selon un aspect particulièrement avantageux, on indique que, dans un tel cas, chaque couronne de rang pair respectivement impair, en partant du centre par exemple, est interconnectée en parallèle dans la direction Z perpendiculaire aux directions X,Y de détection bidimensionnelle, c'est-à-dire la direction Z de l'épaisseur du circuit multicouche, les couronnes de rang pair respectivement impair étant affectées à l'une respectivement à l'autre X,Y des directions de détection bidimensionnelle. Un tel mode de réa élémentaire 31i et de ses subdivisions en couronnes concentriques 31il à 31i4, ainsi que représenté en figures 4a, 4b et 4c, en leurs contre-électrodes de détection élémentaires 32i, et le cas échéant leurs subdivisions en couronnes élémentaires concentriques 32il à 32i4, ainsi que représenté en figure 4c, de reconstituer un circuit d'interfaçage semblable à celui décrit précédemment en liaison avec les figures 3a et 3b en ce qui concerne les lignes de comptage par exemple. Toutefois, la répétition de chaque électrode de détection élémentaire 31i en une contre-électrode de détection élémentaire 32i n'apparaît pas nécessaire, ainsi qu'il sera décrit ci-après dans la description.
On comprend ainsi que la subdivision, d'une part, de chaque électrode de détection élémentaire en couronnes concentriques par exemple et l'association d'un nombre de couches élémentaires superposées constitutives d'un circuit d'interfaçage multicouche, ce nombre de couches élémentaires étant égal au nombre de couronnes -1 constitutif de chaque électrode de détection élémentaire, permet de réaliser un comptage beaucoup plus élaboré, adapté à des tailles d'avalanches beaucoup pus petites.
En particulier, compte tenu de la technologie utilisée pour la mise en oeuvre du circuit imprimé multicouche, lorsque la technique utilisée permet de réaliser des sorties étanches tous les 2,5 mm seulement, chaque électrode élémentaire 31i peut alors être réalisée sous forme de circuit imprimé sur la face F1 du circuit multicouche à partir de bandes d'une largeur de 100 pm séparées par des intervalles de 50 pm par exemple.
Les bandes précitées sont alors connectées électriquement par l'intermédiaire des liaisons intercouches alternativement aux conducteurs correspondants des lignes de comptage associées à la direction X, respectivement Y de détection bidimensionnelle.
Pour une chambre présentant un circuit d'interfaçage de dimension carrée de 25 cm x 25 cm, il est possible d'obtenir, ainsi que représenté en figure 4c, en l'absence de répétition de chaque électrode de détection élémentaire 31i en une contre-électrode de détection élémentaire 32i, cent sorties étanches espacées de la valeur minimale de 2,5 mm par exemple. Le nombre de sorties apparaît ainsi diminué et compatible avec la technologie utilisée grâce à l'utilisation des couches multiples tout en maintenant le pouvoir de résolution grâce à la subdivision des électrodes de détection élémentaires, ainsi que représenté en figure 4c.
Le mode de réalisation tel que représenté en figures 4a, 4b et 4c apparaît particulierement bien adapté à la mise en oeuvre d'un détecteur conforme à l'objet de la présente invention, utilisant une chambre asymétrique améliorée ou optimisée dans laquelle la distance D2 est prise égale à 200 pm par exemple et que la dimension D de l'avalanche est de l'ordre de 200 um également. Par dimension D de l'avalanche, on entend en fait la dimension correspondante de la zone d'influence de l'avalanche. Dans un tel cas, et dans le cadre du mode de réalisation précité, il existe toujours au moins deux couronnes sur lesquelles un signal est induit.
Il suffit alors de prévoir un système de lecture permettant de calculer le barycentre électrique des impulsions recueillies sur les conducteurs des lignes de comptage dans les directions X et Y précédemment mentionnées pour obtenir une précision qui est bien meilleure que la taille globale de chaque électrode de détection élémentaire 31i.
Bien entendu, cette technique permet également de mettre en oeuvre des méthodes de lecture analogiques telles qu'au moyen des systèmes vernier précédemment décrits dans la description. En effet, les méthodes analogiques précitées permettent d'effectuer une interpolation, ce qui permet d'obtenir une précision très supérieure à la largeur effective de la ligne ou de la colonne constituée par l'ensemble des couronnes concentriques.
Il est également possible d'inclure dans les couronnes intermédiaires constitutives de chaque électrode de détection élémentaire 31i des lignes à retard imprimées afin d'obtenir le positionnement correspondant. Cette technique correspond à une technique classique et, à ce titre, ne sera pas décrite en détail.
Le circuit d'interfaçage précédemment décrit, mis en oeuvre dans un détecteur à gaz de rayonnements ionisants, objet de la présente invention, permet effectivement de réduire le nombre de sorties étanches nécessaires au comptage avec un taux de comptage élevé et une haute résolution.
Les modes de réalisation précédemment décrits apparaissent particulièrement bien adaptés pour la mise en oeuvre de détecteurs à haute pression de xénon susceptibles d'être utilisés , d'une part, dans des applications d'imagerie de faisceaux collimatés larges utilisés pour la médecine nucléaire, application pour laquelle la précision recherchée est de l'ordre de 2 mm et le taux de comptage est égal à 5 MHz, c'est-à-dire 5 x 106 c/s et, d'autre part, pour une application d'imagerie de faisceaux engendrés par une source de rayonnement sensiblement ponctuelle appliquée à la cristallographie.
Dans cette application, dans le cas de la diffraction de BRAGG, phénomène pour lequel un grand nombre de petites tâches est distribué sur la surface de l'électrode de détection 31, des électrodes élémentaires 31i telles que représentées en figures 4a, 4b et 4c peuvent avantageusement être utilisées. Ainsi, toute la surface de l'électrode de détection 31 est couverte par une matrice d'électrodes élémentaires, telle que représentée en figure 4a.
Dans le cas où le phénomène de diffraction est celui de la diffraction de LAUE, le motif de diffraction correspond à une seule série de tâches circulaires concentriques. Dans le cadre d'un tel phénomène, il est opportun de détecter la distribution de l'intensité diffractée en fonction du rayon, distance au centre du motif. Les taux de comptage sont alors énormes. Dans ce cas, le circuit d'interfaçage représenté en figure 5a comprend un réseau de zones circulaires concentriques. Il peut être réalisé au moyen d'un circuit imprimé comportant des bandes circulaires centrées sur un point commun 0 et de largeur 100 um, pour une précision de l'ordre de 100 pm. La structure multicouche, telle que représentée en figures 4a à 4c, peut alors être avantageusement utilisée, de façon à disposer d'une sortie par bande. On peut ainsi disposer de 250 sorties pour un réseau comportant 250 bandes concentriques. Un tel mode de réalisation est tout à fait réaliste dans la mesure où la technologie des circuits imprimés autorise la création de traversées étanches au pas de 1,2 mm, soit 1500 traversées étanches sur une surface de 4,6 x 4,6 cm environ.
En outre, chaque zone circulaire constitutive des électrodes de détection élémentaires 31i peut, ainsi que représenté en figure 5b, être subdivisée en une pluralité de segments identiques, chaque segment correspondant à une capacité de comptage déterminée. Cette subdivision en segments sera utilisée lorsque les taux de comptage sont très élevés, les segments étant dits identiques lorsque ces segments présentent une surface identique. Sur la figure 5b, on a représenté une subdivision en quatre secteurs afin de ne pas surcharger le dessin. Toutefois, et dans le cas où on utilise un cercle ou zone circulaire de diamètre 5 cm pour constituer une électrode de détection élémentaire 31i par exemple, l'ensemble des zones circulaires peut être subdivisé en cent parties de 1,5 mm, chaque partie ou segment étant relié à une électronique de comptage dont la capacité de comptage est de l'ordre de 1 MHz par exemple. Il est alors possible de compter avec une vitesse de comptage de 100 Mhz pour l'ensemble de l'électrode de détection élémentaire 31i, ce qui permet bien entendu d'envisager une application avec un détecteur conforme à l'objet de la présente invention, dans le mode de réalisation de celui-ci à partir d'une chambre asymétrique améliorée ou optimisée.
Dans un tel cas, un détecteur à gaz conforme à l'objet de la présente invention atteint des performances comparables à celles des détecteurs à phosphore effaçable utilisés normalement dans ces applications en raison des très grandes intensités de rayonnement émises à partir des sources de rayonnement X synchrotrons.
En outre, si le taux de comptage est énorme, supérieur par exemple à 108 Hz, chaque bande circulaire peut par exemple être subdivisée en 20 secteurs d'angle au centre de 18". Chaque secteur peut alors, de manière particulièrement avantageuse, être constitué de façon à former une électrode élémentaire 31i formée par un motif en couronne, ainsi que représenté précédemment en figure 4a. Dans cette application toutefois, les motifs en couronne, ainsi que représenté en figure 5c, conservent la forme générale des secteurs circulaires, d'angle d'ouverture 18". Dans ce mode de réalisation, en raison du fait qu'un nombre de sorties étanches égal à 250 x 20 = 5000 ne peut être facilement réalisé, il est possible de regrouper les segments de même rayon selon un nombre de segments, fonction de la valeur du rayon, sur des cercles intermédiaires situés à des profondeurs différentes, afin de diminuer le nombre des sorties.
I1 est alors possible de porter les électrodes élémentaires ou la partie de celles-ci qui sont reliées ensemble à un potentiel électrique déterminé, celui de l'anode représentée en figure 2b dans le cas d'une chambre asymétrique améliorée ou optimisée. On peut ainsi obtenir des taux de comptage partiels, fonctions de la valeur du rayon des segments du groupe considéré.
Il est en outre possible de prévoir, au niveau de chaque secteur de même position angulaire, un système de lecture analogique de type vernier, ainsi que représenté en figures 5d et 5e.
Le système de lecture analogique peut consister, ainsi que représenté en figure 5d, en deux bandes complémentaires en forme de triangle rectangle T1, T2 opposé par leur hypoté nuse et placées symétriquement par rapport à la bissectrice OB du secteur considéré. La lecture de la position valeur de rayon r de la bande circulaire, siège d'une tension électrique de détection, est donnée par le rapport de la valeur des tensions détectées au niveau de chaque bande complémentaire.
Dans une variante de réalisation représentée en figure 5e, les deux bandes complémentaires en forme de triangle T'1,
T'2 occupent ensemble la totalité de la surface du secteur circulaire d'angle 18". Dans ce cas, la forme des bandes complémentaires peut être choisie de façon que la position de la bande circulaire soit donnée par le rapport de la valeur des tensions détectées. Un étalonnage fin de la position, valeur du rayon, peut être réalisé.
T'2 occupent ensemble la totalité de la surface du secteur circulaire d'angle 18". Dans ce cas, la forme des bandes complémentaires peut être choisie de façon que la position de la bande circulaire soit donnée par le rapport de la valeur des tensions détectées. Un étalonnage fin de la position, valeur du rayon, peut être réalisé.
Claims (14)
1. Détecteur à gaz de rayonnements ionisants, caractérisé en ce qu'il comporte, en combinaison, dans une enceinte à gaz sous pression
- des moyens d'absorption dudit rayonnement ionisant permettant d'engendrer des électrons à partir de ce rayonnement ionisant
- des moyens d'amplification par phénomène d'avalanche électronique desdits électrons
- des moyens de détection et de lecture desdites avalanches électroniques comportant au moins
une électrode de détection présentant une pluralité
d'électrodes de détection élémentaires destinées à
détecter la charge électrique desdites avalanches
un circuit d'interfaçage électriquement couplé à ladite
électrode de détection, ce circuit d'interfaçage compor
tant une pluralité de sorties de détection et permettant
d'assurer l'étanchéité de ladite enceinte à gaz.
2. Détecteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit circuit d'interfaçage comprend une contreélectrode de détection présentant une pluralité de contreélectrodes de détection élémentaires, chaque contre-électrode de détection elémentaire étant couplée électrostatiquement à au moins une électrode de détection elémentaire, afin de permettre la transmission de la charge électrique détectée desdites avalanches électroniques en vue de leur comptage, lesdites électrode de détection et contre-électrode de détection permettant d'assurer l'étanchéité au gaz de ladite enceinte à gaz sous pression.
3. Détecteur selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que lesdits moyens d'absorption dudit rayonnement ionisant et lesdits moyens d'amplification par phénomène d'avalanche électronique sont formés par une chambre à fils de type asymétrique, lesdites électrode de détection et électrode de détection élémentaires formant une électrode de cathode et des électrodes de cathode élémentaires respecti vement.
4. Détecteur selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que lesdits moyens d'absorption dudit rayonnement ionisant et lesdits moyens d'amplification par phénomène d'avalanche sont formés par une première, une deuxième et une troisième électrode plane parallèles, la troisième électrode distante de la deuxième d'une distance inférieure à 200 um constituant une électrode d'anode et formant ladite électrode de détection constituée par des anodes élémentaires.
5. Détecteur selon l'une des revendications 2 à 4, caractérisé en ce que ladite électrode de détection formée par lesdites électrodes de détection élémentaires et ladite contre-électrode de détection formée par lesdites contreélectrodes de détection élémentaires sont formées par au moins une couche de matériau électriquement isolant, lame à faces sensiblement parallèles, une première face de ladite lame, placée à l'intérieur de ladite enceinte à gaz étant munie d'éléments électriquement conducteurs, formant chacun une électrode de détection élémentaire, et une deuxième face de ladite lame placée à l'extérieur de ladite enceinte à gaz étant munie d'éléments électriquement conducteurs formant chacun une contre-électrode de détection élémentaire.
6. Détecteur selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que lesdites électrodes de détection élémentaires et lesdites contre-électrodes de détection élémentaires sont alignées suivant deux directions orthogonales de façon à permettre un repérage bidimensionnel X,Y desdites avalanches électroniques.
7. Détecteur selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que lesdites électrodes de détection élémentaires et lesdites contre-électrodes de détection élémentaires sont constituées par des zones de matériau électriquement conducteur de forme sensiblement carrée et alignées pour former un damier, matrice de détection bidimensionnelle.
8. Détecteur selon la revendication 7, caractérisé en ce que les zones conductrices de forme sensiblement carrée sont subdivisées chacune en deux éléments triangulaires séparés par un espace diagonal, un élément triangulaire sur deux éléments triangulaires successifs formant lesdites contre-électrodes de détection élémentaires dans le sens de parcours de l'une ou l'autre direction bidimensionnelle étant interconnecté à une ligne de comptage affectée à l'une des directions bidimensionnelles.
9. Détecteur selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que ledit circuit d'interfaçage est formé par un circuit de type circuit imprimé multicouche, formé par un ensemble de couches élémentaires superposées, l'une des faces du circuit imprimé multicouche, orientée vers l'intérieur de ladite enceinte à gaz comportant ladite électrode de détection, chaque couche élémentaire comportant une pluralité de liaisons électriques intercouches permettant d'assurer la connexion électrique desdites électrodes de détection élémentaires vers une autre face du circuit imprimé multicouche orientée vers l'extérieur de ladite enceinte à gaz, lesdites liaisons électriques étant étanches au gaz contenu dans l'enceinte à gaz.
10. Détecteur selon les revendications 6, 7 et 9, caractérisé en ce que les zones conductrices de forme sensiblement carrée formant les électrodes de détection élémentaires présentent une configuration plane dans le plan
X,Y de détection bidimensionnelle adaptée à la dimension plane correspondante desdites avalanches, ce qui permet d'optimiser la résolution spatiale des électrodes de détection élémentaires placées sur la face de la première couche élémentaire orientée vers l'intérieur de ladite enceinte à gaz sous pression.
11. Détecteur selon la revendication 10, caractérisé en ce que lesdites zones conductrices sont formées chacune par une pluralité de couronnes concentriques, chaque couronne de rang pair respectivement impair d'une même zone conductrice étant interconnectée en parallèle dans la direction Z perpendiculaire aux directions X,Y de détection bidimensionnelle, l'ensemble desdites couronnes de rang pair respectivement impair étant affecté à l'une respectivement l'autre desdites directions de détection bidimensionnelle
X,Y, ce qui permet de réduire le nombre de sorties tout en conservant un taux de comptage élevé.
12. Détecteur selon la revendication 11, caractérisé en ce que, dans le cas de la détection des phénomènes de diffraction de LAUE, lesdites couronnes sont constituées par des zones circulaires concentriques.
13. Détecteur selon la revendication 12, caractérisé en ce que chaque zone circulaire est subdivisée en une pluralité de segments identiques, chaque segment correspondant à une capacité de comptage déterminé.
14. Détecteur selon l'une des revendications 6 à 13, caractérisé en ce que, à chaque direction bidimensionnelle est affecté un nombre donné de lignes de comptage f Xl à
X,, i ; f Y1 à yn i, chaque ligne de comptage étant reliée électriquement à au moins une zone conductrice formant électrode élémentaire respectivement contre-électrode élémentaire de détection, l'ensemble des lignes de comptage affectées à chaque direction étant muni d'un dispositif de détection de type vernier du rang de la ligne de comptage soumise aux charges électriques d'une avalanche électronique.
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| FR2754068B1 (fr) | 1998-11-27 |
| WO1998014981A1 (fr) | 1998-04-09 |
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