FR2924502A1

FR2924502A1 - Ionizing radiation detector e.g. X-ray or gamma ray detector has scintillator material in contact with avalanche photodiode through optical coupling

Info

Publication number: FR2924502A1
Application number: FR0759555A
Authority: FR
Inventors: Jeremy Flamanc; Guillaume Gautier
Original assignee: Saint Gobain Cristaux and Detecteurs SAS
Current assignee: Luxium Solutions SAS
Priority date: 2007-12-04
Filing date: 2007-12-04
Publication date: 2009-06-05
Anticipated expiration: 2027-12-04
Also published as: FR2924502B1

Abstract

A scintillator material (8) is in contact with an avalanche photodiode (5) through an optical coupling (6). The scintillator material is a rare-earth halide single crystal, single crystal of cerium doped lanthanum bromide. The optical coupling is epoxy adhesive.

Description

1 DETECTEUR DE RADIATIONS X ou GAMMA L'invention concerne le domaine de la détection des radiations X ou gamma à l'aide d'un cristal scintillateur. The invention relates to the field of detection of X or gamma radiation using a scintillator crystal.

Les radiations X ou gamma sont habituellement détectées à l'aide de monocristaux scintillateurs qui convertissent les radiations incidentes X ou gamma en lumière, laquelle est alors transformée en un signal électrique à l'aide d'un photomultiplicateur. Les scintillateurs utilisés peuvent notamment être en monocristal dopé de NaI, CsI, halogénure de Lanthane. Les cristaux à base d'halogénure de lanthane ont fait l'objet de travaux récents tels que ceux publiés sous US7067815, US7067816, US2005/188914, US2006/104880, US2007/241284. Ces cristaux sont prometteurs en terme d'intensité lumineuse et de résolution mais nécessitent des précautions particulières du fait de leur caractère hygroscopique. X or gamma radiation is usually detected using scintillator monocrystals that convert incident X or gamma radiation into light, which is then converted into an electrical signal using a photomultiplier. The scintillators used can in particular be monocrystal doped with NaI, CsI, Lanthanum halide. The lanthanum halide based crystals have been the subject of recent work such as those published under US7067815, US7067816, US2005 / 188914, US2006 / 104880, US2007 / 241284. These crystals are promising in terms of light intensity and resolution but require special precautions because of their hygroscopic nature.

Ces systèmes de détection trouvent une utilisation dans le domaine des scanners d'imagerie médicale, les portiques d'aéroport, la prospection pétrolière. La transformation de la lumière émise par le cristal en signal électrique est généralement réalisée par un photomultiplicateur. Les photomultiplicateurs sont relativement encombrants et fragiles, du fait de l'ampoule de verre qu'ils contiennent. Il existe un besoin en système de détection de rayons X ou gamma qui soit portable par une personne. En effet, on souhaite que des personnes, notamment affectées à la sécurité, puissent aisément détecter ce genre de radiation de par leur simple présence. Ce besoin existe notamment dans les aéroports. Il s'agit par exemple de détecter les sources illicites radioactives. Ces systèmes doivent détecter les rayons X ou gamma et, de préférence être capable d'identifier la source de radiation. Il est donc utile de développer des systèmes compacts de détection des rayons X ou gamma. Un tel détecteur compact doit être le plus petit possible tout en conservant de bonnes propriétés de détection, notamment en ce qui concerne la résolution du signal et la linéarité en énergie (c'est-à-dire la proportionnalité entre l'énergie des photons X ou gamma et la réponse du détecteur). Notamment, le photomultiplicateur habituellement utilisé pour transformer la lumière du scintillateur en signal électrique occupe un volume assez important, de l'ordre de 180 cm3, et il est souhaitable de pouvoir réduire ce volume. De plus, les photomultiplicateurs sont sensibles aux champs magnétiques extérieurs, comme celui de la Terre par exemple. Les photodiodes sont capables de détecter la lumière, mais elles produisent généralement du bruit détériorant la résolution et le seuil de l'énergie minimale détectable (60 keV typiquement). On peut améliorer les performances et la résolution obtenue en refroidissant la photodiode. Il existe plusieurs types de photodiodes : PN, PIN, photodiode à avalanche (en mode linéaire ou en mode Geiger), Silicone Drift Detectors, etc. These detection systems find use in the field of medical imaging scanners, airport gantries, oil prospecting. The transformation of the light emitted by the crystal into an electrical signal is generally carried out by a photomultiplier. Photomultipliers are relatively bulky and fragile, because of the glass bulb they contain. There is a need for an X-ray or gamma-ray detection system that is portable by a person. Indeed, it is hoped that people, particularly those assigned to security, can easily detect this kind of radiation by their mere presence. This need exists especially in airports. This involves, for example, detecting illicit radioactive sources. These systems must detect X or gamma rays and preferably be able to identify the radiation source. It is therefore useful to develop compact X-ray or gamma-ray detection systems. Such a compact detector should be as small as possible while retaining good detection properties, especially as regards signal resolution and energy linearity (ie the proportionality between the energy of the X photons). or gamma and the detector response). In particular, the photomultiplier usually used to transform the scintillator light into an electrical signal occupies a fairly large volume, of the order of 180 cm3, and it is desirable to be able to reduce this volume. In addition, photomultipliers are sensitive to external magnetic fields, such as that of the Earth for example. Photodiodes are capable of detecting light, but they generally produce noise that degrades the resolution and threshold of the minimum detectable energy (typically 60 keV). The performance and resolution obtained by cooling the photodiode can be improved. There are several types of photodiodes: PN, PIN, avalanche photodiode (in linear or Geiger mode), Silicone Drift Detectors, etc.

L'article de R. Scafè et al, Nuclear Instruments and methods in Physics Research A 571 (2007) 355-357 enseigne la détection de la lumière émise par un cristal LaBr3 :Ce par une photodiode à avalanche. Le cristal présentait un diamètre de 12 mm et la photodiode une surface de 5 mm x 5 mm. Le cristal était fourni par Saint-Gobain et était encapsulé dans un boîtier en aluminium avec une fenêtre en verre de 5 mm d'épaisseur. La photodiode était en dehors de ce boîtier et recevait la lumière émise par le cristal au travers de la fenêtre en verre. Le préamplificateur était a fortiori aussi en dehors du boitier. Le rayonnement X ou gamma était reçu au travers d'une fenêtre en aluminium de 0,5 mm d'épaisseur. La résolution observée était de 7,3% pour des photons incidents d'énergie 662 keV. The article by R. Scafè et al, Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A 571 (2007) 355-357 teaches the detection of light emitted by a LaBr3: Ce crystal by an avalanche photodiode. The crystal had a diameter of 12 mm and the photodiode a surface of 5 mm x 5 mm. The crystal was supplied by Saint-Gobain and encapsulated in an aluminum housing with a 5 mm thick glass window. The photodiode was outside this case and received the light emitted by the crystal through the glass window. The preamplifier was a fortiori also outside the box. X or gamma radiation was received through an aluminum window 0.5 mm thick. The observed resolution was 7.3% for incident photons of 662 keV energy.

L'article de K. S. Shah et al, IEEE Transactions on Nuclear Science, vol 51, N° 5, October 2004, compare la détection de la lumière émise par un cristal LaBr3 dopé à 0,5% Ce d'une part par une photodiode à avalanche et d'autre part par un photomultiplicateur. La photodiode à avalanche était refroidie à 250 K (soit -23°C). Cet article conclue qu'à température ambiante, la détection par photomultiplicateur serait choisie pour obtenir la plus haute résolution. L'article de C. P. Allier et al, Nuclear Instruments ans methods in Physics Research A 485 (2007) 547-550 relate la détection de la lumière émise par un cristal LaCl3 :Ce par une photodiode à avalanche fonctionnant sous une tension de 1610 Volts. La photodiode était couplée au cristal par le biais d'une graisse silicone de basse viscosité. Compte tenu du caractère hygroscopique du cristal utilisé et s'agissant d'un système expérimental en milieu universitaire, le montage était nécessairement réalisé entièrement en boîte à gant sous atmosphère inerte, ladite boîte à gant contenant la source radioactive, le cristal et la photodiode refroidie. La résolution rapportée était de 3,65 % sous 662 keV. (Rappelons que la 3 résolution en pourcentage est la largeur à mi-hauteur du pic photo-électrique divisé par l'énergie de ce pic et multiplié par 100). On a maintenant trouvé la possibilité de réaliser un système de détection à température ambiante (sans système de refroidissement) comprenant une photodiode à avalanche et menant à une excellente résolution, pouvant être inférieure à 3,5%, voire même inférieure à 3%, voire même inférieure à 2,9% à 662 keV). Il faut bien comprendre que plus on améliore la résolution d'un système de détection, plus il est difficile de l'améliorer encore. Ainsi, avec un cristal à base de bromure de lanthane, le passage par exemple d'une résolution de 3,0 à 2,9% est un progrès très significatif. Le système de détection repose sur la compacité de ses différents composants, tous disposés dans un boitier étanche. Ainsi l'invention concerne un boîtier étanche pour la détection de rayons X ou gamma comprenant un cristal scintillateur du type halogénure de terre rare, une photodiode à avalanche couplée au cristal, un préamplificateur du signal électrique de ladite photodiode. Il semble que la compacité de ce système, en réduisant la distance entre ses différents composants, permet de réduire au minimum le bruit venant habituellement détériorer la résolution et le seuil de détection. Le boîtier selon l'invention est de petite taille, pouvant être inférieure à 1000 cm3 et même inférieure à 500 cm3 et même inférieur à 300 cm3, et même inférieur à 60 cm3 (les inventeurs ont même déjà obtenu un volume aussi petit que 50,4 cm3). Ainsi, le boîtier selon l'invention peut même être de taille inférieure à un simple photomultiplicateur. Le boîtier de détection selon l'invention est léger, robuste, portatif (il tient dans la main, dans une poche, etc.), résistant aux chocs et aux vibrations, résistant aux intempéries. The article by KS Shah et al, IEEE Transactions on Nuclear Science, vol 51, No. 5, October 2004, compares the detection of the light emitted by a LaBr3 crystal doped with 0.5% Ce on the one hand by a photodiode avalanche and secondly by a photomultiplier. The avalanche photodiode was cooled to 250 K (ie -23 ° C). This article concludes that at room temperature, photomultiplier detection would be chosen to obtain the highest resolution. The article by C. P. Allier et al, Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A 485 (2007) 547-550 relates the detection of the light emitted by a LaCl 3: Ce crystal by an avalanche photodiode operating at a voltage of 1610 volts. The photodiode was coupled to the crystal through a low viscosity silicone grease. Given the hygroscopic nature of the crystal used and being an experimental system in a university environment, the assembly was necessarily carried out entirely in glove box under inert atmosphere, said glove box containing the radioactive source, the crystal and the cooled photodiode . The reported resolution was 3.65% at 662 keV. (Remember that the 3 percentage resolution is the half-height width of the photoelectric peak divided by the energy of this peak and multiplied by 100). It has now been found possible to realize a room temperature detection system (without cooling system) comprising an avalanche photodiode and leading to an excellent resolution, which may be less than 3.5%, or even less than 3%, or even even less than 2.9% at 662 keV). It must be understood that the better the resolution of a detection system, the more difficult it is to improve it further. Thus, with a crystal based lanthanum bromide, the passage for example a resolution of 3.0 to 2.9% is a very significant progress. The detection system is based on the compactness of its various components, all arranged in a waterproof case. Thus, the invention relates to a sealed housing for the detection of X or gamma rays comprising a scintillator crystal of the rare earth halide type, an avalanche photodiode coupled to the crystal, a preamplifier of the electrical signal of said photodiode. It seems that the compactness of this system, by reducing the distance between its different components, makes it possible to reduce to a minimum the noise that usually deteriorates the resolution and the detection threshold. The casing according to the invention is of small size, which can be less than 1000 cm 3 and even less than 500 cm 3 and even less than 300 cm 3, and even less than 60 cm 3 (the inventors have even already obtained a volume as small as 50, 4 cm3). Thus, the housing according to the invention can even be smaller than a single photomultiplier. The detection box according to the invention is lightweight, robust, portable (it fits in the hand, in a pocket, etc.), resistant to shock and vibration, weather resistant.

Le boîtier selon l'invention est un contenant, de préférence en métal et il doit laisser passer les radiations à détecter jusqu'au cristal scintillateur. Le boîtier peut donc être au moins partiellement, ou totalement, en un métal laissant passer les radiations X ou gamma, comme en aluminium (on convient que le terme aluminium recouvre également les alliages d'aluminium compatibles avec l'application, c'est-à-dire perméables aux radiations X ou gamma). Notamment, une face du boîtier peut plus particulièrement faire office de fenêtre pour recevoir les radiations. Ainsi, la face faisant fenêtre du boîtier peut être un peu plus fine que les autres parois du boitier. Par exemple, le boîtier peut être un parallélépipède entièrement en aluminium (ou alliage d'aluminium) et comprendre 4 une face plus fine que les autres. A titre d'exemple, cette face peut être de 0,5 mm d'épaisseur d'aluminium, les autres parois pouvant par exemple être de 1 mm d'épaisseur d'aluminium. Le boîtier contient le matériau scintillateur comprenant un halogénure de terre rare. Il est généralement du type monocristal et comprend un halogénure de terre rare essentiellement du type chlorure, bromure, iodure, ou fluorure, généralement de formule AnLnpX(3p+n) dans laquelle Ln représente une ou plusieurs terre rare(s), X représente un ou plusieurs atome(s) d'halogène choisi parmi F, Cl, Br ou I, et A représente un ou plusieurs alcalin(s) comme K, Li, Na, Rb ou Cs, n et p représentant des valeurs telles que - n, pouvant être nul, est inférieur où égal à 3p, - p est supérieur ou égal à 1. Les terres rares (sous forme d'halogénures) concernées sont celles de la colonne 3 du tableau périodique des éléments, incluant Sc, Y, La, et les Lanthanides de Ce à Lu. Sont plus particulièrement concernés les halogénures de Y, La, Gd et Lu, notamment dopés au Ce ou Pr (le terme dopant se référant ici à une terre rare généralement minoritaire en mole, se substituant à une ou plusieurs terres rares généralement majoritaires en mole, les minoritaires et majoritaires étant compris sous le sigle Ln) . The housing according to the invention is a container, preferably of metal and it must let the radiation to be detected up to the crystal scintillator. The housing can therefore be at least partially, or totally, of a metal allowing X or gamma radiation to pass, such as aluminum (it is agreed that the term aluminum also covers the aluminum alloys compatible with the application, that is, that is permeable to X or gamma radiation). In particular, a face of the housing can more particularly be used as a window for receiving radiation. Thus, the window-side of the housing may be a little thinner than the other walls of the housing. For example, the housing may be a parallelepiped made entirely of aluminum (or aluminum alloy) and include one side finer than the others. By way of example, this face may be 0.5 mm thick aluminum, the other walls may for example be 1 mm thick aluminum. The housing contains the scintillator material comprising a rare earth halide. It is generally of the single-crystal type and comprises a rare earth halide essentially of the chloride, bromide, iodide or fluoride type, generally of formula AnLnpX (3p + n) in which Ln represents one or more rare earths, X represents a or a plurality of halogen atom (s) selected from F, Cl, Br or I, and A represents one or more alkali (s) such as K, Li, Na, Rb or Cs, where n and p represent values such that - n , which may be nil, is less than or equal to 3p, - p is greater than or equal to 1. The rare earths (in the form of halides) concerned are those in column 3 of the Periodic Table of the Elements, including Sc, Y, La , and the Lanthanides from Ce to Lu. More particularly concerned are the halides of Y, La, Gd and Lu, in particular doped with Ce or Pr (the term dopant refers here to a rare earth generally minority in mole, replacing a or several rare earths generally majority in mole, the minor the majority of which are included under the symbol Ln).

Notamment, sont plus particulièrement concernés les matériaux de formule AnLnp_XLn'XX(3p+n) dans laquelle A, X, n et p ont la signification précédemment donnée, Ln étant choisi parmi Y, La, Gd, Lu ou un mélange de ces éléments, Ln' étant un dopant tel que Ce ou Pr, et x est supérieur ou égal à 0,01 p et inférieur à p, et va plus généralement de 0,01p à 0,9p. On s'intéresse dans le cadre de l'invention notamment aux matériaux combinant les caractéristiques suivantes : - A choisi parmi Li, Na et Cs, - Ln choisi parmi Y, La, Gd, Lu ou un mélange de ces terres rares, Ln étant plus particulièrement La, - Ln' étant Ce, - X choisi parmi F, Cl, Br, I ou un mélange de plusieurs de ces halogènes, notamment un mélange de Cl et Br, ou un mélange de Br et I. Un matériau scintillateur particulièrement adapté est un monocristal comprenant LaX3 dopé au cérium (Ce), X représentant Br, Cl ou I, les mélanges d'halogène, notamment chorure/bromure étant possible. Quand on parle d'halogénure de terre rare dopé au Cérium, l'homme du métier sait immédiatement que le Cérium est sous forme halogéné, c'est-à-dire que l'halogénure de terre rare contient de l'halogénure de Cérium. Notamment, les monocristaux suivants sont particulièrement adaptés : 5 - LaBr3 dopé par 1% à 30 % en mole de CeBr3 ; - LaCI3 dopé par 1% à 30% en mole de CeCI3; - yLaBr3+(1-y)CeBr3 avec y>0 Le matériau scintillateur peut notamment être cylindrique ou parallélépipédique et être de plus grande dimension selon un axe. Cet axe est alors perpendiculaire au plan de la photodiode. Le matériau scintillateur est placé dans le boîtier à proximité immédiate de la paroi du boîtier faisant office de fenêtre. Un tapis d'un matériau absorbeur de choc peut être placé entre le cristal et la paroi du boitier. Le matériau scintillateur peut avoir un volume compris entre 0,1 et 300 cm3. Il peut s'agir par exemple d'un parallélépipède de dimension 9x9x20mm3. Le matériau scintillateur est généralement enrobé dans un réflecteur de lumière. Ce réflecteur recouvre de préférence tous les côtés du matériau scintillateur, sauf la zone par laquelle la lumière émise par le scintillateur doit passer pour atteindre la photodiode. Le réflecteur de lumière peut être en PTFE (polytétrafluoréthylène). Il peut donc s'agir d'une bande de PTFE avec laquelle on entoure le matériau scintillateur. Avant d'être enrobé dans le réflecteur de lumière, les faces externes du matériau scintillateur sont de préférence grattées (ou dépolies) par un matériau abrasif comme un papier abrasif (notamment de grain 400). La rugosité ainsi donnée à la surface renforce le flux de la lumière reçue par le photodétécteur. Le boîtier comprend une photodiode à avalanche. Cette photodiode est en contact avec le matériau scintillateur par l'intermédiaire d'un matériau coupleur optique. Il peut s'agir d'une graisse du type silicone (polysiloxane) ou de tout autre matériau transparent non adhésif, mais de préférence, ce coupleur optique est une colle du type époxy. Lorsque la colle époxy est durcie, la photodiode et le cristal sont solidaires. Le coupleur optique a un indice de réfraction compris entre celui du matériau scintillateur et celui de la photodiode à avalanche. Lorsque le coupleur optique est solide (cas de la colle époxy), on le choisi de préférence de sorte que son coefficient de dilatation thermique soit compris entre celui de la 6 photodiode à avalanche et celui du matériau scintillateur. Il peut de plus être relativement souple. De la sorte, le coupleur solide absorbe mieux les différences de dilatation thermique des deux matériaux qu'il relie. Cela réduit les risques d'éclatement du cristal en cas de trop forts échauffements. In particular, are more particularly concerned materials of formula AnLnp_XLn'XX (3p + n) in which A, X, n and p have the meaning previously given, Ln being chosen from Y, La, Gd, Lu or a mixture of these elements. Ln 'being a dopant such as Ce or Pr, and x is greater than or equal to 0.01 p and less than p, and more generally from 0.01p to 0.9p. Of particular interest in the context of the invention are materials combining the following characteristics: - chosen from Li, Na and Cs, - Ln chosen from Y, La, Gd, Lu or a mixture of these rare earths, Ln being more particularly La, - Ln 'being Ce, - X selected from F, Cl, Br, I or a mixture of several of these halogens, in particular a mixture of Cl and Br, or a mixture of Br and I. A particularly scintillating material adapted is a single crystal comprising LaX3 doped with cerium (Ce), X representing Br, Cl or I, mixtures of halogen, including choride / bromide being possible. When one speaks of rare earth halide doped with cerium, the person skilled in the art knows immediately that cerium is in halogenated form, that is to say that the rare earth halide contains cerium halide. In particular, the following single crystals are particularly suitable: LaBr 3 doped with 1% to 30% by mole of CeBr 3; LaCI3 doped with 1% to 30% by mole of CeCl3; - yLaBr3 + (1-y) CeBr3 with y> 0 The scintillator material may in particular be cylindrical or parallelepiped and be of larger dimension along an axis. This axis is then perpendicular to the plane of the photodiode. The scintillator material is placed in the housing in close proximity to the window housing wall. A mat of shock-absorbing material may be placed between the crystal and the wall of the housing. The scintillator material may have a volume of between 0.1 and 300 cm3. It may be for example a parallelepiped of dimension 9x9x20mm3. The scintillator material is generally embedded in a light reflector. This reflector preferably covers all sides of the scintillator material, except the area through which the light emitted by the scintillator must pass to reach the photodiode. The light reflector may be made of PTFE (polytetrafluoroethylene). It can therefore be a PTFE strip with which the scintillator material is surrounded. Before being embedded in the light reflector, the outer faces of the scintillator material are preferably scraped (or frosted) by an abrasive material such as abrasive paper (in particular of grain 400). The roughness thus given to the surface enhances the flow of light received by the photodetector. The housing includes an avalanche photodiode. This photodiode is in contact with the scintillator material via an optical coupler material. It may be a grease of the silicone type (polysiloxane) or any other non-adhesive transparent material, but preferably, this optical coupler is an epoxy type glue. When the epoxy glue is hardened, the photodiode and the crystal are solid. The optical coupler has a refractive index between that of the scintillator material and that of the avalanche photodiode. When the optical coupler is solid (in the case of epoxy glue), it is preferably chosen so that its coefficient of thermal expansion is between that of the avalanche photodiode and that of the scintillator material. It can moreover be relatively flexible. In this way, the solid coupler better absorbs the differences in thermal expansion of the two materials that it connects. This reduces the risk of the crystal burst in the event of excessive heating.

La photodiode à avalanche est généralement un composant plat présentant deux faces principales. C'est une de ces faces principales qui est en contact avec une face plane du matériau scintillateur par l'intermédiaire du coupleur optique. De préférence, la face du matériau scintillateur en contact avec la photodiode (face de contact du matériau scintillateur) est circonscrite dans la face de la photodiode avec laquelle elle est en contact (face de contact de la photodiode). De préférence, la face de contact du matériau scintillateur et la face de contact de la photodiode ont la même forme (par exemple toutes les deux carrées), la face de contact du matériau scintillateur étant de préférence un peu plus petite (de façon homothétique) que la face de contact de la photodiode. De préférence, tout point du bord de la face de contact du matériau scintillateur est à l'intérieur de la face de contact de la photodiode et à une distance du bord de la photodiode comprise entre 0,1 et 3 mm et de préférence entre 0,2 et 0,7 mm. De préférence, l'aire de la face de contact du matériau scintillateur est inférieure à 1,5 fois et même 1,2 fois et même 1 fois l'aire de la face de contact de la photodiode. De préférence, l'aire de la face de contact du matériau scintillateur va de 0,8 à 1 fois l'aire de la face de contact de la photodiode. Ainsi, l'invention concerne aussi le système de détection comprenant le matériau scintillateur et la photodiode à avalanche, respectant les données de surface de contact qui viennent d'être données, même pour un système non compact. Un système compact est cependant préféré. De préférence, la photodiode à avalanche fonctionne sous une tension inférieure à 1050 volts et de manière encore préférée sous une tension inférieure à 450 volts. La photodiode a généralement deux connecteurs électriques. Ces deux connecteurs sont de préférence soudés directement sur un préamplificateur (dont les composants sont disposés sur un circuit imprimé), lequel est également incorporé dans le boîtier selon l'invention. Le préamplificateur peut notamment avoir les caractéristiques suivantes : alimentation +/-12V ou +24/0V, gain de 0,1V/pC à 10V/pC. De préférence on place entre la photodiode et le 7 préamplificateur un blindage électromagnétique comme une plaque en cuivre ou en laiton. Les connecteurs de la photodiode, isolées par des gaines en polymère ou par de la colle isolante, traversent le blindage à travers des orifices. Le photodétecteur utilisé dans le cadre de la présente invention est une photodiode à avalanche, ce terme recouvrant aussi une matrice de photodiodes à avalanche, c'est-à-dire un ensemble de photodiode à avalanche, groupées sur une face du cristal, et dont les signaux sont sommés. Les caractéristiques données plus haut sur la relation entre les aires de contact entre la photodiode à avalanche et le matériau scintillateur restent valables et c'est la surface cumulée des aires de contact des photodiodes à avalanche associées que l'on prend en considération. En particulier, la face de contact du matériau scintillateur a, dans ce cas, une surface plus grande que la surface cumulée de contact des photodiodes à avalanche. Comme exemple de photodétecteur constitué d'une matrice de photodiodes à avalanche en mod Geiger, on peut citer le silicon PMT. The avalanche photodiode is generally a flat component having two main faces. It is one of these main faces which is in contact with a plane face of the scintillator material via the optical coupler. Preferably, the face of the scintillator material in contact with the photodiode (contact face of the scintillator material) is circumscribed in the face of the photodiode with which it is in contact (contact face of the photodiode). Preferably, the contact face of the scintillator material and the contact face of the photodiode have the same shape (for example every two squares), the contact face of the scintillator material being preferably a little smaller (homothetically) than the contact face of the photodiode. Preferably, any point on the edge of the contact face of the scintillator material is inside the contact face of the photodiode and at a distance from the edge of the photodiode of between 0.1 and 3 mm and preferably between 0 and , 2 and 0.7 mm. Preferably, the area of the contact face of the scintillator material is less than 1.5 times and even 1.2 times and even 1 times the area of the contact face of the photodiode. Preferably, the area of the contact surface of the scintillator material ranges from 0.8 to 1 times the area of the contact face of the photodiode. Thus, the invention also relates to the detection system comprising the scintillator material and the avalanche photodiode, respecting the contact surface data that has just been given, even for a non-compact system. A compact system is however preferred. Preferably, the avalanche photodiode operates at a voltage of less than 1050 volts and more preferably at a voltage of less than 450 volts. The photodiode usually has two electrical connectors. These two connectors are preferably soldered directly to a preamplifier (whose components are arranged on a printed circuit), which is also incorporated in the housing according to the invention. In particular, the preamplifier can have the following characteristics: power supply +/- 12V or + 24 / 0V, gain of 0.1V / pC at 10V / pC. Preferably, an electromagnetic shielding such as a copper or brass plate is placed between the photodiode and the preamplifier. The photodiode connectors, insulated by polymer sheaths or insulating glue, pass through the shield through holes. The photodetector used in the context of the present invention is an avalanche photodiode, this term also covering a matrix of avalanche photodiodes, that is to say a set of avalanche photodiode, grouped on one side of the crystal, and of which the signals are summed. The characteristics given above on the relationship between the contact areas between the avalanche photodiode and the scintillator material remain valid and it is the cumulative area of the contact areas of the associated avalanche photodiodes that is taken into consideration. In particular, the contact face of the scintillator material has, in this case, a larger surface than the cumulative contact surface of the avalanche photodiodes. As an example of a photodetector consisting of a matrix of avalanche photodiodes in geiger mod, mention may be made of silicon PMT.

Le boîtier selon l'invention peut avoir un axe passant par le barycentre du matériau scintillateur et le barycentre de la fenêtre d'entrée des rayons X ou gamma. Quand on parcourt cet axe à partir de la fenêtre d'entrée, on rencontre successivement le réflecteur de lumière, le matériau scintillateur, le coupleur optique, la photodiode, le blindage, le préamplificateur. La photodiode, le blindage (lorsqu'il s'agit d'une plaque), et le circuit imprimé du préamplificateur peuvent notamment être perpendiculaires à cet axe. La fenêtre d'entrée peut aussi être latérale, c'est-à-dire parallèle à un axe du boitier. Si le boitier est un parallélépipède, 5 de ses faces (les 4 latérales + la face frontale) peuvent constituer la fenêtre d'entrée. The housing according to the invention may have an axis passing through the barycenter of the scintillator material and the centroid of the input window of X or gamma rays. When one traverses this axis starting from the entrance window, one meets successively the light reflector, the scintillator material, the optical coupler, the photodiode, the shielding, the preamplifier. The photodiode, the shield (when it is a plate), and the printed circuit of the preamplifier can in particular be perpendicular to this axis. The input window can also be lateral, that is to say parallel to an axis of the housing. If the case is a parallelepiped, 5 of its faces (the 4 lateral + the front face) can be the entrance window.

La compacité du détecteur selon l'invention se caractérise par l'absence de guide lumière entre le cristal et la photodiode à avalanche (sauf la fine couche de coupleur optique, notamment du type colle époxy, laquelle peut avoir une épaisseur inférieure à 0.5 mm), une courte distance entre le préamplificateur et le matériau scintillateur, de sorte que les deux points les plus proches, l'un du préamplificateur et l'autre du matériau scintillateur, peuvent être distants de généralement de moins de 2 cm. La figure 1 représente un détecteur compact selon l'invention. 8 La figure 2 illustre la linéarité, c'est-à-dire la proportionnalité entre l'énergie des photons X ou gamma incidents et la réponse du système de détection du détecteur compact selon un exemple de l'invention. La figure 3 représente le spectre d'une source d'Am241 mesuré à l'aide d'un système compact de détection selon l'invention. La figure 4 représente le spectre d'une source de Cs137 (énergie des photons incidents de 662keV) mesuré par un système compact selon l'invention. The compactness of the detector according to the invention is characterized by the absence of a light guide between the crystal and the avalanche photodiode (except the thin layer of optical coupler, in particular of the epoxy glue type, which may have a thickness of less than 0.5 mm) a short distance between the preamplifier and the scintillator material, so that the two closest points, one of the preamplifier and the other of the scintillator material, can be generally less than 2 cm apart. FIG. 1 represents a compact detector according to the invention. Figure 2 illustrates the linearity, i.e., the proportionality between the energy of the incident X or gamma photons and the response of the detector system of the compact detector according to an example of the invention. FIG. 3 represents the spectrum of an Am241 source measured with the aid of a compact detection system according to the invention. FIG. 4 represents the spectrum of a source of Cs137 (incident photon energy of 662keV) measured by a compact system according to the invention.

EXEMPLES On a utilisé comme matériaux scintillateurs des monocristaux de : - CsI dopé par 0.8% en mole de Tl noté CsI - Nal dopé par du Tl noté Nal -LaCI3 dopé par 10 % en mole de CeCI3 noté LaCI3 - LaBr3 dopé par 5% en mole de CeBr3 noté LaBr3 Ceux-ci pouvaient avoir les formes suivantes : -cylindrique : Diamètre hauteur 25,4 25,4 mm noté 25x25 12,8 12,8 mm noté 13x13 13 12 mm noté 13x12 6 6 mm noté 6x6 - parallélépipédique : Face de contact hauteur L'énergie des rayons incidents étaient de 662 keV. Les photodiodes étaient à température ambiante. La photodiode à avalanche était du type Hamamatsu S8664-1010. La photodiode PIN était de type Hamamatsu S3590-08. Le préamplificateur était du type H4083 de Hamamatsu. Les résultats sont rassemblés dans le tableau 1. Le résultat de la dernière ligne illustre l'excellence d'un système compact c'est-à-dire comportant un boitier intégrant à faible distance les uns des autres le matériau détecteur, la photodiode à avalanche et un préamplificateur. 10x10 10 mm noté 10x10x10 9x9 20 mm noté 9x9x20 Monocristal Guide Blindage Compacité Photodiode Aire Seuil de Résolution scintillateur Lumière Photodiode détection à 662 keV (cm2) (keV) Nature Forme LaBr 13x13 Verre NON NON APD 1 20 4,0 LaBr 10x10x10 Verre NON NON APD 1 19 3,0 LaBr 6x6 Verre NON NON APD 1 20 3,1 LaBr 13x13 Verre NON NON PIN 1 270 13,8 LaBr 12x6 Verre NON NON PIN 1 120 12,6 LaBr 6x6 Verre NON NON PIN 1 100 11,3 Csl 6x6 Verre NON NON APD 1 30 5,6 Nal 10x10x10 Verre NON NON APD 1 23 6,4 LaCI 13x13 Verre NON NON PIN 1 Non calculable LaBr 13x12 Verre NON NON PIN 1 Non calculable LaBr 25x25 Verre NON NON APD 1 66 5,0 LaBr 9x9x20 NON OUI OUI APD 1 10 2,8 Tableau 1 La figure 2 illustre la bonne linéarité du système, c'est-à-dire la proportionnalité entre l'énergie des photons X ou gamma incidents (en abscisse) et la réponse du système de détection (canal du pic photoélectrique, en ordonnée). Elle est évaluée en mesurant le canal du pic photoélectrique pour des rayons gamma incidents à 1332 keV (C060), 1173 keV (Co60), 662 keV (Cs137), 122 keV (Co57) et 60 keV (Am241). On constate l'absence de défaut de non linéarité. La figure 3 représente le spectre d'une source d'Am241 mesuré à l'aide du système compact de détection selon l'invention. Les photons incidents ont une énergie de 60keV. Le cristal a pour dimension 9x9x20 mm. On constate le seuil de détection à basse énergie de 10keV, ce qui est extrêmement performant. La figure 4 représente le spectre d'une source de Cs137 (énergie des photons incidents de 662keV). La résolution (largeur du pic à mi hauteur divisée par l'énergie) est de 2,8%. EXAMPLES Scintillating materials were used as monocrystals of: - CsI doped with 0.8 mol% of Tl denoted CsI-Nal doped with Tl denoted Nal -LaCl3 doped with 10 mol% of CeCI3 denoted LaCI3 - LaBr3 doped with 5% by mole of CeBr3 noted LaBr3 These could have the following forms: -cylindrical: Diameter height 25.4 25.4 mm noted 25x25 12.8 12.8 mm noted 13x13 13 12 mm noted 13x12 6 6 mm noted 6x6 - parallelepiped: Contact face height The energy of the incident rays was 662 keV. The photodiodes were at room temperature. The avalanche photodiode was Hamamatsu S8664-1010. The PIN photodiode was Hamamatsu S3590-08. The preamplifier was Hamamatsu type H4083. The results are summarized in Table 1. The result of the last line illustrates the excellence of a compact system that is to say having a housing incorporating at a small distance from each other the detector material, the avalanche photodiode and a preamplifier. 10x10 10 mm noted 10x10x10 9x9 20 mm noted 9x9x20 Monocrystal Guide Shield Compactness Photodiode Area Threshold Resolution scintillator Light Photodiode detection at 662 keV (cm2) (keV) Nature Shape LaBr 13x13 Glass NO NO APD 1 20 4.0 LaBr 10x10x10 Glass NO NO APD 1 19 3.0 LaBr 6x6 Glass NO NO APD 1 20 3.1 LaBr 13x13 Glass NO NO PIN 1 270 13.8 LaBr 12x6 Glass NO NO PIN 1 120 12.6 LaBr 6x6 Glass NO NO PIN 1 100 11.3 Csl 6x6 Glass NO NO APD 1 30 5.6 Nal 10x10x10 Glass NO NO APD 1 23 6.4 LaCI 13x13 Glass NO NO PIN 1 Not calculable LaBr 13x12 Glass NO NO PIN 1 Not calculable LaBr 25x25 Glass NO NO APD 1 66 5, 0 LaBr 9x9x20 NO YES YES APD 1 10 2.8 Table 1 Figure 2 illustrates the good linearity of the system, ie the proportionality between the energy of the incident X or gamma photons (as abscissa) and the response. detection system (photoelectric peak channel, ordinate). It is evaluated by measuring the photoelectric peak channel for incident gamma rays at 1332 keV (C060), 1173 keV (Co60), 662 keV (Cs137), 122 keV (Co57) and 60 keV (Am241). There is no lack of non-linearity. FIG. 3 represents the spectrum of an Am241 source measured with the aid of the compact detection system according to the invention. Incident photons have an energy of 60keV. The crystal has a dimension of 9x9x20 mm. We can see the low energy detection threshold of 10keV, which is extremely efficient. Figure 4 shows the spectrum of a source of Cs137 (incident photon energy of 662keV). The resolution (mid-height peak width divided by energy) is 2.8%.

Claims

An X-ray or gamma detector comprising a housing containing a scintillator material, an avalanche photodiode in contact with the scintillator material via an optical coupler, and a preamplifier.

2. Detector according to the preceding claim, characterized in that the scintillator material is embedded in a light reflector.

3. Detector according to one of the preceding claims, characterized in that it does not include a cooling system.

4. Detector according to one of the preceding claims, characterized in that the scintillator material is a single crystal of rare earth halide.

5. Detector according to the preceding claim, characterized in that the single crystal is Lanthanum bromide doped with cerium.

6. Detector according to one of the preceding claims, characterized in that the housing has a volume of less than 300 cm3.

7. Detector according to the preceding claim, characterized in that the housing has a volume of less than 60 cm3.

8. Detector according to one of the preceding claims, characterized in that the housing is aluminum.

9. Detector according to one of the preceding claims, characterized in that the optical coupler is an epoxy adhesive.

10. Detector according to one of the preceding claims, characterized in that the optical coupler has a refractive index between that of the scintillator material and that of the avalanche photodiode.

11. Detector according to one of the preceding claims, characterized in that the optical coupler has a coefficient of thermal expansion between that of the scintillator material and that of the avalanche photodiode.

12. Detector according to one of the preceding claims, characterized in that the area of the contact surface of the scintillator material is less than 1.5 times the area of the contact face of the avalanche photodiode. 11

13. Detector according to the preceding claim, characterized in that the area of the contact surface of the scintillator material is less than 1.2 times the area of the contact face of the avalanche photodiode.

14. Detector according to the preceding claim, characterized in that the area of the contact surface of the scintillator material is less than 1 times the area of the contact face of the avalanche photodiode.

15. Detector according to the preceding claim, characterized in that the area of the contact surface of the scintillator material is 0.8 to 1 times the area of the contact face of the avalanche photodiode.

16. Detector according to one of the preceding claims, characterized in that the contact face of the scintillator material and the contact face of the photodiode have the same shape.

17. Detector according to the preceding claim, characterized in that the shape is square.

18. Detector according to one of the preceding claims, characterized in that the contact face of the scintillator material is circumscribed in the contact face of the avalanche photodiode.

19. Detector according to one of the preceding claims, characterized in that any point on the edge of the contact face of the scintillator material is inside the contact face of the photodiode and at a distance from the edge of the photodiode included between 0.1 and 3 mm.

20. Detector according to the preceding claim, characterized in that any point on the edge of the contact face of the scintillator material is inside the contact face of the photodiode and at a distance from the edge of the photodiode between 0, 2 and 0.7 mm.

21. Detector according to one of the preceding claims, characterized in that the avalanche photodiode operates at a voltage of less than 1050 volts.

22. Detector according to one of the preceding claims, characterized in that the avalanche photodiode operates at a voltage less than 450 volts.

23. Detector according to one of the preceding claims, characterized in that the avalanche photodiode is a matrix of avalanche photodiodes.

24. Detector according to one of the preceding claims, characterized in that an electromagnetic shield is between the avalanche photodiode and the preamplifier.

25. Detector according to one of the preceding claims, characterized in that the two nearest points, one of the preamplifier and the other of the scintillator material, are separated by less than 2 cm.

26. Detector according to one of the preceding claims, characterized in that its resolution at 662 keV is less than 3.5%.

27. Detector according to the preceding claim, characterized in that its resolution at 662 keV is less than 3%.

28. Detector according to the preceding claim, characterized in that its resolution at 662 keV is less than 2.9%.