FR3017962A1

FR3017962A1 - Outil de detection de rayonnement photonique particulierement adapte a des rayonnements a fort flux

Info

Publication number: FR3017962A1
Application number: FR1451610A
Authority: FR
Inventors: Francis Glasser
Original assignee: Commissariat a lEnergie Atomique CEA; Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Current assignee: Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date: 2014-02-27
Filing date: 2014-02-27
Publication date: 2015-08-28
Anticipated expiration: 2034-02-27
Also published as: FR3017962B1; EP3111250A1; WO2015128574A1; US20170017000A1; US10175367B2; JP2017512984A

Abstract

L'invention concerne un outil de détection d'un rayonnement comprenant : un matériau détecteur semi-conducteur (10) apte à interagir avec un rayonnement ionisant ; une électrode (100) pour collecter des porteurs de charges générées dans le matériau détecteur sous l'effet d'une interaction avec le rayonnement ionisant ; un circuit de mise en forme (11) pour former une impulsion électrique ayant une forme qui dépend de la quantité de charges collectées ; un circuit de comptage (15, 16, 17, 22) pour compter le nombre d'impulsions formées, comprenant un compteur et un élément d'incrémentation, caractérisé en ce qu'il comprend un élément de mesure de durée (17) pour mesurer une durée d'impulsion (t) pour chaque impulsion formée, un élément de détection de pic, (15) pour déterminer une amplitude maximale (H) de chaque impulsion formée, un élément de combinaison (16) pour combiner ladite amplitude maximale H et ladite durée d'impulsion (t), pour établir ledit paramètre de comparaison. De préférence, le paramètre de comparaison est le produit (H xt) d'une amplitude maximale mesurée pour l'impulsion par la durée d'impulsion correspondante, le seuil de comptage ayant une valeur prédéterminée fixe.

Description

L'invention concerne un outil de détection de rayonnements photoniques. Un tel outil de détection est notamment utilisé dans les domaines de l'imagerie médicale, notamment en radiologie ou en scanner à rayons X, de l'imagerie astronomique, du nucléaire et de l'inspection industrielle. Les outils de détection connus sont essentiellement constitués par un détecteur, un collimateur et des moyens informatiques de traitement. Le collimateur permet de sélectionner les photons arrivant sur le détecteur. Il est formé de canaux délimités par des septas. Le détecteur peut comprendre un matériau scintillateur, tel l'Iodure de Cesium, l'Iodure de Sodium, le Bromure de Lanthane (LaBr3) ou le Germanate de Bismuth (BGO), associé à des photodétecteurs, par exemple une matrice de photodiodes. Alternativement, le détecteur comprend au moins un matériau détecteur semi-conducteur, par exemple CdTe ou CdZnTe, susceptible d'être polarisé par une cathode et une anode, ces électrodes étant généralement disposées sur deux faces opposées d'un bloc de matériau semi-conducteur. On parle alors de détecteur semi-conducteur.. Lorsqu'un photon pénètre dans le matériau semi-conducteur et interagit avec celui-ci, tout ou partie de son énergie est transférée à des porteurs de charges (couples électron-trou) dans le matériau semi-conducteur. Le détecteur étant polarisé, les porteurs de charges migrent vers les électrodes (dont l'anode).

Ils y sont collectés pour produire un signal électrique. Ce signal électrique, qui est une succession d'impulsions dont l'amplitude est proportionnelle à l'énergie déposée par un photon lors d'une interaction, est ensuite traité. Selon la nature du détecteur, le signal est collecté uniquement à l'anode (cas le plus fréquent), uniquement à la cathode, ou aux deux électrodes. Un détecteur semi-conducteur comprend usuellement une pluralité de pixels physiques, chaque pixel physique correspondant à un circuit de collecte de charges par une électrode. L'invention est particulièrement adaptée à un rayonnement X à fort flux, tel celui d'un scanner X. Trois modes de fonctionnement sont connus pour les outils de détection à détecteur semi-conducteur : le mode intégration, le mode spectrométrique, le mode comptage de photons. Dans le mode intégration, une électronique de type intégration mesure le courant provenant de chaque électrode pendant une période de temps donnée, typiquement quelques centaines de ps. Ce courant est la somme du courant d'obscurité, d'une partie du courant créé par le rayonnement incident pendant cette période et d'une partie du courant créé pendant la période précédente, cette dernière étant appelée traînée du signal). Le mode intégration est bien adapté pour la radiologie bien que gêné par le courant d'obscurité et la traînée des signaux. En scanner X, avec des variations rapides de flux incident de quelques décades, la traînée des signaux est rédhibitoire et le mode intégration ne peut pas fonctionner. Dans le mode spectrométrique, le courant en sortie de chaque électrode est amplifié par un préamplificateur de charge et mis en forme avec une constante de temps de l'ordre de 1ps. La mesure de cette charge est représentative de l'énergie du photon incident. Le mode spectrométrique permet une mesure précise de l'énergie des photons incidents mais il n'est pas suffisamment rapide pour une application de type scanner X ou le flot incident des photons est supérieur à 109 photons/s.mm2 Dans le mode comptage de photons, le courant en sortie de chaque électrode est amplifié par un préamplificateur de courant et est comparé à un seuil, dit seuil de comptage. Ce seuil de comptage permet de discriminer une interaction de faible amplitude, laquelle sera rejetée, d'une interaction d'amplitude significative, laquelle sera prise en compte. Typiquement, le seuil de comptage peut être équivalent à une énergie de 25 keV, seules les interactions libérant une énergie supérieure étant prises en compte, donc comptées. La durée typique des impulsions d'un signal pour une application de type scanner X est de l'ordre 5 à 15 ns. Si l'amplitude de l'impulsion étudiée est supérieure au seuil de comptage, un compteur s'incrémente. Le mode comptage des photons est compatible avec de forts flux, le taux de comptage du détecteur étant notamment supérieur à 1 Mcoups/s/mm2. A de tels taux de comptage, il n'est pas question d'effectuer une mesure précise de l'énergie déposée par chaque interaction. Les dispositifs usuels se limitent à réaliser une mesure de l'amplitude, c'est-à-dire le niveau maximal, de chaque impulsion produite par le détecteur.

Cependant, à de tels taux de comptage, des perturbations peuvent affecter le détecteur, affectant la stabilité de réponse du détecteur. Ainsi, pour une même énergie libérée dans le détecteur, la forme des impulsions peut dériver, les impulsions étant moins hautes et plus longues. On comprend qu'un simple seuillage en amplitude atteint ses limites. En effet, des interactions libérant une même énergie peuvent donner lieu à des impulsions dont l'amplitude maximale est différente, ce qui conduit à une dégradation de la résolution en énergie. On a par exemple constaté que lorsqu'un détecteur est exposé à un flux incident intense et constant, le nombre d'impulsions comptées, c'est-à-dire le nombre d'impulsions dépassant un seuil en amplitude prédéterminé, diminue. Une telle dérive peut s'avérer critique, notamment dans le cas d'un scanner X où de faibles variations d'une électrode par rapport à une autre de quelques pour mille entraînent des artéfacts lors de la reconstruction d'une image. L'invention vise à proposer un dispositif de détection de rayonnement adapté à de forts flux de photons incidents, c'est-à-dire un outil qui permette un comptage rapide de chaque photon à l'instar des dispositifs fonctionnant selon le mode de comptage des photons, et qui soit plus fiable, notamment à de forts taux de comptage. En termes de fiabilité, un objectif de l'invention est de fournir un outil de détection ayant une faible dérive, par exemple inférieure à 1%. A cette fin, l'invention propose un outil de détection de rayonnement comprenant : / un matériau détecteur, apte à interagir avec un rayonnement ionisant ; à noter que le matériau détecteur peut-être un matériau scintillateur ou, de préférence, un matériau semi-conducteur, / une électrode, pour collecter des porteurs de charges générées dans le matériau détecteur sous l'effet d'une interaction avec le rayonnement ionisant ; à noter que l'expression « porteurs de charges » couvre ici, exceptionnellement, non seulement des couples électrons-trous générés dans le cas d'un matériau détecteur semi-conducteur mais aussi des photons générés dans le cas d'un matériau détecteur scintillateur (le terme « électrode » désignant alors une photodiode), / un circuit de mise en forme pour former une impulsion électrique ayant une forme qui dépend de la quantité de charges collectées, / un circuit de comptage pour compter le nombre d'impulsions formées, comprenant un compteur et un élément d'incrémentation pour incrémenter le compteur lorsqu'un paramètre de comparaison dépasse un seuil de comptage.

Bien entendu, l'outil est défini et décrit avec une électrode par souci de simplicité ; mais de façon usuelle, il comprend une multitude d'électrodes (pixels) organisées en matrice, et les caractéristiques définies en relation avec l'électrode se retrouvent pour chacune des électrodes de la matrice. Le dispositif de détection de rayonnement selon l'invention est caractérisé en ce qu'il comprend : - un élément de mesure de durée pour mesurer une durée d'impulsion pour chaque impulsion formée, - un élément de détection de pic, pour déterminer une amplitude maximale de chaque impulsion formée, - un élément de combinaison, apte à combiner ladite amplitude maximale et ladite durée d'impulsion, pour déterminer un paramètre de comparaison, - un élément apte à déterminer ledit paramètre de comparaison, en fonction de ladite durée d'impulsion et de ladite amplitude maximale. 20 L'invention diffère donc du mode de comptage connu en ce que le comptage ne se fait pas uniquement en fonction d'une amplitude maximale d'une impulsion, mais en fonction à la fois de l'amplitude maximale de l'impulsion formée et d'une information supplémentaire sur la forme temporelle de l'impulsion. L'utilisation de cette information supplémentaire temporelle permet de 25 compenser les dérives précédemment évoquées. En effet, l'inventeur a établi que dans le cas d'un détecteur semi-conducteur, une telle dérive pouvait s'expliquer, au moins partiellement, par le phénomène suivant. Une charge d'espace créée par un fort flux va modifier très légèrement le champ électrique proche des anodes et déformer ainsi la réponse temporelle. Pour une même énergie déposée par un 30 photon, l'impulsion sera alors plus lente et donc l'amplitude moins importante. Le spectre en énergie des photons que l'on essaye de compter étant continu, une partie des impulsions dont l'amplitude est proche du seuil va passer en dessous du seuil de comptage et ne sera donc plus prise en compte. En d'autres termes, l'invention consiste à compter des impulsions, non pas sur la base de leur amplitude, mais sur la base d'un paramètre de comparaison le plus proche possible de l'intégrale de l'impulsion formée (l'intégrale de l'impulsion formée pour un photon ayant interagi avec le matériau détecteur étant représentative de l'énergie déposée par le photon lors de l'interaction) tout en gardant un temps mort entre deux impulsions détectées le plus court possible. Dans un mode de réalisation de l'invention, particulièrement simple et efficace, le circuit de comptage comprend un élément de multiplication pour multiplier, pour chaque impulsion, une amplitude maximale H mesurée pour l'impulsion par la durée d'impulsion t correspondante et en ce que le paramètre de comparaison est le produit (Hxt) issu de l'élément de multiplication, le seuil de comptage ayant une valeur prédéterminée fixe, c'est-à-dire qui reste la même au moins durant une même opération de détection. Cette valeur prédéterminée fixe peut être ajustée expérimentalement, en fonction de l'évolution du taux de comptage, c'est-à-dire aux nombres d'impulsions comptées par unité de temps. L'inventeur a établi que le produit Hxt issu de l'élément de multiplication susmentionné fournit une approximation de l'intégrale de l'impulsion suffisante pour permettre de réduire la dérive de la mesure à moins de 1%.

Par ailleurs, plusieurs formes de réalisation sont possibles pour la mesure de la durée d'impulsion. Selon une première forme de réalisation, la durée d'impulsion mesurée correspond au temps s'écoulant entre le moment où l'impulsion dépasse un seuil de détection et le moment elle redescend en dessous de ce même seuil. Le seuil de détection peut notamment correspondre à l'amplitude au deçà de laquelle le signal formé correspond au seul bruit du détecteur et au-delà de laquelle on peut considérer que l'impulsion formée traduit la présence d'une interaction dans le matériau semi-conducteur. Pour mettre en oeuvre cette première forme de réalisation, l'élément de mesure est choisi parmi une horloge de fréquence fixe, ou une capacité alimentée par une source de courant continue. Selon une seconde forme de réalisation, la durée d'impulsion mesurée correspond au temps s'écoulant entre le moment où l'impulsion dépasse le seuil de détection, qui peut être celui défini au paragraphe précédent, et le moment elle atteint son niveau maximal (moment où le signal présente une inversion). En d'autres termes, la durée d'impulsion correspond au temps de montée du signal. Cette deuxième forme de réalisation est avantageuse lorsque le flux incident est très élevé. En effet, cette forme de réalisation ne prend en compte que la première partie de l'impulsion, correspondant à la montée vers le niveau maximal, cette première partie étant moins assujettie à des phénomènes de traînée. Pour mettre en oeuvre cette seconde forme de réalisation, l'élément de mesure peut être similaire à ceux précédemment évoqués. La dynamique de mesure de la durée de l'impulsion dans les deux formes de réalisation susmentionnées peut atteindre 20 ns avec une résolution temporelle de 20 ps. Le circuit de mise en forme peut comprendre un préamplificateur de charges, en aval duquel est disposé un circuit à ligne à retard, l'impulsion étant mise en forme en soustrayant le signal issu du préamplificateur de charges au signal issu du circuit à ligne à retard. Un tel circuit de mise en forme est décrit dans la demande EP2071722, Cela dit, les performances se dégradent lorsque le taux de comptage augmente, notamment du fait du délai imposé par la ligne à retard. De préférence, le circuit de mise en forme comprend un préamplificateur de courant. En général, lorsqu'on cherche à déterminer l'intégrale d'une impulsion de façon précise, notamment pour des applications de type spectrométrie, on n'utilise pas ce type de préamplificateur car il est réputé bruyant. Mais un préamplificateur de courant convient bien à l'outil de détection selon l'invention, car une simple estimation de l'intégrale de chaque impulsion suffit au but recherché. De plus, ce type de préamplificateur convient mieux aux forts flux car il produit des impulsions courtes, du même ordre de grandeur que les impulsions produites par les électrodes, typiquement de 5 à 15 ns de largeur. L'invention s'étend à un outil de détection caractérisé en combinaison par tout ou partie des caractéristiques décrites ci-avant et ci-après. D'autres détails et avantages de la présente invention apparaîtront à la lecture de la description suivante, qui se réfère aux dessins schématiques annexés et porte sur un mode de réalisation préférentiel, fourni à titre d'exemple non limitatif. Sur ces dessins : / La figure 1 est une représentation schématique d'un circuit de mise en forme et de comptage d'un outil de détection selon l'invention. / La figure 2 est une représentation schématique d'une impulsion formée pour une interaction de photons dans l'outil de détection de la figure 1. / La figure 3 est une représentation schématique de l'évolution du nombre de pics comptés en fonction du temps dans un outil de détection de l'art antérieur fonctionnant selon le mode de comptage classique utilisant comme paramètre de comparaison la seule amplitude des impulsions. / La figure 4 est une représentation schématique de l'évolution du nombre de pics comptés en fonction du temps dans un outil de détection selon l'invention tel celui de la figure 1, fonctionnant selon un mode de comptage selon l'invention utilisant comme paramètre de comparaison le produit Hxt de l'amplitude maximale par la durée d'impulsion. / La figure 5 est une représentation schématique d'un élément de mesure connu pour la mesure de l'amplitude maximale des impulsions d'un signal. La figure 1 illustre un mode de réalisation d'un outil de détection selon l'invention, comprenant un détecteur 10, un circuit de mise en forme et un circuit de comptage. Le circuit de mise en forme comprend en sortie de chaque électrode 100 du détecteur 10, un convertisseur courant/tension 11 formé par exemple par un amplificateur opérationnel 12 et une résistance 13 montées en parallèle. Ce convertisseur courant/ tension 11 constitue un préamplificateur de courant. Le signal 1 (illustré à la figure 2) obtenu en sortie de ce convertisseur courant/tension 11 se traduit, pour chaque interaction de photon avec le matériau détecteur, par une impulsion. Cette impulsion n'est généralement pas symétrique. Son amplitude varie en fonction de l'énergie mais également, pour une même énergie, en fonction du taux de comptage, du fait des dérives affectant l'outil de détection précédemment évoquées. Les circuits de mise en forme et de comptage comprennent ensuite un élément de détection de pic 15, permettant la mesure de l'amplitude maximale H de chaque impulsion du signal 1. De façon optionnelle, l'élément de détection de pic intègre un circuit de correction de la forme de l'impulsion, afin que cette dernière ait par exemple une forme proche de celle d'une gaussienne. L'élément de détection de pic 15 peut être celui illustré à la figure 5. Lorsque l'amplitude maximale H est atteinte, le module 15 délivre un signal égal à cette amplitude maximale. L'interrupteur de la figure 5 est fermé de façon à alimenter la capacité après que l'amplitude d'une impulsion a atteint son maximum.

La valeur H mesurée est entrée dans un élément de multiplication (ou « multiplieur ») 16. Parallèlement, le signal 1 sortant du convertisseur courant/tension est entré dans un comparateur 18 où son amplitude est comparée à un seuil HE, dit seuil de détection, pour mesurer la durée t, dite durée d'impulsion, s'écoulant entre le moment où l'impulsion (montante) du signal 1 dépasse le seuil de détection Hs et le moment où l'impulsion (descendante) redevient inférieure au seuil de détection Hs. Cette mesure de durée est effectuée par un élément de mesure de durée 17. La valeur t mesurée est entrée dans l'élément de multiplication 16.

En sortie de l'élément de multiplication 16, le potentiel dépend du produit H x t. Lorsque l'amplitude de l'impulsion redescend en dessous du seuil de détection HE, l'interrupteur est ouvert. Ainsi, la différence de potentiel, aux bornes de la capacité C, dépend de H x t, où t est la durée de l'impulsion. En aval, le circuit de comptage comprend un compteur 22. Ce compteur ne prend en compte que les impulsions dont le produit H x t dépasse un seuil, dit seuil de comptage. La figure 3 illustre l'évolution du nombre de pics comptés en fonction du temps dans un outil de détection de l'art antérieur fonctionnant selon le mode de comptage classique utilisant comme paramètre de comparaison la seule amplitude des impulsions. On constate une dérive de 2,5 %.

La figure 4 illustre l'évolution du nombre de pics comptés en fonction du temps dans un outil de détection selon l'invention tel celui de la figure 1, utilisant comme paramètre de comparaison le produit H x t de l'amplitude et de la durée d'impulsion. On constate une dérive de 0,7%. L'invention peut faire l'objet de nombreuses variantes par rapport au mode de réalisation illustré, dès lors que ces variantes entrent dans le cadre des revendications annexées.

Claims

REVENDICATIONS1. Dispositif de détection d'un rayonnement comprenant : / un matériau détecteur (10), apte à interagir avec un rayonnement ionisant, / une électrode (100), pour collecter des porteurs de charges générées dans le matériau détecteur (10) sous l'effet d'une interaction avec le rayonnement ionisant, / un circuit de mise en forme (11,) pour former, pour chaque interaction, une impulsion électrique ayant une forme qui dépend de la quantité de charges collectées, / un circuit de comptage (15, 16, 17, 22) pour compter le nombre d'impulsions formées, comprenant un compteur et un élément d'incrémentation pour incrémenter le compteur lorsqu'un paramètre de comparaison dépasse un seuil de comptage, caractérisé en ce qu'il comprend - un élément de mesure de durée (17) pour mesurer une durée d'impulsion (t) pour chaque impulsion formée, - un élément de détection de pic, (15) pour déterminer une amplitude maximale (H) de chaque impulsion formée, - un élément de combinaison (16) pour combiner ladite amplitude maximale H et ladite durée d'impulsion (t), pour établir ledit paramètre de comparaison.
2. Dispositif de détection selon la revendication 1, caractérisé en ce que le l'élément de combinaison (16) est un élément de multiplication pour multiplier, pour chaque impulsion, l'amplitude maximale (H) mesurée pour l'impulsion par la durée d'impulsion (t) correspondante et en ce que le paramètre de comparaison est le produit (H x t) issu de l'élément de multiplication.
3. Outil de détection selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que la durée d'impulsion (t) mesurée correspond au temps s'écoulant entre le moment où l'impulsion dépasse un seuil de détection (Hs) et le moment elle redescend en dessous de ce seuil de détection.
4. Outil de détection selon la revendication 3, caractérisé en ce que l'élément de mesure de durée est choisi parmi : une horloge de fréquence fixe, une capacité alimentée par une source de courant.
5. Outil de détection selon l'une des revendications 1 ou 2, 5 caractérisée en ce que la durée d'impulsion mesurée correspond au temps s'écoulant entre le moment où l'impulsion dépasse une amplitude seuil (Hs) et le moment où elle atteint une amplitude maximale (H).
6. Outil de détection selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le circuit de mise en forme comprend un préamplificateur de charges 10 (11) ainsi qu'une ligne à retard (14).
7. Outil de détection selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le circuit de mise en forme comprend un préamplificateur de courant.