FR3057073A1

FR3057073A1 - Dispositif et systeme de detection de rayonnements ionisants et de neutrons

Info

Publication number: FR3057073A1
Application number: FR1659397A
Authority: FR
Inventors: Alain Iltis; Thibault De Bussy
Original assignee: A N D R A Agence Nat Pour La Gestion Des Dechets Radioactifs; Damavan Imaging; Agence Nationale pour la Gestion des Dechets Radioactifs ANDRA
Current assignee: A N D R A Agence Nat Pour La Gestion Des Dechets Radioactifs; Damavan Imaging; Agence Nationale pour la Gestion des Dechets Radioactifs ANDRA
Priority date: 2016-09-30
Filing date: 2016-09-30
Publication date: 2018-04-06
Anticipated expiration: 2036-09-30
Also published as: FR3057073B1; WO2018060509A1; WO2018060509A4

Abstract

La présente invention concerne un dispositif(1) de détection de rayonnements ionisants ou de neutrons(r) comprenant au moins un scintillateur (2), apte à absorber lesdits rayonnements (4) pour émettre des photons, et au moins un photo-détecteur (3) apte à détecter l'émission des photons dudit scintillateur (2), caractérisé en ce qu'il comporte une enceinte (4) étanche contenant au moins un liquide (5) dans lequel est immergé le scintillateur (2), ledit liquide (5) étant transparent à l'émission du scintillateur (2) et présentant un indice optique compris entre 1 et 1,5.

Description

Titulaire(s) : DAMAVAN IMAGING Société par actions simplifiée, A.N.D.R.A (AGENCE NATIONALE POUR LA GESTION DES DECHETS RADIOACTIFS) Etablissement public.

Demande(s) d’extension

Mandataire(s) : CABINET YVES DEBAY.

(£4/ DISPOSITIF ET SYSTEME DE DETECTION DE RAYONNEMENTS IONISANTS ET DE NEUTRONS.

FR 3 057 073 - A1 (5y La présente invention concerne un dispositif(1 ) de détection de rayonnements ionisants ou de neutrons(r) comprenant au moins un scintillateur (2), apte à absorber lesdits rayonnements (4) pour émettre des photons, et au moins un photo-détecteur (3) apte à détecter l'émission des photons dudit scintillateur (2), caractérisé en ce qu'il comporte une enceinte (4) étanche contenant au moins un liquide (5) dans lequel est immergé le scintillateur (2), ledit liquide (5) étant transparent à l'émission du scintillateur (2) et présentant un indice optique compris entre 1 et 1,5.

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Dispositif et Système de détection de rayonnement ionisants et de neutrons

DOMAINE TECHNIQUE DE L'INVENTION

La présente invention concerne le domaine des systèmes de détection de rayonnement ionisants et de neutrons, par exemple pour des applications notamment dans l’astronomie, la physique nucléaire ou l’imagerie médicale, îo en particulier dans un système de type scanner PET ou SPECT ou dans une caméra Compton. L’invention trouve des applications dans l'ensemble des dispositifs et systèmes de détection de rayonnements ionisants ou neutroniques, y compris ceux permettant d'obtenir une imagerie temporelle. L'invention concerne plus particulièrement un dispositif ou une cellule de détection de rayonnements ionisants ou de neutrons utilisable dans ces systèmes de détection desdits rayonnements.

ARRIERE-PLAN TECHNOLOGIQUE DE L'INVENTION

A l'heure actuelle, la plupart des applications liées aux cristaux scintillants ou scintillateurs cherchent à mesurer l'énergie d'un rayon ionisant incident (tel que par exemple des rayonnements alpha, beta, gamma, des neutrons ou des particules chargées), afin soit de constituer un spectre du rayonnement incident et d'y détecter des raies caractéristiques (par exemple dans l’imagerie nucléaire: PET, SPECT, ou l’activation neutronique etc.) soit de vérifier que le rayonnement détecté est bien le signal que l'on cherche et non du bruit de fond. Pour l'ensemble de ces applications la connaissance précise de l'énergie du photon incident est un des points importants de la performance du photo-détecteur. Ainsi, par exemple en médecine nucléaire, on utilise le plus souvent des scintillateurs c’est à dire des cristaux ou des plastiques scintillants couplés à des photo-détecteurs. Les scintillateurs sont constitués d’un milieu solide susceptible d’émettre un rayonnement lumineux après excitation de ses molécules ou de son réseau cristallin soit par l’ionisation provoquée par le rayonnement soit par l’absorption ou par la diffusion d’un neutron. Le nombre de photons lumineux émis dans le photo5 détecteur est proportionnel à l’énergie qui y est dissipée En effet, dans la technique actuelle, pour mesurer l'énergie d'un rayonnement, on mesure le nombre de photons visibles émis lors d'une interaction ou une quantité qui lui est proportionnelle (par exemple, une intégrale d’un puise de courant). En effet il existe une relation plus ou moins linéaire selon les matériaux entre îo l'énergie d'un photon incident et le nombre de photons visibles émis par scintillation propre à chaque type de scintillateur. La précision sur la mesure de l'énergie s'accroît alors avec le nombre de photons collectés et donc l'énergie du photon incident. De plus, le scintillateur possède une face de sortie sur laquelle on collecte les photons émis par scintillation. Ces photons lumineux émis n’étant pas directement détectables, on a recours à un photodétecteur qui est capable de détecter lesdits photons pendant une durée qui dépend des caractéristiques d'émission du scintillateur. Par ailleurs, le photodétecteur comporte généralement un photomultiplicateur, comme par exemple un photomultiplicateur silicium (Si-PM), qui transforme et amplifie l’impulsion lumineuse en impulsion électrique.

Un problème dans le domaine des systèmes de détection de rayonnements ionisants ou de neutrons utilisant un photomultiplicateur de silicium concerne la variation de la performance du photo-détecteur avec la température, même avec de faibles fluctuations de température. En outre, si on utilise l’imagerie temporelle, on mesure des temps d’arrivée de photons avec une précision en centaines de picosecondes. Cette mesure de temps requiert une calibration très fine du photo-détecteur qui varie également avec la température. On notera que les photo-détecteurs sont préalablement calibrés suivant des paramètres prédéfinis qui ne peuvent être que partiellement ajustés lors de l’utilisation du photo-détecteur. Par ailleurs, les performances du Si-PM (par exemple le rendement quantique ou le rapport entre le signal émis par rapport au bruit) sont améliorées si sa température de fonctionnement est inférieure à 25°C. Ainsi, lors de l’utilisation du photomultiplicateur dans la détection de la scintillation, certains composants recevant des photons et ayant une résistivité élevée s’échauffent ce qui fait dériver les étalonnages en énergie et en temps et peut ainsi limiter le bon fonctionnement du photo-détecteur si celui-ci n'est pas assez bien refroidi. En particulier, réchauffement du photomultiplicateur de silicium, généralement un échauffement supérieur à 25°C, introduit des bruits électroniques qui influencent les mesures prises et dérèglent la calibration initiale du système de détection, calibration qui est valide pour un domaine io restreint de température. Donc, plus il y aura d’émission de photons et plus le photomultiplicateur à silicium présente des risques de chauffer. De ce fait, si le photomultiplicateur à silicium est calibré initialement à une température de 10°C, par exemple après 10 min d’exposition du photo-détecteur aux photons, le photomultiplicateur peut facilement chauffer et monter à une température de 25°C. D’autre part les pixels du détecteur qui recevront le plus de photons chaufferont plus que les autres. Cette variation de température locale et globale est un inconvénient majeur pour la réalisation de mesures et de détection précises du rayonnement ionisant ou de neutron.

D'autre part, pour pouvoir traiter les signaux électriques issus de tels dispositifs (ou cellules) de détection, il est nécessaire d'avoir recours à des circuits électroniques aux capacités de traitement accrues pour fournir une précision temporelle satisfaisante. Le problème de surchauffe évoqué cidessus s'applique donc également à de tels circuits ou cartes électroniques qui traitent les signaux à des vitesses qui sont rarement atteintes dans les autres domaines techniques. En particulier, la demanderesse de la présente demande a décrit dans la demande de brevet FR3013125A1, ainsi que dans les demandes FR3009157A1 et FR2997766A1 qui lui sont plus ou moins associées, des techniques d'imagerie améliorant la précision de la détection grâce à l’utilisation des données relatives aux incidences temporelles des photons dans les dispositifs de détection. Le problème de surchauffe qui se pose pour tout dispositif ou système de détection de rayonnements ionisants ou neutroniques est donc particulièrement important dans de ce type d’applications.

De plus, il est connu dans le domaine que les cristaux scintillateurs les plus performants en termes de nombre de photons émis par MeV sont hygroscopiques tel que CeBr3, LaBr3 :Ce, Nal :TI. Une faible teneur en humidité dans l’atmosphère (1ppm) peut amener à leur blanchissement complet voire à l’apparition de fractures dans le cristal. Le scintillateur peut donc être détruit par l’humidité, ceci rend son intégration dans les dispositifs de détection difficile et met en péril sa fiabilité dans le temps. Cette fragilité îo impose diverses contraintes dans l'intégration de ces cristaux et notamment l'utilisation d'interfaces optiques (vitres) entre le cristal et le reste du système qui soient adaptées pour garantir une qualité de signaux et une fiabilité satisfaisantes. Cependant ces interfaces optiques ne sont pas totalement satisfaisantes, puisqu’elles absorbent une partie des photons et distordent l’image des événements. Ainsi, il est préférable que lesdites interfaces optiques soient les plus fines possibles, notamment en imagerie temporelle.

Dans ce contexte, il est intéressant de proposer une solution permettant d’améliorer le refroidissement d’un photo-détecteur, tout en conservant la qualité et la fiabilité de la détection de rayonnements ionisants ou neutroniques d’un scintillateur. Ce type de solution permettrait de stabiliser la température et de renforcer la performance du dispositif ou du système de détection desdits rayonnements. Il est également intéressant de proposer une solution permettant une utilisation optimisée de cristaux hygroscopiques.

DESCRIPTION GENERALE DE L'INVENTION

Un premier but de la présente invention est donc de pallier certains inconvénients de l'art antérieur en proposant un dispositif de détection de rayonnements ionisants ou neutroniques dont la température est stabilisée et dont les performances sont renforcées.

Ce but est atteint par un dispositif de détection de rayonnements ionisants ou neutroniques comprenant au moins un scintillateur, apte à absorber lesdits rayonnements pour émettre des photons, et au moins un photo-détecteur apte à détecter l’émission des photons dudit scintillateur, caractérisé en ce qu'il comporte une enceinte étanche contenant au moins un liquide dans lequel est immergé au moins ledit scintillateur, edit liquide étant transparent à l’émission du scintillateur (2) et présentant un indice io optique compris entre 1 et 1,5.

Selon une autre particularité, le photo-détecteur est juxtaposé contre ladite enceinte du scintillateur, au niveau d’une interface optique, formée d’une vitre mince, sur laquelle sont couplés optiquement le scintillateur et l'extérieur de ladite enceinte, de sorte à former une interface optique étanche à l’humidité entre le scintillateur et le photo-détecteur.

Selon une autre particularité, le photo-détecteur est également immergé dans ledit liquide et le scintillateur est couplé optiquement au photodétecteur.

Selon une autre particularité, ledit liquide est un liquide de 20 refroidissement maintenu à une température maximale de 25°C.

Selon une autre particularité, le dispositif est au moins partiellement enrobé d’un revêtement diffusant opaque de manière à ce que les photons émis par le scintillateur suivent un chemin en direction du photo-détecteur comptant lesdits photons sans passer par le liquide.

Selon une autre particularité, le liquide est un liquide hydrophobe comprenant un liquide fluoro-carboné de formule générale CkFmXp, dans lequel k représente le nombre d'atomes de carbone C, m le nombre d'atomes de fluor F et p le nombre d'atomes d'un autre élément chimique X, comme par exemple l'hydrogène H, le Chlore Cl ou l'oxygène O.

Selon une autre particularité, le photo-détecteur comprend au moins un photomultiplicateur à silicium (Si-PM), ledit photomultiplicateur à silicium est analogique ou digital.

Selon une autre particularité, ledit scintillateur comprend au moins un 5 scintillateur hygroscopique.

Selon une autre particularité, ledit scintillateur hygroscopique est choisi parmi :

- un halogénure de Lanthanides de formule générale LnHb, dans lequel n représente le nombre d’atome d’un lanthanide Ln comme îo par exemple le Lanthane La ou le Cérium Ce, et b représente le nombre d’atome d’un halogénure H comme par exemple le Brome Br ou le Chlore Cl

- ou un halogénure alcalin de formule générale AcHd, dans lequel c représente le nombre d’atome d’un alcalin A comme par exemple le

Sodium Na ou le Césium Cs, et d représente le nombre d’atome d’un halogène H comme par exemple l’Iode I.

Un autre but de la présente demande est de pallier au moins une partie des inconvénients de l'art antérieur en proposant un système de détection de rayonnements ionisants et de neutrons dont la fiabilité et la précision sont accrues.

Ce but est atteint par un système de détection de rayonnements ionisant sou de neutrons, caractérisé en ce qu'il comporte au moins un dispositif de détection de rayonnements ionisants ou neutroniques selon l'invention.

Selon une autre particularité, le système comporte des moyens de refroidissement dissipant la chaleur accumulée par ledit liquide de refroidissement.

Selon une autre particularité, les moyens de refroidissement comportent un refroidisseur utilisant l’effet Peltier.

Selon une autre particularité, les moyens de refroidissement comportent un refroidisseur utilisant une circulation de fluide refroidi, par exemple à une température de 4°C.

DESCRIPTION DES FIGURES ILLUSTRATIVES

D'autres particularités et avantages de la présente invention îo apparaîtront plus clairement à la lecture de la description ci-après, faite en référence aux dessins annexés, dans lesquels :

- les figures 1 et 2 représentent un dispositif de détection selon certains modes de réalisation, comprenant un scintillateur immergé dans un liquide et un photo-détecteur, respectivement, non immergé et immergé dans ledit liquide ;

- la figure 3 représente schématiquement un système de détection selon certains modes de réalisation comprenant en outre une carte d’acquisition ;

- les figures 4a et 4b représentent schématiquement un système de 20 détection selon un mode de réalisation comprenant un dispositif de détection et des moyens de refroidissement utilisant, respectivement, un refroidisseur à effet Peltier et ledit refroidisseur à Peltier combiner à un refroidisseur par circulation de fluide refroidi

- les figures 5 et 6 représentent schématiquement un système de 25 détection selon un mode de réalisation comprenant, respectivement, un et deux dispositifs) de détection couplé(s)aux moyens de refroidissement utilisant un refroidisseur par circulation de fluide refroidi.

DESCRIPTION DES MODES DE REALISATION PREFERES DE L'INVENTION

La présente invention concerne un dispositif de détection ou un détecteur (1) capable de convertir le rayonnement ionisant (tel que par exemple des rayonnements alpha, beta, gamma ou des particules chargées) ou neutronique à étudier en un signal électrique tout en conservant la précision de la mesure de quantités physique telles que l’énergie du rayonnement incident ou le temps d’arrivée des photons. En effet, par exemple et non limitativement, ledit dispositif (1) de détection permet de déterminer et de visualiser sous forme d’images la bio-distribution dans l’organisme, d’un élément radio-pharmaceutique préalablement injecté à un patient. Pour cela, on a besoin d’un dispositif (1) de détection de rayonnements ionisants ou neutroniques (r) capable de repérer la présence des molécules marquées et de les localiser dans l’espace tridimensionnel (tomographie) mais également de déterminer le temps d’arrivée des premiers photons (imagerie temporelle et/ou temps de vol (désigné en anglais sous le terme « Time of Flight » TOF)). Ainsi, la présente invention utilise une information temporelle pour mesurer très précisément dans l’espace le lieu d’interaction et obtenir une très bonne résolution spatiale et temporelle.

De préférence, le dispositif (1) de détection comprend au moins un scintillateur (2) apte, d’une part, à absorber les rayonnements ionisants ou neuroniques (ci-après décrites par le terme rayonnement lumineux ou rayon lumineux (r)) générés par au moins une source de rayons lumineux, et d’autre part, à émettre des photons dits d’émission qui seront détectés par un photo-détecteur (3). On notera que le rayonnement lumineux est une radiation électromagnétique émise à la suite d’un rayonnement ionisant ou neutronique lorsque ceux-ci produisent un nouveau noyau dans un état excité. Cet excès d’énergie est libéré sous forme de photons de hautes énergies possédant un fort potentiel de pénétration dans la matière, telle qu’un scintillateur. Les particules lumineuses sont détectées via leurs interactions avec la matière en cédant une partie de leur énergie à un ou plusieurs électrons. Les neutrons peuvent également être détectés, soit par capture par un noyau atomique, soit par diffusion sur un ion du scintillateur.

Ainsi, le rayon issu de la source de rayon lumineux interagit avec le scintillateur par effet photo-électrique ou par diffusion Compton ou par diffusion de neutron, ce qui a pour effet de provoquer une émission lumineuse proportionnelle à l’énergie déposée dans le scintillateur. Les figures 1 à 3 montrent par exemple, une partie du dispositif (1) de détection îo selon certains modes de réalisation, dans lequel les rayons lumineux(r) interagissent avec les molécules du scintillateur (2) et pouvant subir une ou plusieurs réflexions (non représenté sur les figures) avant d’atteindre le photo-détecteur (3). Les photons émis par le scintillateur (2) se propagent en ligne droite (ou en ligne décalée lorsqu’ils subissent des réflexions) vers un photo-détecteur (3). Dans certains modes de réalisation, le scintillateur (2) est un cristal scintillateur ou un plastique scintillateur apte à absorber les rayons lumineux (r) pour émettre des photons. On notera que les scintillateurs (2) sous forme de cristaux, sont les plus utilisés en imagerie médicale, tels que par exemple le silicate de lutétium. Dans certains modes de réalisation, le scintillateur (2) comprend au moins un scintillateur hygroscopique, tel que par exemple et non limitativement un halogénure de Lanthanides de formule générale LnHb, dans lequel n représente le nombre d’atome de Lanthanide Ln (par exemple un Lanthane La ou un Cérium Ce) et b représente le nombre d’atome d’halogénure H (par exemple un Brome Br ou un Chlore Cl). Ledit scintillateur hygroscopique peut être, de manière non limitative, du bromure de cérium (CeBr3) ou du bromure de Lanthane dopé Cérium (LaBr3 :Ce). Dans certains modes de réalisation, ledit halogénure est un halogénure alcalin de formule générale AcYd, dans lequel c représente le nombre d’atome d’alcalin A (par exemple un Sodium Na ou un Césium Cs)et d représente le nombre d’atome d’halogène (par exemple un Iode l).En effet, actuellement, les scintillateurs (2) les plus performants en termes de rendement lumineux et de rapidité d’émission sont hygroscopiques. Par ailleurs ces scintillateurs possèdent une faible radioactivité propre, contrairement au silicate de Lutécium (LSO). L’intérêt d’utiliser de tels scintillateurs, sont qu’ils sont particulièrement adaptés à l’imagerie de faible niveau de radiation et qu’ils présentent le meilleur « facteur de mérite »pour l’imagerie temporelle. De plus, le scintillateur présente l’avantage d’être dense et comprend une masse thermique significative permettant d’accumuler le plus de froid lorsque ledit scintillateur est immergé dans le liquide de sorte à refroidir localement les pixels du photo-détecteur qui reçoivent le plus de rayonnement, notamment le photomultiplicateur, dudit dispositif de détection. Comme évoqué ci-dessus, les scintillateurs fortement hygroscopiques ont tendance à aborder l’humidité de l’air, ce qui opacifie le scintillateur pouvant induire une diminution du rendement du dispositif de détection. Pour éviter cela, le scintillateur (2) est maintenu scellé dans un conditionnement ou une enceinte qui est généralement étanche aux gaz (4) l’isolant et le protégeant de l’humidité. L’enceinte (4) est donc étanche au gaz, en particulier étanche à la vapeur d’eau. Selon un des modes de réalisation de l’invention, l’étanchéité des scintillateurs hygroscopiques peut avantageusement être assurée par un fluide, de préférence un fluide hydrophobe, l’étanchéité aux liquides étant plus facile à mettre en oeuvre qu’une étanchéité au gaz notamment dans le contexte où il faut réaliser une connectique complexe sur les photo-détecteurs (câbles à impédance contrôlée).

Le dispositif (1) de détection, selon certains modes de réalisation, présente comme avantage d’immerger le scintillateur (2) dans un liquide (5) transparent à l’émission du scintillateur et qui est contenu dans une enceinte (4) étanche permettant de baisser la température du scintillateur (2), et donc son agitation thermique, de sorte à stabiliser la température pour limiter le bruit thermique lors de la détection des photons et optimiser la performance dudit dispositif (1). Dans certains modes de réalisation, ledit liquide (5) est un liquide de refroidissement, de préférence maintenu à une température maximale de l’ordre de 25°C. De façon avantageuse, ledit liquide (5) présente une certaine neutralité optique, c'est-à-dire que le liquide (5) présente un indice optique (ou indice de réfraction caractéristique du milieu et décrivant le comportement de la lumière dans celui-ci) faible, compris entre 1 et 1,5et de préférence le plus proche de 1, de sorte à limiter les perturbations optiques et la perte du signal optique lorsque le scintillateur est immergé dans un liquide. De plus, le liquide (5) est également de préférence un liquide ininflammable, non toxique et non corrosif pour l’électronique. On comprend de ce qui précède, qu’on utilise en général un liquide permettant une bonne qualité de signal optique et qu’il est possible d’utiliser des liquides io ayant des propriétés de refroidissement. Dans certains modes de réalisation, le liquide (5) est un liquide hydrophobe et comprend une faible teneur en eau, de préférence inférieure à 100 ppm. Ledit liquide hydrophobe présente l’avantage d’avoir une faible teneur en eau, ce qui présente l’avantage que le scintillateur (2), tel que par exemple les scintillateurs hygroscopiques, ne soit pas dissout par ledit liquide, ce qui stabilise le scintillateur (2) dans le dispositif (1) de détection. Le liquide (5) est de préférence non-toxique, ininflammable, non corrosif à l’électronique. Ces avantages sont fournis notamment par le liquide fluoré, en particulier tel que décrit ci-après. Dans certains modes de réalisation, ledit liquide hydrophobe est un liquide fluoro20 carboné de formule générale CkFmXp, dans lequel k représente le nombre d’atomes de carbone C, m représente le nombre d’atomes de fluor F et p représente le nombre d’atomes d’un autre élément chimique X, comme par exemple l’hydrogène H, le chlore Cl ou l’oxygène O. Ainsi, par exemple, le liquide (5) de refroidissement peut être de la famille des per-fluorocarbures qui est un fluide frigorigène (ou réfrigérant) permettant d’absorber la chaleur et maintenir une température faible dans l’enceinte (4) du dispositif (1) de détection.

Le dispositif (1) de détection, selon certains modes de réalisation, utilise un photo-détecteur (3) qui présente l’avantage d’être rapide, compact et à faible section de capture du rayonnement lumineux. Dans certains modes de réalisation, le photo-détecteur (3) comprend au moins un photomultiplicateur permettant de convertir et d’amplifier le signal optique ou lumineux en un signal électrique. Des photomultiplicateurs classiques peuvent être utilisés, mais les photomultiplicateurs de silicium (Si-PM) sont préférés, puisqu’ils présentent l’avantage d’être beaucoup plus compacts que les photomultiplicateurs classiques, ce qui permet d’avoir des temps de transfert interne aux détecteurs plus courts et augmenter la résolution temporelle. Dans certains modes de réalisation comme représenté sur la figure 2, le photo-détecteur (3) est également immergé dans le liquide (5) de refroidissement permettant ainsi de refroidir ledit photo-détecteur (3), de îo sorte à maintenir une température maximale de 25°C dans ledit dispositif (1). Ainsi, l’immersion du scintillateur (2) et du photo-détecteur (3) dans le liquide (5) de refroidissement favorise l’accroissement de l’inertie thermique dans le dispositif (1), de sorte à stabiliser la température, notamment en des points locaux dû aux échauffements localisés dans ledit dispositif, et renforcer la performance dudit dispositif (1) de détection. Dans certains modes de réalisation, le dispositif (1) comprend un connecteur (C), généralement souple et relié à un appareil électrique, dont une partie dudit connecteur est scellée dans le liquide (5). Ledit connecteur permet d’établir une connexion électrique entre ledit dispositif (1) de détection est ledit appareil électrique.

Dans certains modes de réalisation, le photo-détecteur (3),qui est juxtaposé contre l’enceinte (4) du scintillateur (2), peut être couplé optiquement audit scintillateur (2) pour limiter les réflexions dues aux interfaces optiques. Un tel agencement par exemple peut être représenté sur la figure 1 et permet une utilisation du dispositif (1) dans de nombreux système de détection connus. Ainsi, dans certains modes de réalisation, le dispositif (1) de détection comprend en outre une interface (8) optique formée généralement d’une vitre mince pour que les signaux optiques les plus directs, qui traversent l’interface optique avec une incidence proche de la normale, soient peu déviés. De manière générale, ladite interface optique est choisie après étude de son influence (ou effet optique) sur le trajet optique des photons émis par le scintillateur (2) immergé dans le liquide (5) du dispositif (1) de détection. En effet, le photo-détecteur (3) est juxtaposé contre ladite enceinte (4) du scintillateur (2), au niveau de l’interface (8) optique sur laquelle sont couplés optiquement et thermiquement le scintillateur (2) et l’extérieur de ladite enceinte (4) pour former une interface ou barrière optique étanche à l’humidité entre le scintillateur (2) et le photodétecteur (3). En particulier, comme représenté par exemple sur la figure 1, ladite interface (8) optique est utilisée pour un dispositif (1) de détection de rayon lumineux (r) comprenant un scintillateur immergé dans le liquide (5) et un photo-détecteur couplé électriquement à un appareil électrique par un connecteur (C) électrique comportant un photomultiplicateur classique (PMT) et/ou le dispositif (1) est enrobé dans un revêtement (40) de type téflon ou tout type matériau similaire.

Dans certains modes de réalisation, le photo-détecteur (3) détecte la lumière émise sur toutes les surfaces du scintillateur et il est généralement couplé à une carte d’acquisition (6), tel que par exemple un composant micro-électronique de type ASIC (ou Circuit intégré à application spécifique, également désigné par le terme anglais « Application Spécifie for Integrated Circuit »), et une carte de traitement (7) comme représenté par exemple sur la figure 3. La carte de traitement est en général en dehors du dispositif baigné par le fluide. Ce composant est apte à mesurer individuellement, avec une précision inférieure à 200 picosecondes, le temps d’arrivée des photons (ou triggers) dans le scintillateur. Ainsi, ces composants électroniques, digitaux ou analogiques couplés à une carte d’acquisition, permettent de mesurer précisément le moment où le détecteur à été illuminé pour la première fois. Ceci permet une détection très rapide des photons émis par le scintillateur, notamment des premiers photons, pour obtenir une très haute résolution d’une cartographie temporelle. De plus, lesdits composants électroniques sont capables d’intégrer le rayonnement émis sur l’ensemble de l’émission du scintillateur afin de déterminer l’énergie de l’interaction. La cartes d’acquisition (6) peut également être immergée dans le liquide (5) non corrosif à l’électronique, tel que représenté par exemple sur la figure 3.

Dans certains modes de réalisation, le dispositif (1) de détection est préférentiellement enrobé au moins partiellement dans un revêtement (40) diffusant opaque, comme par exemple représenté sur les figures 1 et 2, de manière à ce que les photons émis par le cristal scintillateur (2) suivent un chemin en direction du photo-détecteur (3). En effet, cette configuration permet de guider les photons émis par le scintillateur (2) vers une face de sortie sur laquelle on collecte les photons émis par scintillation. Le revêtement (40) permet donc de limiter les pertes du signal optique émis par le scintillateur (2) dans ledit dispositif (1) de détection. Dans certains modes de réalisation, le revêtement (40) opaque comprend un dépôt métallique réfléchissant spéculaire, tel que par exemple de l’aluminium, une peinture diffusante blanche ou tout autre matériau similaire permettant de conserver la propriété diffusante des scintillateurs (2) même lorsque le scintillateur (2) est immergé dans un liquide. Ainsi, la présente invention a pour avantage d’utiliser un revêtement n’influençant pas sur la propriété de réflexion des scintillateurs, contrairement à l’art antérieur utilisant principalement un revêtement de type polytétrafluoroéthylène (PTFE), connu sous le nom de « Téflon® » (marque déposée), s’il était utilisé en présence d’un liquide.

La présente invention concerne également un système (10) de détection de rayons lumineux (r) comprenant au moins un dispositif (1) de détection selon un des modes de réalisation de la présente invention. Ledit système (10) de détection participe à optimiser la performance du dispositif (1) de détection en stabilisant et en maintenant la température maximale à 25°C dans ledit dispositif (1). Pour cela, le système (10) de détection comprend en outre des moyens (9) de refroidissement permettant de dissiper la chaleur accumulée par le liquide (5) du dispositif (1). En effet, comme décrit ci-dessus, réchauffement du photo-détecteur (3), notamment du photomultiplicateur de silicium (Si-PM), de la carte d’acquisition (6), induit une diminution du rendement de détection des photons par ledit photodétecteur (3). L’échauffement du photo-détecteur est refroidi par le liquide (5) qui absorbe la chaleur générée par le photo-détecteur (3), et la transfère vers des moyens (9) de refroidissement connectés soit directement audit photodétecteur (3) soit indirectement audit dispositif (1) de détection pour refroidir ledit liquide (5) de refroidissement et maintenir une température constante et faible, de préférence à une température maximale de 25°C. Cette diminution de la température permet de réduire les bruits thermiques et électroniques pour optimiser la détection des photons. Dans certains modes de réalisation, lesdits moyens (9) de refroidissement comprennent au moins un refroidisseur utilisant l’effet Peltier (91), tel que représenté par exemple sur les figures 4a et 4b, permettant d’absorber et dissiper la chaleur du dispositif (1) de îo détection par la thermoélectricité. Ledit refroidisseur à effet Peltier (90, 91, V) comprend au moins une alimentation (90a) électrique, un module à effet Peltier(91) couplé à un radiateur et un ventilateur(V). Le refroidisseur à effet Peltier, selon certains modes de réalisation, comprend en outre une circulation (90b, 92) d’eau à température ambiante. Le module Peltier (91) comprend une surface dite froide qui est disposée sur le dispositif (1) de détection, en particulier sur l’enceinte (4) comprenant le liquide (5)et le photo-détecteur (3), et une surface dite chaude qui est disposée par exemple sur le radiateur et le ventilateur (V) pour dissiper ladite chaleur absorbée par la surface chaude. Dans un autre mode de réalisation, lesdits moyens (9) de refroidissement comprennent au moins un refroidisseur utilisant une circulation de fluide (92) refroidi, par exemple et non limitativement à une température de 4°C, tel que représenté par exemple sur les figures5 et 6. Ledit refroidisseur à circulation de fluide (92) comprend une pompe hydraulique (90b) et un conduit traversant le dispositif (1) de détection dans lequel un fluide, tel que par exemple de l’eau, refroidi ledit dispositif (1) à une température constante pour obtenir une inertie thermique du système (10) de détection.

Le dispositif (1) de détection et le système (10) de détection, selon l’invention, peuvent être appliqués dans divers domaines de détection de rayons lumineux, notamment en imagerie médicale ou en astronomie. En effet, par exemple, le système (10) de détection des rayonnements ionisants ou neutroniques selon l’invention peut être utilisé pour un examen du type PET ou SPECT pour améliorer la résolution en énergie des scintillateurs.

Le système (10) de détection peut être utilisé pour la détection des rayons alpha, beta, des particules chargées et des neutrons.

La présente demande décrit diverses caractéristiques techniques et avantages en référence aux figures et/ou à divers modes de réalisation. L’homme de métier comprendra que les caractéristiques techniques d’un mode de réalisation donné peuvent en fait être combinées avec des îo caractéristiques d’un autre mode de réalisation à moins que l’inverse ne soit explicitement mentionné ou qu’il ne soit évident que ces caractéristiques sont incompatibles ou que la combinaison ne fournisse pas une solution à au moins un des problèmes techniques mentionnés dans la présente demande. De plus, les caractéristiques techniques décrites dans un mode de réalisation donné peuvent être isolées des autres caractéristiques de ce mode à moins que l’inverse ne soit explicitement mentionné.

Il doit être évident pour les personnes versées dans l'art que la présente invention permet des modes de réalisation sous de nombreuses autres formes spécifiques sans l'éloigner du domaine d'application de l'invention comme revendiqué. Par conséquent, les présents modes de réalisation doivent être considérés à titre d'illustration, mais peuvent être modifiés dans le domaine défini par la portée des revendications jointes, et l'invention ne doit pas être limitée aux détails donnés ci-dessus.

Claims

REVENDICATIONS

1. Dispositif (1) de détection de rayonnements ionisants ou de neutrons (r) comprenant au moins un scintillateur (2), apte à absorber lesdits

5 rayonnements (r) pour émettre des photons, et au moins un photo-détecteur (3) apte à détecter l’émission des photons dudit scintillateur (2), caractérisé en ce qu'il comporte une enceinte (4) étanche contenant au moins un liquide (5) dans lequel est immergé au moins le scintillateur (2),ledit liquide (5) étant transparent à l’émission du scintillateur (2) et présentant un indice optique îo compris entre 1 et 1,5.
2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le photodétecteur (3) est juxtaposé contre ladite enceinte (4) du scintillateur (2), au niveau d’une interface (8) optique, formée d’une vitre mince, sur laquelle est couplé optiquement le scintillateur (2) et l'extérieur de ladite enceinte (4), de

15 sorte à former une interface optique étanche à l’humidité entre le scintillateur (2) et le photo-détecteur (3).
3. Dispositif selon la revendicationl, caractérisé en ce que le photodétecteur (3) est également immergé dans ledit liquide (5), et le scintillateur (2) est couplé optiquement au photo-détecteur (3).

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4. Dispositif selon l’une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que ledit liquide (5) est un liquide de refroidissement maintenu à une température maximale de 25°C.
5. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'il est au moins partiellement enrobé d’un revêtement (40) opaque de

25 manière à ce que les photons émis par le scintillateur (2) suivent un chemin en direction du photo-détecteur (3) comptant lesdits photons sans passer par le liquide.
6. Dispositif selon l’une des revendications 1 à 5, caractérisé en que le liquide (5) est un liquide hydrophobe et comprend une teneur en eau

30 inférieure à 100ppm.
7. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en que le liquide hydrophobe est un liquide fluoro-carboné de formule générale CkFmXp, dans lequel k représente le nombre d'atomes de carbone C, m le nombre d'atomes de fluor F et p le nombre d'atomes d'un autre élément chimique X, comme

5 par exemple l'hydrogène H, le Chlore Cl ou l'oxygène O.
8. Dispositif selon l’une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que le photo-détecteur (3) comprend au moins un photomultiplicateur à silicium (Si-PM), ledit photomultiplicateur à silicium est analogique ou digital.
9. Dispositif selon l’une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce io que ledit scintillateur (2) comprend au moins un scintillateur hygroscopique.
10. Dispositif selon la revendication 9, caractérisé en ce que le scintillateur hygroscopique est choisi parmi :

- un halogénure de Lanthanides de formule générale LnHb, dans lequel n représente le nombre d’atome d’un lanthanide Ln comme par exemple le

15 Lanthane La ou le Cérium Ce, et b représente le nombre d’atome d’un halogénure H comme par exemple le Brome Br ou le Chlore Cl ;

- ou un halogénure alcalin de formule générale AcHd, dans lequel c représente le nombre d’atome d’un alcalin A comme par exemple le Sodium Na ou le Césium Cs, et d représente le nombre d’atome d’un halogène H

20 comme par exemple l’Iode I.
11. Système (10) de détection de rayonnements ionisants ou de neutrons, caractérisé en ce qu'il comporte au moins un dispositif (1) de détection de rayonnements ionisants ou de neutrons selon l'une des revendications 1 à 10.

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12. Système selon la revendication 11, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens (9) de refroidissement dissipant la chaleur accumulée par ledit liquide (5) de refroidissement.
13. Système selon la revendication 12, caractérisé en ce que les moyens (9) de refroidissement comportent un refroidisseur utilisant l’effet Peltier (91).
14. Système selon une des revendications 12 à 13, caractérisé en ce 5 que les moyens (9) de refroidissement comportent un refroidisseur utilisant une circulation de fluide refroidi (92), par exemple à une température de 4°C.

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