FR3072783A1 - Systeme de detection de rayonnement ionisant et procede de detection associe - Google Patents
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Abstract
L'invention concerne un système (2) de détection de rayonnement ionisant, comprenant au moins un scintillateur propre à produire au moins un photon lors d'une interaction avec un rayonnement ionisant, le système de détection (2) comprenant également, pour chaque scintillateur, une pluralité de détecteurs de photon (10) agencés de façon à recouvrir la majeure partie d'une surface externe du scintillateur, chaque détecteur de photon (10) étant configuré pour générer un signal de détection présentant, au cours du temps, une valeur indicative de la réception ou non de photon en provenance du scintillateur, le système de détection (2) comprenant, en outre, un étage de traitement (6) configuré pour déterminer, à partir de chaque signal de détection, une donnée temporelle représentative d'une date à laquelle le détecteur de photon (10) qui a généré le signal de détection a reçu un photon en provenance du scintillateur associé.
Description
SYSTEME DE DETECTION DE RAYONNEMENT IONISANT ET PROCEDE DE DETECTION ASSOCIE
DESCRIPTION
DOMAINE TECHNIQUE
La présente invention concerne un système de détection de rayonnement ionisant, comprenant au moins un scintillateur, le scintillateur étant propre à produire au moins un photon lors d'une interaction avec un rayonnement ionisant, le scintillateur étant délimité spatialement par une surface externe respective.
L'invention concerne également un procédé de détection de rayonnement ionisant.
L'invention s'applique à la détection et à la caractérisation de rayonnements ionisants et/ou de sources de rayonnement ionisant.
Par « rayonnement ionisant », il est entendu, au sens de la présente invention, un rayonnement appartenant à l'une au l'autre parmi la catégorie des rayonnements dits « indirectement ionisants », tels que les photons X, gamma y et les neutrons, et la catégorie des rayonnements dits « ionisants » en tant que tels, tels que les particules beta β (électrons et positrons) et les particules alpha a (protons).
ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE
Il est connu d'avoir recours à des détecteurs pour détecter et/ou caractériser des rayonnements ionisants et/ou des sources de rayonnement ionisant. De tels détecteurs sont, par exemple, utilisés pour la détection de rayonnement ionisant dans le domaine du nucléaire, de la physique des particules, de la sécurité, ou encore médical.
De façon classique, de tels détecteurs comportent au moins un scintillateur, chacun étant apte à émettre des photons lumineux lorsqu'il est soumis à un rayonnement ionisant.
La quantité de photons émis par un scintillateur à l'issue d'une interaction avec un rayonnement ionisant est généralement faible. Par exemple, un scintillateur classique émet typiquement de l'ordre de quelques photons d'énergie inférieure à 10 eV (électronvolt) pour une énergie de l'ordre de 10 keV déposée dans le scintillateur. Par conséquent, il est connu d'associer, dans de tels détecteurs, un photomultiplicateur au scintillateur afin d'améliorer la capacité à détecter de tels photons.
Un photomultiplicateur est destiné à capter les photons générés par le scintillateur et à délivrer un signal électrique amplifié par effet photo-électrique en cascade, ledit signal électrique étant représentatif de l'interaction entre le scintillateur et le rayonnement ionisant. Un photomultiplicateur est généralement soumis à une haute tension très stable pour son alimentation ; l'arrivée de photons dans le photomultiplicateur se traduit alors par des variations d'amplitude sur cette haute tension, sous forme d'impulsions représentatives d'un dépôt d'énergie par un rayonnement ionisant dans le scintillateur associé au photomultiplicateur.
Néanmoins, de tels détecteurs de l'état de la technique de donnent pas entière satisfaction.
En effet, un scintillateur interagissant avec un rayonnement ionisant émet des photons sous la forme d'un train de photons. Par « train de photons », il est entendu, au sens de la présente invention, la pluralité de photons uniques qui sont émis successivement dans le temps suite à l'interaction d'une seule et même particule avec le scintillateur.
L'intervalle de temps entre les photons du train de photons vaut typiquement quelques picosecondes. Or, le temps de réponse d'un photomultiplicateur est généralement de l'ordre de la nanoseconde. Ce temps de réponse étant très long au regard de l'espacement des photons du train de photons, le photomultiplicateur se comporte comme un filtre passe-bas vis-à-vis des trains de photons émis par le scintillateur. Ainsi, en réponse à un train de photons généré par un scintillateur, le photomultiplicateur qui lui est associé émet généralement une seule impulsion électrique dont la durée est de l'ordre de, voire supérieure à, la durée totale du train de photons.
Un tel phénomène est préjudiciable à l'observation des phénomènes photoélectriques rapides qui se déroulent dans le scintillateur. Or, la forme du train de photons est représentative du rayonnement ionisant interagissant avec le scintillateur. Par conséquent, le comportement en tant que filtre passe-bas du photomultiplicateur conduit à une perte d'informations qui nuit à l'exploitation des données acquises.
Une observation précise des phénomènes photoélectriques rapides qui se déroulent dans le scintillateur est également rendue difficile par le fait que le photomultiplicateur présente, à compter de la réception d'un photon depuis le scintillateur, un temps mort de détection au cours duquel le photomultiplicateur n'est plus en mesure de détecter de photons, et ne peut donc pas délivrer de signal électrique représentatif de l'émission éventuelle d'autres trains de photons dans le scintillateur.
De tels détecteurs présentent généralement d'autres inconvénients. Par exemple, les photomultiplicateurs sont généralement volumineux et fragiles. En outre, les photomultiplicateurs requièrent une source haute tension pour leur alimentation, une telle source étant généralement coûteuse. En outre, de tels détecteurs requièrent généralement l'utilisation d'un convertisseur analogique/numérique connecté en sorte du photomultiplicateur pour délivrer un signal numérique propre à être exploité par des logiciels numériques de traitement. Or, de tels convertisseurs analogique/numérique sont souvent coûteux, complexes à mettre en œuvre, limités en bande-passante, et introduisent un bruit de quantification dans le signal électrique reçu depuis le photomultiplicateur.
Un autre inconvénient réside dans le fait que le photomultiplicateur conditionne généralement la forme du scintillateur. Il devient alors plus difficile de choisir librement le scintillateur.
Un but de l'invention est donc de proposer un système de détection de rayonnement ionisant, comportant au moins un scintillateur, qui autorise une observation plus fiable des émissions rapides de photons se produisant au sein du scintillateur, le scintillateur étant susceptible de présenter une forme quelconque. Un but de l'invention est également de proposer un système de détection qui soit moins encombrant, plus robuste et moins coûteux que les détecteurs de l'état de la technique.
EXPOSÉ DE L'INVENTION
A cet effet, l'invention a pour objet un système de détection du type précité, comprenant également, pour chaque scintillateur, une pluralité de détecteurs de photon agencés de façon à recouvrir la majeure partie de la surface externe du scintillateur, chaque détecteur de photon recouvrant une partie respective de la surface externe, chaque détecteur de photon étant configuré pour générer un signal de détection présentant, au cours du temps, une valeur indicative de la réception ou non de photon en provenance du scintillateur, le système de détection comprenant, en outre, un étage de traitement, configuré pour déterminer, à partir de chaque signal de détection, une donnée temporelle représentative d'une date à laquelle le détecteur de photon qui a généré le signal de détection a reçu un photon en provenance du scintillateur associé.
En effet, les phénomènes photoélectriques se produisant dans chaque scintillateur génèrent des photons de manière isotrope. En d'autres termes, les photons d'un train de photons qui est issu de l'interaction d'une même particule avec le scintillateur sont émis dans des directions aléatoires. Il en résulte que chaque photon d'un train de photons est susceptible de se propager vers n'importe quel point de la surface externe du scintillateur. Etant donné que la majeure partie de la surface externe du scintillateur est recouverte par des détecteurs de photon, la probabilité que chaque photon soit capté par un détecteur de photon est élevée.
En outre, bien que chaque détecteur de photon soit susceptible de présenter un temps de réponse qui est supérieur à la durée totale du train de photon, la probabilité que deux photons d'un même train de photons soient émis exactement dans la même direction, c'est-à-dire que ces deux photons soient captés par le même détecteur de photon, est faible. Ainsi, lorsqu'un détecteur de photon est aveuglé à l'issue de la détection d'un photon, c'est-à-dire lorsque le détecteur de photon n'est pas en mesure de détecter un photon ultérieur du fait de sa bande passante limitée, voire du fait d'un temps mort du détecteur de photon (temps de recharge d'un détecteur SPAD, par exemple), les autres détecteurs de photon qui recouvrent la surface externe du scintillateur restent aptes à détecter ledit photon ultérieur.
Par conséquent, la probabilité pour que chaque photon d'un même train de photons soit détecté, c'est-à-dire résolu dans le temps est élevée. Du fait de la nature isotrope des phénomènes mis en jeu, une telle détection est réalisée grâce à des détecteurs de photon distincts.
En outre, la donnée temporelle est représentative de la date de réception de chaque photon par le détecteur de photon correspondant. Une telle donnée temporelle autorise notamment, après traitement, la reconstruction de chaque train de photon.
Il en résulte que le système de détection selon l'invention présente une résolution temporelle suffisante autoriser une observation plus fiable des émissions rapides de photons se produisant au sein du scintillateur.
Suivant d'autres aspects avantageux de l'invention, le système de détection comporte une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prise(s) isolément ou suivant toutes les combinaisons techniquement possibles :
- l'étage de traitement est configuré pour identifier, parmi les données temporelles déterminées, au moins un sous-ensemble de données temporelles qui correspondent à la réception, par les détecteurs de photon de chaque scintillateur, de photons appartenant à un même train de photons ;
- l'étage de traitement est également configuré pour déterminer des caractéristiques du rayonnement ionisant à partir des données temporelles ;
- l'étage de traitement est configuré pour mettre en œuvre un réseau de neurones à spike configuré pour déterminer des caractéristiques du rayonnement ionisant à partir des données temporelles ;
- chaque détecteur de photon comporte un organe de détection et un organe de numérisation, l'organe de détection étant configuré pour générer un signal analogique dont la valeur au cours du temps est indicative de la réception ou non d'un photon en provenance du scintillateur correspondant, l'organe de numérisation étant configuré pour générer le signal de détection à partir du signal analogique de sorte que le signal de détection présente un valeur est égale à :
• une première valeur prédéterminée si la valeur du signal analogique est inférieure ou égale à un plafond prédéterminé ; et • une deuxième valeur prédéterminée, distincte de la première valeur prédéterminée, sinon ;
- l'étage de traitement est configuré pour construire un signal composite, le signal composite étant un signal temporel numérique dont la valeur vaut, à une date donnée quelconque :
• une troisième valeur prédéterminée, s'il existe un signal de détection présentant, à ladite date, une valeur indicative de la détection d'un photon par le détecteur de photon correspondant ;
• une quatrième valeur prédéterminée, distincte de la troisième valeur prédéterminée, sinon ;
l'étage de traitement étant, en outre, configuré pour déterminer des caractéristiques du rayonnement ionisant à partir du signal composite ;
- chaque signal de détection est un signal numérique, et dans lequel l'étage de traitement est configuré pour construire un signal composite, le signal composite étant un signal temporel numérique obtenu en additionnant entre eux les signaux de détection, les signaux de détection étant tels qu'ils présentent tous la même origine des temps, l'étage de traitement étant, en outre, configuré pour déterminer des caractéristiques du rayonnement ionisant à partir du signal composite ;
- l'étage de traitement est configuré pour déterminer, à partir des données temporelles, au moins une caractéristique du rayonnement ionisant parmi : un nombre de particules ayant interagi chaque scintillateur, un nombre de particules ayant interagi chaque scintillateur par unité de temps, une direction du rayonnement ionisant, une nature du rayonnement ionisant, un ou des radionucléide(s) à l'origine du rayonnement ionisant, une énergie déposée par chaque photon du rayonnement ionisant dans chaque scintillateur, un spectre du rayonnement ionisant ;
- au moins un détecteur de photon est une photodiode SPAD ou un photomultiplicateur SiPM ;
- au moins un scintillateur est formé par une pluralité de volumes de scintillation présentant des propriétés différentes.
En outre, l'invention a pour objet un procédé de détection de rayonnement ionisant, comprenant les étapes de :
- fourniture d'au moins un scintillateur et, pour chaque scintillateur, d'une pluralité de détecteurs de photon, le scintillateur étant propre à produire au moins un photon lors d'une interaction avec un rayonnement ionisant, le scintillateur étant délimité spatialement par une surface externe respective, la pluralité de détecteurs de photon étant agencés de façon à recouvrir la majeure partie de la surface externe du scintillateur, chaque détecteur de photon recouvrant une partie respective de la surface externe, chaque détecteur de photon étant configuré pour générer un signal de détection présentant, au cours du temps, une valeur indicative de la réception ou non de photon en provenance du scintillateur ;
- détermination, à partir de chaque signal de détection, d'une donnée temporelle représentative d'une date à laquelle le détecteur de photon qui a généré le signal de détection a reçu un photon en provenance du scintillateur associé.
Suivant un aspect avantageux de l'invention, le procédé de détection comprend, en outre, l'identification, parmi les données temporelles déterminées, d'au moins un sous-ensemble de données temporelles qui correspondent à la réception, par les détecteurs de photon de chaque scintillateur, de photons appartenant à un même train de photons.
BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS
L'invention sera mieux comprise à l'aide de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple non limitatif et faite en se référant aux dessins annexés sur lesquels :
- la figure 1 est une représentation schématique d'un système de détection selon l'invention ;
- la figure 2 est une représentation en section, selon un plan transversal, d'un scintillateur du système de détection de la figure 1 ;
- la figure 3 est un graphique représentant l'évolution, au cours du temps, d'un signal de détection généré par un détecteur de photon du système de détection de la figure 1 ; et
- la figure 4 est un graphique représentant l'évolution, au cours du temps, d'une pluralité de signaux de détection chacun généré par un détecteur de photon respectif du système de détection de la figure 1, et d'un signal composite obtenu à partir de la pluralité de signaux de détection.
EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS
Un système 2 de détection de rayonnement ionisant est représenté sur la figure 1.
Le système de détection 2 comporte une tête de détection 4 et un étage de traitement 6 connecté à la tête de détection 4. L'étage de traitement 6 est, par exemple, connecté à la tête de détection 4 au moyen d'un bus de communication 5.
La tête de détection 4 est configurée pour interagir avec un rayonnement ionisant issu d'une source 7 de rayonnement ionisant, et pour transmettre, à destination de l'étage de traitement 6, au moins un signal de détection représentatif de l'interaction de la tête de détection 4 avec le rayonnement ionisant.
L'étage de traitement 6 est configuré pour recevoir et analyser chaque signal de détection généré par la tête de détection 4 afin de déterminer des caractéristiques du rayonnement ionisant.
La tête de détection 4 comporte au moins un scintillateur 8. Par exemple, dans le mode de réalisation illustré par la figure 1, la tête de détection 4 comporte deux scintillateurs 8.
En outre, la tête de détection 4 comprend, pour chaque scintillateur 8, une pluralité de détecteurs de photon 10 uniques respectifs. Chaque détecteur de photon unique 10 est encore appelé « détecteur de photon ».
Chaque scintillateur 8 est propre à produire au moins un photon lors d'une interaction avec un rayonnement ionisant.
Chaque scintillateur 8 est un scintillateur de nature quelconque. Le scintillateur 8 appartient, par exemple, à la famille des scintillateurs plastiques.
En outre, chaque scintillateur 8 est susceptible d'être formé par une pluralité de volumes de scintillation assemblés les uns aux autres pour former le scintillateur 8.
Les volumes de scintillation présentent, de préférence, des propriétés différentes, telles que des propriétés optiques différentes, et/ou des propriétés chimiques différentes, et/ou des propriétés géométriques différentes.
Par exemple, à l'interface entre deux volumes de scintillation, est disposée une couche d'un matériau susceptible de modifier la transmission de photons d'un volume de scintillation vers un autre (couche opaque, transparente, etc.). Le choix d'un tel matériau est dicté par les besoins de l'application et des propriétés physiques que l'on souhaite mettre en évidence grâce au scintillateur 8, par exemple lors de l'utilisation d'un scintillateur 8 pour la mise en œuvre d'un détecteur phoswich.
Bien entendu, une telle couche de matériau est optionnelle et un scintillateur selon l'invention comportant deux volumes de scintillation, voire plus, peut ne pas comporter une telle couche de matériau susceptible de modifier la transmission de photons d'un volume de scintillation vers un autre, sans que l'on sorte du cadre de l'invention.
Par exemple, le scintillateur 8 illustré par la figure 2 est formé par deux volumes de scintillation 9A, 9B jointifs, c'est-à-dire que les volumes de scintillation 9A, 9B sont au contact l'un de l'autre, et ne sont pas séparés par une couche de matériau telle que précédemment décrite.
Chaque scintillateur 8 présente une forme quelconque. Par exemple, comme illustré par la figure 1, chaque scintillateur 8 est parallélépipédique.
En outre, chaque scintillateur 8 comporte une surface externe 12 qui le délimite spatialement.
Chaque détecteur de photon 10 est configuré pour générer un signal de détection dont la valeur est indicative de la réception ou non d'un photon.
Les détecteurs de photon 10 sont agencés de façon à recouvrir la majeure partie de la surface externe 12 du scintillateur 8 correspondant.
Par « majeure partie de la surface externe », il est entendu, au sens de la présente invention, une partie supérieure ou égale à 50% de la surface externe 12, de préférence supérieure ou égale à 70% de la surface externe 12, idéalement supérieure ou égale à 85% de la surface externe 12.
Plus précisément, chaque détecteur de photon 10 est agencé pour recouvrir une partie respective de la surface externe 12 du scintillateur 8 correspondant.
Avantageusement, les détecteurs de photon 10 sont deux à deux indépendants, c'est-à-dire qu'il n'existe pas deux détecteurs de photon 10 qui recouvrent une même partie de la surface externe 12 du scintillateur 8 correspondant, ou pour lesquels le signal de détection généré par l'un des deux détecteurs de photon 10 est fonction du signal de détection généré par l'autre des deux détecteurs de photon 10.
Les détecteurs de photon 10 appartiennent, par exemple, à la famille des photodiodes à avalanche déclenchées par un photon unique SPAD (acronyme de l'expression anglaise « Single-Photon Avalanche Diode »), des photomultiplicateurs sur silicium SiPM (acronyme de l'expression anglaise « Silicon Photomultiplier »), photodiodes, des détecteurs CMOS (acronyme de l'expression anglaise « Complementary Metal-Oxide Semiconductor »), des détecteurs CCD (acronyme de l'expression anglaise « Charge-Coupled Device »), des galettes à micro-canaux, ou à toute autre famille de détecteurs aptes à détecter des photons individuels.
Les détecteurs de photon 10 associés à un même scintillateur 8 sont identiques ou différents.
De préférence, chaque détecteur de photon 10 est identifié par un identifiant unique et associé à une donnée spatiale relative à sa position dans l'espace par rapport à un point prédéterminé, par exemple un point prédéterminé du scintillateur 8 auquel est associé ledit détecteur de photon 10.
Chaque détecteur de photon 10 comporte un organe de détection (non représenté) configuré pour générer un signal électrique dont la valeur est indicative de la réception ou non d'un photon en provenance du scintillateur 8.
Dans le cas où un tel signal est un signal analogique, chaque détecteur de photon 10 comporte avantageusement un organe de numérisation (non représenté) configuré pour recevoir ledit signal analogique en provenance de l'organe de détection et pour délivrer un signal numérique, encore appelé « signal de détection », dont la valeur est égale à :
- une première valeur prédéterminée si la valeur du signal analogique est inférieure ou égale à un plafond prédéterminé ; et
- une deuxième valeur prédéterminée, distincte de la première valeur prédéterminée, sinon.
De préférence, la première valeur prédéterminée est nulle.
D'autres approches peuvent être utilisées pour déterminer la valeur du signal de détection en fonction de la valeur d'un tel signal analogique issu de l'organe de détection, par exemple le recours à un trigger de Schmitt, etc. Ces approches sont connues.
En variante, par exemple dans le cas des photodiodes SPAD, les phénomènes physiques successifs à la capture d'un photon se traduisent directement par la génération d'un signal numérique qui forme le signal de détection. Dans ce cas, signal de détection généré par le détecteur de photon 10 vaut, à un instant donné :
- une première valeur prédéterminée si le détecteur de photon 10 n'a détecté aucun photon à cet instant ; et
- une deuxième valeur prédéterminée, distincte de la première valeur prédéterminée, si le détecteur de photon 10 a détecté un photon à cet instant.
Un exemple de signal de détection généré par un détecteur de photon 10 est illustré par la figure 3, et désigné par la référence 14. Comme cela est visible sur la figure, le signal de détection 14 présente au moins un pic 16. Chaque pic 16 est représentatif de la réception d'un photon par le détecteur de photon 10 correspondant. En outre, chaque pic 16 est localisé dans le temps à l'instant où le détecteur de photon 10 reçoit le photon correspondant. Chaque pic 16 présente une amplitude égale à la deuxième valeur prédéterminée.
En outre, le signal de détection 14 est constant le reste du temps, égal à la première valeur prédéterminée. Sur l'exemple de la figure 3, la première valeur prédéterminée est nulle.
Avantageusement, chaque détecteur de photon 10 comprend un organe de commande (non représenté) configuré pour commander le fonctionnement du détecteur de photon 10. Par exemple, l'organe de commande est configuré pour activer ou désactiver le détecteur de photon 10 correspondant. Selon un autre exemple, l'organe de contrôle est configuré pour ajuster des paramètres de fonctionnement du détecteur de photon 10, notamment en fonction de l'environnement du détecteur de photon 10, par exemple en fonction d'une température du détecteur de photon 10.
Chaque détecteur de photon 10 est électriquement relié au bus de communication 5 pour appliquer le signal de détection respectif au bus de communication 5, de sorte que chaque signal de détection émis par un détecteur de photon 10 constitue un signal de détection généré par la tête de détection 4.
Avantageusement, chaque signal de détection transmis via le bus de communication 5 est associé de façon univoque au détecteur de photon 10 qui a généré ledit signal de détection.
L'étage de traitement 6 est configuré pour analyser chaque signal de détection reçu en provenance de la tête de détection 4 afin de détecter les éventuels pics présents dans ledit signal de détection.
L'étage de traitement 6 est également configuré pour déterminer, pour chaque signal de détection, et pour chaque pic indicatif de la réception d'un photon par le détecteur de photon 10 correspondant au signal de détection, une donnée temporelle représentative de la date à laquelle ledit détecteur de photon 10 a reçu ledit photon en provenance du scintillateur 8 associé.
Plus précisément, l'étage de traitement 6 est configuré pour déterminer, en fonction d'un signal d'horloge, la date associée à chaque pic, c'est-à-dire, pour un pic donné quelconque d'un signal de détection, la date à laquelle le détecteur de photon 10 qui a généré ledit signal de détection a reçu le photon à l'origine dudit pic. L'étage de traitement 6 est également configuré pour générer, pour chaque date déterminée, la donnée temporelle représentative de ladite date.
Le signal d'horloge est, par exemple, délivré par une horloge intégrée à l'étage de traitement 6.
Une donnée temporelle et la date qu'elle représente sont associées de façon univoque. Par exemple, la donnée temporelle représentative d'une date est la date elle-même.
De préférence, l'étage de traitement 6 est configuré pour appliquer un prétraitement à chaque signal de détection consistant, par exemple, à supprimer des valeurs aberrantes. En effet, des valeurs aberrantes sont susceptibles d'apparaître en cas de dysfonctionnement transitoire ou permanent de l'un des détecteurs de photon 10. Un tel dysfonctionnement est, par exemple, détecté si le signal de détection issu du détecteur de photon demeure constant au cours du temps.
De préférence, l'étage de traitement 6 est également configuré pour déterminer, en fonction des données temporelles déterminées, des caractéristiques du rayonnement ionisant qui a interagi avec la tête de détection 4.
En particulier, l'étage de traitement 6 est configuré pour identifier, à partir des données temporelles, les pics appartenant à un même train de photons.
Par exemple, l'étage de traitement 6 est configuré pour déterminer que deux pics n'appartiennent pas à un même train de photon si l'intervalle de temps séparant les deux pics est supérieur ou égal à un seuil prédéterminé.
Selon un autre exemple, l'étage de traitement 6 est configuré pour identifier l'occurrence, dans le temps, d'un nouveau train de photons lorsque la fréquence des pics, c'est-à-dire l'inverse de l'intervalle de temps séparant deux pics successifs, augmente rapidement après avoir décru. Ceci est dû au fait que l'intervalle de temps entre l'émission des photons successifs d'un même train de photons croît avec le temps.
Selon un autre exemple, l'étage de traitement 6 est configuré pour mettre en œuvre un réseau de neurones dit « à spike » pour identifier, à partir des données temporelles, les pics appartenant à un même train de photons. Un tel réseau de neurones à spike, également désigné par l'expression anglaise « spiking neural network », est classiquement connu. De préférence, le réseau de neurones à spike aura été préalablement paramétré avec des modèles de trains de photons.
Avantageusement, l'étage de traitement 6 est configuré pour déterminer, à partir des données temporelles, le nombre de particules ayant interagi avec la tête de détection 4. En particulier, le nombre de particules du rayonnement ionisant qui ont interagi avec la tête de détection 4 est égal au nombre de trains de photons détectés par l'étage de traitement 6. Dans ce cas, l'étage de traitement 6 est également configuré pour déterminer le nombre de particules ayant interagi avec la tête de détection 4 par unité de temps.
Avantageusement, l'étage de traitement 6 est configuré pour déterminer, à partir des données temporelles, une direction du rayonnement ionisant. Par exemple, l'étage de traitement 6 est configuré pour déterminer une direction du rayonnement ionisant à partir des données temporelles associées à une pluralité de pics, et à la position du détecteur de photon 10 associé au signal de détection dans lequel a été détecté chacun parmi ladite pluralité de pics. Dans ce cas, l'étage de traitement 6 est, par exemple, configuré pour calculer un temps de vol de chaque photon associé à un pic pour déterminer la direction du rayonnement ionisant. De préférence, au moins une partie des détecteurs de photon 10 sont deux à deux différents.
Avantageusement, l'étage de traitement 6 est configuré pour déterminer, à partir des données temporelles, une nature du rayonnement ionisant, c'est-à-dire que l'étage de traitement 6 est configuré pour identifier le type de particules formant le rayonnement ionisant. De telles particules sont, par exemple, des photons gamma y et/ou des neutrons et/ou des particules beta β et/ou des particules alpha a.
En particulier, l'étage de traitement 6 est configuré pour déterminer le type de particules formant le rayonnement ionisant à partir de l'analyse des trains de photons détectés, notamment à partir de l'analyse des intervalles de temps entre les pics associés aux photons d'un même train de photons. Selon un autre aspect avantageux, l'étage de traitement 6 est configuré pour déterminer les proportions de chaque type de particules identifiées dans le rayonnement ionisant.
Avantageusement, l'étage de traitement 6 est configuré pour déterminer, à partir des données temporelles, un ou des radionucléide(s) à l'origine du rayonnement ionisant. En particulier, l'étage de traitement 6 est configuré pour déterminer le(s) radionucléide(s) à l'origine du rayonnement ionisant à l'issue de la détermination de la nature du rayonnement ionisant décrite ci-dessus. Par exemple, l'étage de traitement 6 est configuré pour déterminer le(s)dit(s) radionucléide(s) par la recherche, dans une table associant des radionucléides à des particules émises par lesdits radionucléides lors de leur décomposition, des particules préalablement identifiées. Le document brevet publié sous la référence FR 3 035 227 décrit une telle détermination de radionucléide(s).
Avantageusement, l'étage de traitement 6 est configuré pour déterminer une énergie déposée par le rayonnement ionisant dans chaque scintiIlateur 8. En particulier, l'étage de traitement 6 est configuré pour déterminer l'énergie déposée par le rayonnement ionisant dans chaque scintillateur 8 à partir du comptage du nombre de photons appartenant à chaque train de photons.
Par exemple, l'étage de traitement 6 est configuré pour déterminer le spectre du rayonnement ionisant. En particulier, l'étage de traitement 6 est configuré pour construire un spectre du rayonnement ionisant en associant chaque énergie à un nombre de trains de photons détectés qui présentent ladite énergie, par unité de temps.
De préférence, l'étage de traitement 6 est également configuré pour construire un signal numérique dit « composite ». Le signal composite est, par exemple, obtenu en additionnant les signaux de détection délivrés par les capteurs de photon 10 associés à un même scintillateur 8, de préférence tous les capteurs de photon 10 associés à un même scintillateur 8. Si nécessaire, l'étage de traitement 6 traite au préalable de tels signaux de détection de sorte qu'ils présentent tous la même origine des temps.
Un exemple de signal composite, obtenu par une telle addition d'une pluralité de signaux de détection, est représenté sur la figure 4 et désigné par la référence 18. Dans cet exemple, le signal composite 18 est obtenu en additionnant les signaux de détection 14A-14E associés respectivement à cinq détecteurs de photon 10A-10E. Comme cela apparaît sur la figure 4, le signal composite 18 présente une pluralité de pics 16, chaque pic 16 étant localisé, dans le temps, au même instant qu'un pic correspondant de l'un des signaux de détection 14A-14D ayant servi à la construction du signal composite.
En variante, l'étage de traitement 6 est configuré pour construire le signal composite en synthétisant un signal temporel numérique dont la valeur vaut, pour une date donnée quelconque :
• une troisième valeur prédéterminée, si, dans un signal de détection reçu en provenance d'un scintillateur 8, l'étage de traitement 6 a détecté un pic à ladite date ;
• une quatrième valeur prédéterminée, distincte de la troisième valeur prédéterminée, sinon.
Par exemple, la troisième valeur prédéterminée est égale à la première valeur prédéterminée, et la quatrième valeur prédéterminée est égale à la deuxième valeur prédéterminée.
Il est à noter que, dans le cas où le scintillateur 8 comprend au moins deux volumes de scintillation, l'étage de traitement 6 est configuré pour traiter séparément et/ou conjointement les signaux de détection en provenance des détecteurs de photon 10 associés à chacun des volumes de scintillation.
Le fonctionnement du système de détection 2 va maintenant être décrit.
La tête de détection 4 du système de détection 2 est exposée à un rayonnement ionisant.
Chaque scintillateur 8 de la tête de détection 4 interagit avec une partie des particules formant le rayonnement ionisant, ce qui conduit à la génération d'autant de trains de photons.
Un exemple de chemin 20 d'une particule ionisante 22 est représenté sur la figure 2.
Une telle interaction conduit à l'émission de photons de façon isotrope, la direction d'émission de chaque photon d'un train de photon étant aléatoire.
De tels photons sont schématiquement représentés sur la figure 2 et désignés par la référence 24. Le chemin des photons 24 est schématisé par les flèches en pointillés.
La surface externe 12 de chaque scintillateur 8 étant intégralement recouverte de détecteurs de photon 10, chaque photon 24 émis dans un scintillateur 8, quelle que soit sa direction, est intercepté par un détecteur de photon 10.
Bien que chaque détecteur de photon soit potentiellement sujet à un temps mort à l'issue de la détection d'un photon, la probabilité que deux photons d'un même train de photons soient émis dans la même direction est faible.
Par « temps mort », il est entendu, au sens de la présente invention, un intervalle de temps au cours duquel un détecteur de photon, même s'il intercepte un ou plusieurs photons, n'est pas en mesure de générer un signal de détection représentatif de la détection du ou des photon(s). Un tel temps mort correspond notamment, dans le cas des photodiodes SPAD, à un temps de recharge d'une photodiode SPAD.
Par conséquent, l'intervalle de temps entre les interceptions successives de photons par un même détecteur de photon 10 est très généralement supérieur au temps mort dudit détecteur de photon 10. Il en résulte que quasiment chaque photon émis au sein d'un scintillateur 8 et parvenant à un détecteur de photon 10 agencé au niveau de la surface externe 12 du scintillateur 8 entraîne la génération, par ledit détecteur de photon 10, d'un signal de détection représentatif de l'interception dudit photon par ledit détecteur de photon 10.
Chaque détecteur de photon 10 interceptant un photon génère un signal de détection représentatif de la détection du photon, et applique le signal de détection au bus de communication 5.
L'étage de traitement 6 reçoit et analyse chaque signal de détection.
En particulier, l'étage de traitement 6 détermine la présence de pics dans chaque signal de détection, et attribue à chaque pic une donnée temporelle représentative de la date à laquelle le photon à l'origine dudit pic a été détecté par le détecteur de photon 10 correspondant.
Puis, l'étage de traitement 6 détermine, en fonction des données temporelles déterminées, des caractéristiques du rayonnement ionisant qui a interagi avec la tête de détection 4. Par exemple, l'étage de traitement 6 détermine une ou plusieurs des caractéristiques suivantes : le nombre de particules ayant interagi avec la tête de détection 4, le nombre de particules ayant interagi avec la tête de détection 4 par unité de temps, une direction du rayonnement ionisant, une nature du rayonnement ionisant, un ou des radionucléide(s) à l'origine du rayonnement ionisant, une énergie déposée par chaque photon du rayonnement ionisant dans chaque scintillateur 8, un spectre du rayonnement ionisant.
Puis, l'étage de traitement 6 construit le signal composite à partir des signaux de détection reçus en provenance de la tête de détection 4.
Avantageusement, l'étage de traitement 6 transmet le signal composite à un afficheur afin qu'un utilisateur puisse visualiser une représentation graphique du signal composite. De préférence, l'étage de traitement 6 transmet également, à l'afficheur, les caractéristiques du rayonnement ionisant qui ont été déterminées.
En variante, la partie de l'étage de traitement 6 qui assure la datation de chaque pic du signal de détection est déportée au niveau de chaque détecteur de photon
10. Dans ce cas, la date de chaque pic est transmise sur le bus de communication 5, en plus ou en lieu de chaque signal de détection, pour un traitement par l'étage de traitement 6 en vue de déterminer des caractéristiques du rayonnement ionisant.
Selon une autre variante, l'étage de traitement 6 est configuré pour construire le signal composite dès la détermination de la date de chaque pic. Dans ce cas, l'étage de traitement 6 est configuré pour déterminer des caractéristiques du rayonnement ionisant à travers l'analyse du signal composite, en particulier à partir des données temporelles associées aux pics du signal composite.
Selon une autre variante, le prétraitement de chaque signalde détection n'est pas réalisé par l'étage de traitement 6, mais par un modulede prétraitement propre à chaque détecteur de photon 10.
Selon une autre variante, le prétraitement de chaque signalde détection n'est pas réalisé par l'étage de traitement 6, mais par une pluralité de modules de prétraitement, chaque module de prétraitement étant propre à un groupe de détecteurs de photon 10.
L'identification des sous-ensembles de données temporelles qui correspondent à la réception de photons appartenant à un même train de photons autorise la mise en œuvre de traitements fournissant, notamment, des caractéristiques du rayonnement ionisant.
La mise en œuvre un réseau de neurones à spike est, par exemple, un moyen performant d'identification des photons appartenant à un même train de photon, par exemple par analyse du signal composite.
La présence, dans chaque détecteur de photon, d'un organe de numérisation autorise la fourniture, par chaque détecteur de photon, d'un signal numérique. Un tel signal numérique rend inutile le recours à un convertisseur analogiquenumérique, ce qui confère au système de détection selon l'invention une plus grande fiabilité et précision que les systèmes de détection de l'état de la technique.
La construction du signal composite permet, par exemple, la visualisation, résolue dans le temps, des trains de photons générés par le scintillateur. En outre, la construction d'un tel signal composite autorise un traitement conduisant à l'obtention de caractéristiques du rayonnement ionisant.
Les photodiodes SPAD et les photomultiplicateurs SiPM présentent l'avantage de pouvoir être réalisés sous forme de matrices, chaque photodiode SPAD ou chaque photomultiplicateur SiPM formant un pixel de la matrice. Une telle matrice présente notamment des avantages du point de vue de l'intégration de composants, ce qui confère au dispositif de détection une plus grande simplicité de fabrication. En outre, dans de telles matrices, la taille réduite des détecteurs de photons confère au dispositif de détection une résolution spatiale élevée. En d'autres termes, avec de telles matrices, la probabilité que deux photons d'un même train de photon parviennent au même pixel 5 est grandement réduite réduite. Plus généralement, du fait des avantages précédemment cités, le recours à des matrices de détecteurs de photon est préféré.
L'association de volumes de scintillation présentant des propriétés différentes autorise l'extraction d'informations spécifiques à chacun des volumes de scintillation.
Claims (12)
- REVENDICATIONS1. Système (2) de détection de rayonnement ionisant, comprenant au moins un scintillateur (8), le scintillateur (8) étant propre à produire au moins un photon lors d'une interaction avec un rayonnement ionisant, le scintillateur (8) étant délimité spatialement par une surface externe (12) respective, le système de détection (2) étant caractérisé en ce qu'il comprend également, pour chaque scintillateur (8), une pluralité de détecteurs de photon (10) agencés de façon à recouvrir la majeure partie de la surface externe (12) du scintillateur (8), chaque détecteur de photon (10) recouvrant une partie respective de la surface externe (12), chaque détecteur de photon (10) étant configuré pour générer un signal de détection (14) présentant, au cours du temps, une valeur indicative de la réception ou non de photon en provenance du scintillateur (8), le système de détection (2) comprenant, en outre, un étage de traitement (6) configuré pour déterminer, à partir de chaque signal de détection (14), une donnée temporelle représentative d'une date à laquelle le détecteur de photon (10) qui a généré le signal de détection (14) a reçu un photon en provenance du scintillateur (8) associé.
- 2. Système de détection (2) selon la revendication 1, dans lequel l'étage de traitement (6) est configuré pour identifier, parmi les données temporelles déterminées, au moins un sous-ensemble de données temporelles qui correspondent à la réception, par les détecteurs de photon de chaque scintillateur, de photons appartenant à un même train de photons.
- 3. Système de détection (2) selon la revendication 1 ou 2, dans lequel l'étage de traitement (6) est également configuré pour déterminer des caractéristiques du rayonnement ionisant à partir des données temporelles.
- 4. Système de détection (2) selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel l'étage de traitement est configuré pour mettre en œuvre un réseau de neurones à spike configuré pour déterminer des caractéristiques du rayonnement ionisant à partir des données temporelles.
- 5. Système de détection (2) selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel chaque détecteur de photon (10) comporte un organe de détection et un organe de numérisation, l'organe de détection étant configuré pour générer un signal analogique dont la valeur au cours du temps est indicative de la réception ou non d'un photon en provenance du scintillateur (8) correspondant, l'organe de numérisation étant configuré pour générer le signal de détection (14) à partir du signal analogique de sorte que le signal de détection (14) présente un valeur est égale à :- une première valeur prédéterminée si la valeur du signal analogique est inférieure ou égale à un plafond prédéterminé ; et- une deuxième valeur prédéterminée, distincte de la première valeur prédéterminée, sinon.
- 6. Système de détection (2) selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel l'étage de traitement (6) est configuré pour construire un signal composite (18), le signal composite (18) étant un signal temporel numérique dont la valeur vaut, à une date donnée quelconque :- une troisième valeur prédéterminée, s'il existe un signal de détection présentant, à ladite date, une valeur indicative de la détection d'un photon par le détecteur de photon correspondant ;- une quatrième valeur prédéterminée, distincte de la troisième valeur prédéterminée, sinon ;l'étage de traitement (6) étant, en outre, configuré pour déterminer des caractéristiques du rayonnement ionisant à partir du signal composite (18).
- 7. Système de détection (2) selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel chaque signal de détection (14) est un signal numérique, et dans lequel l'étage de traitement est configuré pour construire un signal composite (18), le signal composite étant un signal temporel numérique obtenu en additionnant entre eux les signaux de détection (14), les signaux de détection (14) étant tels qu'ils présentent tous la même origine des temps, l'étage de traitement (6) étant, en outre, configuré pour déterminer des caractéristiques du rayonnement ionisant à partir du signal composite (18).
- 8. Système de détection (2) selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, dans lequel l'étage de traitement (6) est configuré pour déterminer, à partir des données temporelles, au moins une caractéristique du rayonnement ionisant parmi : un nombre de particules ayant interagi chaque scintillateur (8), un nombre de particules ayant interagi chaque scintillateur (8) par unité de temps, une direction du rayonnement ionisant, une nature du rayonnement ionisant, un ou des radionucléide(s) à l'origine du rayonnement ionisant, une énergie déposée par chaque photon du rayonnement ionisant dans chaque scintillateur (8), un spectre du rayonnement ionisant.
- 9. Système de détection (2) selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, dans lequel au moins un détecteur de photon (10) est une photodiode SPAD ou un photomultiplicateur SiPM.
- 10. Système de détection (2) selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, dans lequel au moins un scintillateur (8) est formé par une pluralité de volumes de scintillation (9A, 9B) présentant des propriétés différentes.
- 11. Procédé de détection de rayonnement ionisant, comprenant les étapes de :- fourniture d'au moins un scintillateur (8) et, pour chaque scintillateur (8), d'une pluralité de détecteurs de photon (10), le scintillateur (8) étant propre à produire au moins un photon lors d'une interaction avec un rayonnement ionisant, le scintillateur (8) étant délimité spatialement par une surface externe (12) respective, la pluralité de détecteurs de photon (10) étant agencés de façon à recouvrir la majeure partie de la surface externe (12) du scintillateur (8), chaque détecteur de photon (10) recouvrant une partie respective de la surface externe (12), chaque détecteur de photon (10) étant configuré pour générer un signal de détection (14) présentant, au cours du temps, une valeur indicative de la réception ou non de photon en provenance du scintillateur (8) ;- détermination, à partir de chaque signal de détection (14), d'une donnée temporelle représentative d'une date à laquelle le détecteur de photon (10) qui a généré le signal de détection (14) a reçu un photon en provenance du scintillateur (8) associé.
- 12. Procédé selon la revendication 11, comprenant, en outre, l'identification, parmi les données temporelles déterminées, d'au moins un sousensemble de données temporelles qui correspondent à la réception, par les détecteurs de photon (10) de chaque scintillateur (8), de photons appartenant à un même train de photons.
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