WO2000050922A1 - Detecteur bidimensionnel de rayonnements ionisants et procede de fabrication de ce detecteur - Google Patents

Detecteur bidimensionnel de rayonnements ionisants et procede de fabrication de ce detecteur Download PDF

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WO2000050922A1
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face
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Inventor
Jean-Louis Gerstenmayer
Serge Maitrejean
Claude Hennion
Irène Dorion
Pascal Desaute
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Commissariat A L'energie Atomique
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01T—MEASUREMENT OF NUCLEAR OR X-RADIATION
    • G01T1/00—Measuring X-radiation, gamma radiation, corpuscular radiation, or cosmic radiation
    • G01T1/29—Measurement performed on radiation beams, e.g. position or section of the beam; Measurement of spatial distribution of radiation
    • G01T1/2914—Measurement of spatial distribution of radiation
    • G01T1/2921—Static instruments for imaging the distribution of radioactivity in one or two dimensions; Radio-isotope cameras
    • G01T1/2935—Static instruments for imaging the distribution of radioactivity in one or two dimensions; Radio-isotope cameras using ionisation detectors
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01T—MEASUREMENT OF NUCLEAR OR X-RADIATION
    • G01T1/00—Measuring X-radiation, gamma radiation, corpuscular radiation, or cosmic radiation
    • G01T1/16—Measuring radiation intensity
    • G01T1/185—Measuring radiation intensity with ionisation chamber arrangements

Definitions

  • the present invention relates to a two-dimensional detector of ionizing radiation and to a method of manufacturing this detector.
  • the ionizing radiation that is detected with the invention can consist in particular of X-rays, gamma photons, protons, neutrons or muons.
  • the detector object of the invention makes it possible to convert an incident ionizing radiation into particles which are also ionizing, for example electrons, the operation of which is easier than that of this incident ionizing radiation.
  • Two-dimensional detectors of ionizing radiation consist of plates made of a heavy metal like lead or, more precisely, of a material having a high effective cross-section (“cross section”) of interaction with screw of incident ionizing radiation.
  • the plates are pierced with holes by chemical or electrochemical attack and electrically insulated from each other if necessary (when the thickness of the plates is a few hundred micrometers or more).
  • the holes are filled with an ionizable gas.
  • An incident photon, X or gamma, of high energy then generates, by Compton effect or effect of creation of pairs, at least one electron in one of the plates of the detector.
  • This incident photon X or gamma communicates to this electron a fast movement, with a kinetic energy of the order of magnitude of that of the incident photon; this fast electron then ionizes certain molecules of the gas contained in one of the holes to which the electron reaches and which the latter generally crosses.
  • the slow secondary electrons, which are torn from these molecules due to their ionization, are guided along this hole and collected using an electric polarization field
  • drift then detected for example in an ionization chamber or in a chamber with proportional avalanches.
  • two-dimensional detectors are for example described in documents [1], [2], [3], [6] and [7] which, like the other documents cited below, are mentioned at the end of this description .
  • the choice of a hole detection structure comes from the fact that such a structure is known to be very favorable for obtaining good spatial resolution and good performance, provided that the holes are perfectly formed and wide enough.
  • a chemical etching is used to form these holes: it is preferred to cutting by water jet which generates a frontal impact when opening the jet, at the beginning of the drilling of a hole.
  • This frontal impact flakes the material in which we want to form the holes, which causes a bursting of this material and making it unsuitable for use.
  • the object of the present invention is to remedy these drawbacks of high cost and limited yield and to do this provides a detector using slots instead of holes.
  • the present invention relates to a two-dimensional detector of an incident ionizing radiation consisting of first particles whose energies are greater than or equal to 100 keV, this detector comprising a block formed from a converter material which is suitable to emit second particles by interaction with the incident ionizing radiation, the block having a thickness at least equal to one tenth of the free path means of the first particles in the material, this detector being characterized in that it further comprises parallel slits which pass through the block and are filled with a fluid medium capable of interacting with the second particles to produce third particles, these the latter being representative, in intensity and in position, of the incident radiation, the block being oriented so as to present, to this incident radiation, a first face on which the slots open.
  • the object of the invention detector is also simple to manufacture and has a very large useful detection area.
  • the slots are perpendicular to the first face of the block.
  • the planes of the slots form an angle of the order of 1 ° to 5 ° with a straight line perpendicular to this first face of the block.
  • the fluid medium with which the slots are filled is capable of being ionized by the second particles (for example electrons energy produced by Compton effect), this fluid medium then producing electrons (due to the ionization of this medium), electrons which thus constitute the third particles, and the detector further comprises means for creating an electric field capable to extract these electrons from the block.
  • an ionizable gaseous medium is used, for example.
  • the detector may further comprise means for analyzing the electrons thus extracted from the block.
  • These analysis means may include an avalanche gas amplifier, capable of producing avalanches of electrons from the electrons extracted from the block.
  • an ionizable gaseous medium can be used, capable of converting the avalanches of electrons into light or ultraviolet radiation and providing the analysis means with means for detecting this light or ultraviolet radiation.
  • detection means may include a camera capable of detecting this light or ultraviolet radiation or an array of amorphous silicon photodiodes placed against the gas avalanche amplifier.
  • the material is electrically conductive and the block is a stack of layers of this material, these layers alternating with electrically insulating layers, the stack starting with a layer of the material at the first face of the block and also ending with a layer of this material at a second face of the block, which is opposite to the first face and on which open the slots, the detector further comprising means provided for bringing the layers of the material to electrical potentials which grow from the first face to the second face in order to create the electric field.
  • the layer of material which is located at the second face of the block can be blackened to avoid stray reflections of light, in particular ultraviolet light.
  • the material is electrically insulating or highly resistive
  • the block is a stack of layers of this material or is made of this material in the solid state, this block further comprising first and second couçjaes or grids which are electrically conductive and respectively formed at the level of the first face and at the level of a second face of the block, which is opposite to the first face and onto which open the slots, the electric field being created by carrying the first layer or grid has a first electrical potential and the second layer or grid has a second electrical potential which is greater than the first potential to allow the extraction (drift) of the third particles (ionization electrons) created by the ionization of the fluid medium.
  • the block is a stack of blades made of an insulating or highly resistive converter material and spaced from each other by shims provided to define the parallel slots of the block, this block comprising further first and second layers or grids which are electrically conductive and respectively formed at the level of the first face and at the level of a second face of the block, which is opposite to the first face and onto which the slots open, the electric field being created by bringing the first layer or grid to a first electrical potential and the second layer or grid has a second electrical potential which is greater than the first potential.
  • the present invention also relates to a method of manufacturing the detector object of the invention.
  • the block is formed and the slots are then formed by a technique chosen from the group comprising: - water jet cutting,
  • the layers used are bonded to each other.
  • a pilot hole can be formed in the block from which this slot is then formed.
  • FIG. 1 is a schematic perspective view of a particular embodiment of the detector object of the invention
  • FIG. 2 is a schematic cross-sectional view of the detector of FIG. 1, along a plane P indicated thereon,
  • Figure 3 is a schematic perspective view of another detector according to
  • FIG. 4 is a schematic and partial cross-sectional view of another detector according to the invention, • FIG. 5 schematically illustrates another detector according to the invention, and
  • FIG. 6 schematically illustrates an alternative embodiment of the detector of FIG. 2.
  • the two-dimensional ionizing radiation detector of energy greater than or equal to 100 keV according to the invention which is schematically represented in FIG. 1, comprises a block 2 formed from a converter material, material having a high effective cross section d interaction with this ionizing radiation.
  • this material is electrically conductive and, as seen in FIG. 2, the block is a stack of layers 4 of this material, these layers 4 alternating with electrically insulating layers 6.
  • the stack begins with one of the layers 4 on the first face 7 of the block, the face through which the ionizing radiation penetrates into the block 2, and also ends with one of these layers 4 on the second face 8 of the block , face which is opposite to the first face.
  • the detector is intended to detect X photons which have, for example, an energy of 5 MeV.
  • An incident photon X whose trajectory has the reference 9 in Figures 1 and 2 interacts with the material of one of the layers 4 to produce, by Compt ⁇ n effect or creation of pairs (electron, positron), an electron of high kinetic energy , the trajectory of which is represented by arrow 10 in FIG. 2.
  • An arrow 12 also represents the trajectory of the photon of energy lower than that of the incident photon X, which results from the interaction of the latter with the material.
  • Block 2 has a thickness E (counted from the first face 7 to the second face 8 of the block) at least equal to one tenth of the mean free path, in the conductive material, of the incident X photons, which gives it its high power of 'stop.
  • the detector of FIGS. 1 and 2 also comprises parallel slots 14.
  • the detector is arranged so that these slots are horizontal or, on the contrary, vertical but any other orientation is possible, depending on the use made of the detector.
  • the slots 14 pass through the block 2, from the first to the second face of the latter, thus structuring the latter into blades, and are filled, in a manner which will be explained below, with a gas which is ionizable by the electrons resulting from the interaction of the incident X-radiation with the conductive conversion material.
  • a gas which is ionizable by the electrons resulting from the interaction of the incident X-radiation with the conductive conversion material.
  • Each electron thus created interacts with this gas in a slit 14 to produce positive ions and electrons such as the ion symbolized by the arrow 16 and the electron symbolized by the arrow 18 in Figure 2.
  • Qp. specifies that the slots 14, which open onto the faces 7 and 8, are perpendicular to these faces 7 and 8.
  • the detector of FIGS. 1 and 2 also includes means' for creating an electric field capable of extracting from block 2 the electrons resulting from the ionization of the gas, by causing them to move in the slots where they are created. , towards face 8.
  • the ion corresponding to this electron goes towards the first face 7 under the effect of the electric field.
  • the electric field is created by means of polarization means provided for bringing the layers of conductive material 4 to electric potentials which increase from the first of these layers, located at level of the first face 7 of the block, up to the last of the layers 4, located at the level of the second face 8.
  • the block 2 is placed in a hermetically closed box 20, containing the ionizable gas.
  • the housing 20 could be provided with means (not shown) for circulating and purifying the gas.
  • This box 20 includes a window 22 which is transparent to the incident ionizing radiation and situated opposite the first face 7 of the block 2.
  • window 22 made of aluminum which is transparent to incident X-rays. t Other materials can be used, if necessary.
  • the polarization means making it possible to bring the layers 4 of conductive material to increasing potentials include electrical resistors RI, R2 ... Rn connected in series (FIG. 2).
  • each terminal common to two adjacent electrical resistors of the series connection is connected to one of the layers 4 of the conductive material, the first terminal of the first electrical resistance Ri being, in turn, connected to the first of the layers 4 of conductive material, located opposite window 22, while the second terminal of the last electrical resistance Rn is connected to the last of the layers 4 of conductive material, located at the level of the second face 8 of block 2.
  • resistors are formed outside the housing 20 and connected to the layers 4 of conductive material through electrically passages insulators (not shown) of this housing 20 but they can also be formed inside this housing.
  • These electrical resistances are for example formed by etching a conductive layer for example of gold, formed on an element (not shown) of electrically insulating ceramic.
  • the respective values of the resistances are adjusted by thinning this etched layer, for example using laser evaporation to do this.
  • the increasing electric potentials are thus obtained, that is to say a ramp of potentials by putting the first terminal of the first resistance RI to ground and by bringing the second terminal of the last resistance Rn to a high positive voltage.
  • the detector of FIGS. 1 and 2 also comprises means of analysis of the electrons which are extracted from block 2 by virtue of the electric field and which leave it by the second face 8.
  • These means of analysis comprise a gas amplifier with avalanches 24, which is capable of producing avalanches of electrons from these electrons extracted from the block.
  • this amplifier 24 includes two electrically conductive grids 26 and 28 which are placed in the housing 20, facing the second face 8 of the block 2 and which are parallel to each other and to this second face 8.
  • the first grid, which is closest to this second face 8 is brought to a positive potential, greater than the potential applied to the second terminal of the last electrical resistance Rn, and the second grid 28 is brought to a positive potential, greater than the potential applied to the first grid 26.
  • the first and second grids are respectively brought to 10 kV and
  • avalanche amplifiers can be used, for example avalanche amplifiers of the PPAC, “MICROMEGAS” (see documents [4] and [5]) or GEM type.
  • the ionizable gas is a mixture - of a gas, for example argon, allowing the multiplication, by avalanche, of the electrons extracted from block 2,
  • a gas for example dimethyl ether or DME, making it possible to control the amplification coefficient of this avalanche, and
  • a gas or a vapor for example triethylamine or TEA, capable of scintillation under the effect of the flow of electrons in this avalanche.
  • each electron which leaves the block 2 via the second face 8 thereof, is successively accelerated by the conductive grids 26 and 28 and generates an electronic avalanche 29 essentially between these two grids.
  • this avalanche generates ultraviolet radiation 30 by interaction with the TEA.
  • the housing 20 comprises a window 32 which is transparent to this ultraviolet radiation and for example made of quartz.
  • a camera is used which is capable of detecting such radiation and the window 32 is then chosen to be transparent to this radiation.
  • an array of amorphous silicon photodiodes can be used to detect light or ultraviolet radiation emitted by interaction of the gas mixture used with electronic avalanches. This matrix is then placed against the grid 28, which allows a gain in compactness and in weight.
  • the block 2 of Figures 1 and 2 can be replaced by the block 36 schematically shown in perspective in Figure 3.
  • an electrically insulating material is used, for example a ceramic, a glass or a plastic , or highly resistive, for example a ceramic or a oxide, with a resistivity at least equal to 10 5 ⁇ .cm, and the block 36 is a stack of layers 37 of this material or can even be made of this material in the solid state.
  • the block 36 also comprises a first conductive layer 38 and a second conductive layer 40 respectively formed at the level of the first face and at the level of the second face of the block 36. These conductive layers 38 and 40 can be replaced with conductive grids.
  • the electric field is simply created by means (not shown) capable of bringing the second conductive layer 40 to a high positive voltage, the first conductive layer 38 being grounded.
  • the layers 4 are made of tungsten and the layers 6 are made of kapton (registered trademark), the distance between the second face 8 and the first grid 26 is 1.5 mm and the distance between the two grids 26 and 28 is 3 mm, the thickness of the block 2 or 36 is 30 mm, the thickness of the conductive layers 4 is 250 ⁇ , the thickness of the insulating layers 6 is approximately 50 ⁇ m to 500 ⁇ m, the thickness of the conductive layers 38 and 40 is 10 ⁇ m, these conductive layers 38 and 40 are made of copper, the width of the slots 14 is 500 ⁇ m, their length L is approximately 10 cm to 50 cm and these slots are separated from each other by a distance of 700 ⁇ m.
  • tungsten instead of tungsten, lead or uranium-depleted uranium-235 could be used to form the layers 4.
  • the slots 14 or, more exactly, the planes of these that is to say the mediating planes of the slots, planes which extend along the length of these and which have a trace denoted X in the section plane of FIG. 4, can make an angle ⁇ of the order of 1 ° to 5 ° with a plane whose trace is denoted Y and which is perpendicular to this first face 7 as schematically illustrated in FIG. 4.
  • the thickness of block 2 or 36 is chosen as a function of the desired stopping power.
  • the dimensions of the slots 14 and of the constituent layers of the block 2 or 36 are chosen to optimize the spatial resolution of the corresponding detector and the collection efficiency (of the electrons generated in the slots) of this detector. It should be noted that, in the prior art, the total thickness of the metal plates (counted parallel to the ionizing radiation incident) was chosen to be able to chemically attack these metal plates.
  • the total thickness of the constituent layers of block 2 or 36 is entirely fixed by the constraints of application of the electric field (or more precisely electrostatic).
  • These layers can be very thin or, on the contrary, very thick because machining of the slots is always possible.
  • FIG. 5 is a schematic perspective view of another detector according to one invention.
  • the detector comprises a block 42 which is a stack of blades 44 of an electrically insulating or highly resistive converter material, for example ceramic or plastic material, blades which are spaced from each other by lower shims 46 and upper shims 48.
  • an electrically insulating or highly resistive converter material for example ceramic or plastic material
  • These shims are for example made of plastic.
  • each slot 14 being delimited by two adjacent plates, a lower wedge 46 and an upper wedge 48.
  • the slots 14 are filled with a fluid medium ionizable by the particles emitted during the interaction of the incident ionizing radiation with the plates 44.
  • This block 42 also includes a first conductive layer 49 and a second conductive layer 50 respectively formed at the first face and at the second face of the block to create (by bringing the first layer 49 to a first electrical potential and the second layer 50 has a second electrical potential which is greater than the first potential) the electric field making it possible to extract from the block 42 the electrons resulting from the ionization.
  • these layers (or these grids) 49 and 50 are provided with slots, such as the slots 51, respectively facing the slots 14 and extending the latter. Examples of methods of manufacturing a detector according to the invention are now given.
  • the block is an alternation of conductive layers and insulating layers
  • the block is made of a solid insulating material
  • these layers are first fixed to each other for example by bonding, then the first and second conductive layers are fixed respectively to the first and second faces of the block by example by collage.
  • the slots are then formed for example by cutting by water jet, by cutting by spark or by cutting by a taut unwinding wire.
  • bonding has the advantage, in particular in the case of water jet cutting, of avoiding accidental dispersion of the water jet between the layers during cutting.
  • each slot Before the formation of each slot, one can form a hole (pre-drilling) through the block then form the slot from this hole for example by means of a jet of water emitted by a nozzle which is moved relative to the block.
  • This hole which can for example be formed by chemical attack or any other technique, makes it possible to avoid a frontal impact due to the opening of the water jet.
  • ionizable fluid medium it is possible to use, instead of a gas, a liquid such as for example Xe, or a supercritical phase such as for example C0 2 (in supercritical phase).
  • a liquid such as for example Xe
  • a supercritical phase such as for example C0 2 (in supercritical phase).
  • Figure 6 schematically illustrates an alternative embodiment of Figure 2.
  • the detector of Figure 6 comprises an additional insulating layer 6 formed on the last of the layers 4, located at the second face 8 of the block 2 and an electrically conductive layer 4a formed on this additional layer 6.
  • This layer 4 has (then crossed, like the adjacent layer 6, by the slots
  • the detector of the invention can be used for example for applications of positron emission tomography type (PET scanner, where the incident energy is of the order of 0.5 MeV) or in radiotherapy at energies of the order of MeV. If the incident radiation consists of X photons, the detector according to the invention can be used in any application in which the photoelectric effect is negligible compared to other types of interaction (Compton effect or creation of pairs for example).
  • PET scanner where the incident energy is of the order of 0.5 MeV
  • radiotherapy energies of the order of MeV.
  • the detector according to the invention can be used in any application in which the photoelectric effect is negligible compared to other types of interaction (Compton effect or creation of pairs for example).
  • JL Gerstenmayer D. Lebrun and C. Hennion, "Multi Step Parallel Plate Avalanche Chamber as a 2D imager for MeV pulsed radiography", Proceedings, in SPIE, vol.2859, pages 107 to 114, colloque SPIE, 7- August 8, 1996, Denver Colorado [7] JL Gerstenmayer, "High DQE performance X- and Ga ma-ray fast imagers: emerging concepts", 1998 Symposium on Radiation Detection and Measurement, Ann Arbor, Michigan, May 11-14, 1998, Proceedings in Nuclear and Methods in Physics Research A.

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Abstract

Ce détecteur comprend un bloc (2) formé à partir d'un matériau qui émet des particules secondaires par interaction avec le rayonnement ionisant incident (9) dont l'énergie est supérieure ou égale à 100 keV. Le bloc a une épaisseur au moins égale au dixième du libre parcours moyen des particules constitutives du rayonnement incident dans le matériau. Des fentes parallèles (14) traversent le bloc et sont remplies d'un milieu fluide capable d'interagir avec les particules secondaires pour produire d'autres particules représentatives du rayonnement. On forme le bloc puis les fentes par exemple par découpe par jet d'eau, étincelage ou fil tendu déroulant. L'invention s'applique par exemple à la radiographie.

Description

DÉTECTEUR BIDIMENSIONNEL DE RAYONNEMENTS IONISANTS ET PROCÉDÉ DE FABRICATION DE CE DÉTECTEUR
DESCRIPTION
DOMAINE TECHNIQUE
La présente invention concerne un détecteur bidimensionnel de rayonnements ionisants ainsi qu'un procédé de fabrication de ce détecteur.
Les rayonnements ionisants que l'on détecte avec l'invention peuvent être constitués notamment de rayons X, de photons gamma, de protons, de neutrons ou de muons .
Le détecteur objet de l'invention permet de convertir un rayonnement ionisant incident en des particules également ionisantes, par exemple des électrons, dont l'exploitation est plus facile que celle de ce rayonnement ionisant incident.
L'invention s'applique notamment aux domaines suivants :
- radiographie instantanée d'objets très absorbants et/ou très volumineux,
- cinéradiographie ultrarapide de mobiles mécaniques,
- positionnement de patients en radiothérapie,
— physique des hautes énergies,
— neutronographie, — protonographie,
— imagerie médicale et biologique ( tomographies par émission de positrons) , et - imagerie par ouvertures codées pour inspecter des objets volumineux, faiblement radioactifs, ou des colis suspects, de façon passive ou très faiblement intrusive .
ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE
On connaît déjà des détecteurs bidimensionnels de rayonnements ionisants qui sont constitués de plaques faites d'un métal lourd comme le plomb ou, plus précisément, d'un matériau ayant une haute section efficace (« cross section ») d'interaction vis-à-vis d'un rayonnement ionisant incident .
A-' titre d'exemple, il eât connu d'utiliser un métal de numéro atomique Z supérieur ou égal à 73 pour la détection de photons X ou gamma et un métal de numéro atomique Z généralement inférieur à 14 ou supérieur à 90 pour la détection de neutrons.
D'autres matériaux, tels que le Gadolinium (Z=64) sont également utilisables pour détecter des neutrons.
Les plaques sont percées de trous par attaque chimique ou électrochimique et isolées électriquement les unes des autres si cela est nécessaire (lorsque l'épaisseur des plaques vaut quelques centaines de micromètres ou plus) .
Les trous sont remplis d'un gaz ionisable.
Un photon incident, X ou gamma, de haute énergie, engendre alors, par effet Compton ou effet de création de paires, au moins un électron dans l'une des plaques du détecteur. Ce photon incident X ou gamma communique à cet électron un mouvement rapide, avec une énergie cinétique de l'ordre de grandeur de celle du photon incident ; cet électron rapide ionise alors certaines molécules du gaz contenu dans l'un des trous auquel parvient l'électron et que ce dernier traverse en général. Les électrons secondaires lents, qui sont arrachés à ces molécules du fait de l'ionisation de ces dernières, sont guidés le long de ce trou et collectés à l'aide d'un champ électrique de polarisation
(« bias ») , encore appelé champ électrique de dérive
(« drift ») , puis détectés par exemple dans une chambre à ionisation ou dans une chambre à avalanches proportionnelles . De tels détecteurs bidimensionnels sont par exemple décrits dans les documents [1], [2], [3], [6] et [7] qui, comme les autres documents cités par la suite, sont mentionnés à la fin de la présente description. Le choix d'une structure de détection à trous vient de ce qu'une telle structure est connue pour être très favorable à l'obtention d'une bonne résolution spatiale et d'un bon rendement, à condition que les trous soient parfaitement formés et suffisamment larges.
Une attaque chimique (« chemical etching ») est utilisée pour former ces trous : elle est préférée à la découpe par jet d'eau qui engendre un choc frontal lors de l'ouverture du jet, au commencement du perçage d'un trou.
Ce choc frontal écaille le matériau dans lequel on veut former les trous, ce qui provoque un éclatement de ce matériau et le rend impropre à une utilisation.
Mais l'attaque chimique est une technique lente et coûteuse. De plus, le rendement de collection des électrons secondaires et donc le rendement de ces détecteurs à trous sont limités du fait de l'utilisation de cette technique : seulement 10% à 30% des électrons secondaires créés à chaque ionisation du gaz sont collectés.
En effet, une attaque chimique ne permet pas d'obtenir des trous dont les parois internes soient suffisamment cylindriques car elle engendre des étranglements dans les trous, ce qui déforme les lignes du champ électrique et réduit le diamètre utile de ces trous, d'où un rendement global limité pour les détecteurs à trous .
EXPOSÉ DE L'INVENTION
La présente invention a pour but de remédier à ces inconvénients de coût élevé et de rendement limité et propose pour ce faire un détecteur utilisant des fentes au lieu de trous.
De façon précise, la présente invention a pour objet un détecteur bidimensionnel d'un rayonnement ionisant incident constitué de premières particules dont les énergies sont supérieures ou égales à 100 keV, ce détecteur comprenant un bloc formé à partir d'un matériau convertisseur qui est apte à émettre des deuxièmes particules par interaction avec le rayonnement ionisant incident, le bloc ayant une épaisseur au moins égale au dixième du libre parcours moyen des premières particules dans le matériau, ce détecteur étant caractérisé en ce qu'il comprend en outre des fentes parallèles qui traversent le bloc et sont remplies d'un milieu fluide capable d' interagir avec les deuxièmes particules pour produire des troisièmes particules, ces dernières étant représentatives, en intensité et en position, du rayonnement incident, le bloc étant orienté de façon à présenter, à ce rayonnement incident, une première face sur laquelle débouchent les fentes.
Ces fentes structurent le bloc en lames. Le détecteur objet de l'invention est réalisable avec un coût beaucoup plus faible que celui des détecteurs à trous, mentionnés plus haut. De plus, le rendement de collection et la résolution spatiale du détecteur objet de l'invention sont susceptibles d'être très supérieurs à ces détecteurs à trous.
Le détecteur objet de l'invention est en outre simple à fabriquer et a une surface utile de détection très importante.
Selon un premier mode de réalisation particulier du détecteur objet de l'invention, les fentes sont perpendiculaires à la première face du bloc.
Selon un deuxième mode de réalisation particulier, les plans des fentes font un angle de l'ordre de 1° à 5° avec une droite perpendiculaire à cette première face du bloc. Selon un mode de réalisation particulier du détecteur objet de l'invention, le milieu fluide dont sont remplies les fentes est apte à être ionisé par les deuxièmes particules (par exemple des électrons énergétiques produits par effet Compton) , ce milieu fluide produisant alors des électrons (du fait de l'ionisation de ce milieu), électrons qui constituent ainsi les troisièmes particules, et le détecteur comprend en outre des moyens de création d'un champ électrique apte à extraire ces électrons du bloc.
Pour ce faire, on utilise par exemple un milieu gazeux ionisable.
Le détecteur peut comprendre en outre des moyens d'analyse des électrons ainsi extraits du bloc.
Ces moyens d'analyse peuvent comprendre un amplificateur gazeux à avalanches, apte à produire des avalanches d'électrons à partir des électrons extraits du bloc . Dans ce cas, on peut utiliser un milieu gazeux ionisable, apte à convertir les avalanches d'électrons en un rayonnement lumineux ou ultraviolet et munir les moyens d'analyse de moyens de détection de ce rayonnement lumineux ou ultraviolet. Ces moyens de détection peuvent comprendre une caméra apte à détecter ce rayonnement lumineux ou ultraviolet ou une matrice de photodiodes en silicium amorphe placée contre l'amplificateur gazeux à avalanches . Selon un premier mode de réalisation particulier de l'invention, le matériau est électriquement conducteur et le bloc est un empilement de couches de ce matériau, ces couches alternant avec des couches électriquement isolantes, l'empilement commençant par une couche du matériau au niveau de la première face du bloc et se terminant également par une couche de ce matériau au niveau d'une deuxième face du bloc, qui est opposée à la première face et sur laquelle débouchent les fentes, le détecteur comprenant en outre des moyens prévus pour porter les couches du matériau à des potentiels électriques qui croissent de la première face à la deuxième face afin de créer le champ électrique.
La couche du matériau qui est située au niveau de la deuxième face du bloc peut être noircie pour éviter les réflexions parasites de lumière notamment ultraviolette. Selon un deuxième mode de réalisation particulier de l'invention, le matériau est électriquement isolant ou fortement résistif, le bloc est un empilement de couches de ce matériau ou est fait de ce matériau à l'état massif, ce bloc comprenant en outre des première et deuxième couçjaes ou grilles qui sont électriquement conductrices et respectivement formées au niveau de la première face et au niveau d'une deuxième face du bloc, qui est opposée à la première face et sur laquelle débouchent les fentes, le champ électrique étant créé en portant la première couche ou grille à un premier potentiel électrique et la deuxième couche ou grille à un deuxième potentiel électrique qui est supérieur au premier potentiel pour permettre l'extraction (dérive) des troisièmes particules (électrons d'ionisation) créées par l'ionisation du milieu fluide.
Selon un autre mode de réalisation particulier de l'invention, le bloc est un empilement de lames faites d'un matériau convertisseur isolant ou fortement résistif et espacées les unes des autres par des cales prévues pour définir les fentes parallèles du bloc, ce bloc comprenant en outre des première et deuxième couches ou grilles qui sont électriquement conductrices et respectivement formées au niveau de la première face et au niveau d'une deuxième face du bloc, qui est opposée à la première face et sur laquelle débouchent les fentes, le champ électrique étant créé en portant la première couche ou grille à un premier potentiel électrique et la deuxième couche ou grille à un deuxième potentiel électrique qui est supérieur au premier potentiel .
La présente invention concerne aussi un procédé de fabrication du détecteur objet de 1 ' invention.
Selon ce procédé on forme le bloc et l'on forme ensuite les fentes par une technique choisie dans le groupe comprenant : - la découpe .par jet d'eau,
- la découpe par étincellage, et
— la découpe par un fil tendu déroulant.
Selon un mode de mise en oeuvre particulier du procédé objet de l'invention, utilisable pour la fabrication d'un détecteur conforme au premier ou au deuxième mode de réalisation particulier de l'invention (utilisation d'un matériau conducteur ou d'un matériau isolant ou fortement résistif) , les couches utilisées sont collées les unes aux autres. Avant de former chaque fente, on peut former dans le bloc un avant-trou à partir duquel on forme ensuite cette fente.
BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS
La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description d'exemples de réalisation donnés ci-après, à titre purement indicatif et nullement limitatif, en faisant référence aux dessins annexés sur lesquels :
• la figure 1 est une vue en perspective schématique d'un mode de réalisation particulier du détecteur objet de l'invention,
• la figure 2 est une vue en coupe transversale schématique du détecteur de la figure 1, selon un plan P indiqué sur celle-ci,
• la figure 3 est une vue en perspective schématique d'un autre détecteur conforme à
1 ' invention,
• la figure 4 est une vue en coupe transversale schématique et partielle d'un autre détecteur conforme à l'invention, • la figure 5 illustre schématiquement un autre détecteur conforme à l'invention, et
• la figure 6 illustre schématiquement une variante de réalisation du détecteur de la figure 2.
EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS
Le détecteur bidimensionnel de rayonnement ionisant d'énergie supérieure ou égale à 100 keV conforme à l'invention, qui est schématiquement représenté sur la figure 1, comprend un bloc 2 formé à partir d'un matériau convertisseur, matériau ayant une haute section efficace d'interaction vis-à-vis de ce rayonnement ionisant.
Dans le cas de la figure 1, ce matériau est électriquement conducteur et, comme on le voit sur la figure 2, le bloc est un empilement de couches 4 de ce matériau, ces couches 4 alternant avec des couches électriquement isolantes 6.
L'empilement commence par l'une des couches 4 en la première face 7 du bloc, face par laquelle le rayonnement ionisant pénètre dans le bloc 2 , et se termine également par l'une de ces couches 4 en la deuxième face 8 du bloc, face qui est opposée à la première face.
Dans l'exemple représenté, le détecteur est destiné à détecter des photons X qui ont par exemple une énergie de 5 MeV.
Un photon X incident dont la trajectoire a la référence 9 sur les figures 1 et 2 interagit avec le matériau de l'une des couches 4 pour produire, par effet Comptρn ou création de paires (électron, positron) , un électron de grande énergie cinétique, dont la trajectoire est représentée par la flèche 10 sur la figure 2.
On a également représenté par une flèche 12 la trajectoire du photon d'énergie inférieure à celle du photon X incident, qui résulte de l'interaction de ce dernier avec le matériau.
Le bloc 2 a une épaisseur E (comptée de la première face 7 à la deuxième face 8 du bloc) au moins égale au dixième du libre parcours moyen, dans le matériau conducteur, des photons X incidents, ce qui lui confère son haut pouvoir d'arrêt.
Conformément à l'invention, le détecteur des figures 1 et 2 comprend en outre des fentes parallèles 14.
A titre purement indicatif et nullement limitatif, le détecteur est disposé de façon que ces fentes soient horizontales ou, au contraire, verticales mais toute autre orientation est envisageable, suivant l'utilisation qui est faite du détecteur.
Les fentes 14 traversent le bloc 2 , de la première à la deuxième face de ce dernier, structurant ainsi ce dernier en lames, et sont remplies, d'une manière qui sera expliquée par la suite, d'un gaz qui est ionisable par les électrons résultant de l'interaction du rayonnement X incident avec le matériau conducteur de conversion. Chaque électron ainsi créé interagit avec ce gaz dans une fente 14 pour produire des ions positifs et des électrons tel que l'ion symbolisé par la flèche 16 et l'électron symbolisé par la flèche 18 sur la figure 2. Qp. précise que les fentes 14, qui débouchent sur les faces 7 et 8, sont perpendiculaires à ces faces 7 et 8.
Le détecteur des figures 1 et 2 comprend aussi des moyens' de création d'un champ électrique apte à extraire du bloc 2 les électrons résultant de l'ionisation du gaz, en provoquant le déplacement de ceux-ci dans les fentes où ils sont créés, vers la face 8.
Ceci est illustré sur la figure 2 pour l'électron dont la trajectoire a la référence 18.
L'ion correspondant à cet électron se dirige quant à lui vers la première face 7 sous l'effet du champ électrique.
Dans l'exemple représenté sur les figures 1 et 2 , le champ électrique est créé grâce à des moyens de polarisation prévus pour porter les couches de matériau conducteur 4 à des potentiels électriques qui croissent de la première de ces couches, située au niveau de la première face 7 du bloc, jusqu'à la dernière des couches 4, située au niveau de la deuxième face 8.
On précise que le bloc 2 est placé dans un boîtier hermétiquement fermé 20, contenant le gaz ionisable.
Au lieu de cela, le boîtier 20 pourrait être muni de moyens (non représentés) de circulation et de purification du gaz. Ce boîtier 20 comprend une fenêtre 22 qui est transparente au rayonnement ionisant incident et située en regard de la première face 7 du bloc 2.
Dans l'exemple représenté, il s'agit d'une fenêtre 22 en aluminium qui est transparente aux rayons X incidents. t On peut utiliser, si nécessaire, d'autres matériaux.
Les moyens de polarisation permettant de porter les couches 4 de matériau conducteur à des potentiels croissants comprennent des résistances électriques RI, R2 ... Rn montées en série (figure 2).
On voit que chaque borne commune à deux résistances électriques adjacentes du montage en série est reliée à l'une des couches 4 du matériau conducteur, la première borne de la première résistance électrique Ri étant, quant à elle, reliée à la première des couches 4 de matériau conducteur, située en regard de la fenêtre 22, tandis que la deuxième borne de la dernière résistance électrique Rn est reliée à la dernière des couches 4 de matériau conducteur, située au niveau de la deuxième face 8 du bloc 2.
Ces résistances sont formées à l'extérieur du boîtier 20 et connectées aux couches 4 de matériau conducteur à travers des passages électriquement isolants (non représentés) de ce boîtier 20 mais elles peuvent aussi être formées à l'intérieur de ce boîtier.
Ces résistances électriques sont par exemple formées par gravure d'une couche conductrice par exemple en or, formée sur un élément (non représenté) en céramique électriquement isolante.
Les valeurs respectives des résistances sont ajustées en amincissant cette couche gravée, en utilisant par exemple une evaporation par laser pour ce faire.
On obtient alors les potentiels électriques croissants c'est-à-dire une rampe de potentiels en mettant la première borne de la première résistance RI à la masse et en portant le deuxième borne de la dernière résistance Rn à une haute t nsion positive.
Le détecteur des figures 1 et 2 comprend aussi des moyens d'analyse des électrons qui sont extraits du bloc 2 grâce au champ électrique et qui sortent de celui-ci par la deuxième face 8. Ces moyens d'analyse comprennent un amplificateur gazeux à avalanches 24, qui est apte à produire des avalanches d'électrons à partir de ces électrons extraits du bloc.
On voit sur la figure 2 que cet amplificateur 24 comprend deux grilles électriquement conductrices 26 et 28 qui sont placées dans le boîtier 20, en regard de la deuxième face 8 du bloc 2 et qui sont parallèles l'une à l'autre et à cette deuxième face 8. La première grille, qui est la plus proche de cette deuxième face 8, est portée à un potentiel positif, supérieur au potentiel appliqué à la deuxième borne de la dernière résistance électrique Rn, et la deuxième grille 28 est portée à un potentiel positif, supérieur au potentiel appliqué à la première grille 26.
Dans l'exemple représenté, les première et deuxième grilles sont respectivement portées à 10 kV et
16 kV, tandis que la couche 4 la plus proche de la fenêtre 7 est mise à la masse et la couche 4 la plus proche de la grille 26 est portée à 8 kV.
D'autres types d'amplificateurs à avalanches sont utilisables, par exemple des amplificateurs à avalanches de type PPAC, « MICROMEGAS » (voir documents [4] et [5] ) ou GEM.
On précise que le gaz ionisable est un mélange - d'un gaz, par exemple l'argon, permettant la multiplication, par avalanche, des électrons extraits du bloc 2,
- d'un gaz, par exemple le diméthyl éther ou DME, permettant de maîtriser le coefficient d'amplification de cette avalanche, et
- d'un gaz ou d'une vapeur, par exemple le triéthylamine ou TEA, apte à scintiller sous l'effet du flux d'électrons dans cette avalanche.
A titre purement indicatif et nullement limitatif, on utilise un mélange de 86% d'argon, de 12% de DME et de 2% de TEA.
Des exemples d'amplificateurs gazeux à avalanche sont donnés dans les documents [4] et [5] .
Chaque électron, qui sort du bloc 2 par la deuxième face 8 de celui-ci, est successivement accéléré par les grilles conductrices 26 et 28 et engendre une avalanche électronique 29 essentiellement entre ces deux grilles. De plus, cette avalanche engendre un rayonnement ultraviolet 30 par interaction avec le TEA. En regard de la deuxième grille 28, le boîtier 20 comprend une fenêtre 32 qui est transparente à ce rayonnement ultraviolet et par exemple en quartz.
A l'extérieur du boîtier 20, en regard de cette fenêtre en quartz 32, on dispose une caméra 34 apte à détecter ce rayonnement ultraviolet 30.
Bien entendu si l'on utilise un mélange gazeux qui émet un rayonnement lumineux (visible) par interaction avec les avalanches électroniques, on utilise une caméra apte à détecter un tel rayonnement et la fenêtre 32 est alors choisie pour être transparente à ce rayonnement . De plus, au lieu d' utiliser une caméra, on peut utiliser une matrice de photodiodes en silicium amorphe (non représentée) pour détecter le rayonnement lumineux ou ultraviolet émis par interaction du mélange gazeux utilisé avec les avalanches électroniques. On place alors cette matrice contre la grille 28, ce qui permet un gain en compacité et en poids .
Pour éviter des réflexions parasites de lumière visible ou ultraviolette on peut noircir, par exemple en oxydant un métal approprié, la face de la couche 4 qui se trouve en regard de la grille 26.
Le bloc 2 des figures 1 et 2 peut être remplacé par le bloc 36 schématiquement représenté en perspective sur la figure 3. Dans le cas de la figure 3, on utilise un matériau électriquement isolant, par exemple une céramique, un verre ou une matière plastique, ou fortement résistif, par exemple une céramique ou un oxyde, avec une résistivité au moins égale à 105 Ω.cm, et le bloc 36 est un empilement de couches 37 de ce matériau ou peut même être fait de ce matériau à l'état massif . Dans le cas de la figure 3, le bloc 36 comprend aussi une première couche conductrice 38 et une deuxième couche conductrice 40 respectivement formées au niveau de la première face et au niveau de la deuxième face du bloc 36. Ces couches conductrices 38 et 40 peuvent être remplacées par des grilles conductrices.
On voit aussi sur la figure 3 les fentes parallèles 14 qui traversent ce bloc 36 et sont perpendiculaires aux première et deuxième faces de celui-ci. Elles structurent encore le bloc en lames.
Dans ce cas, le champ électrique est simplement créé grâce à des moyens (non représentés) aptes à porter la deuxième couche conductrice 40 à une haute tension positive, la première couche conductrice 38 étant mise à la masse.
A titre purement indicatif et nullement limitatif, les couches 4 sont en tungstène et les couches 6 en kapton (marque déposée) , la distance entre la deuxième face 8 et la première grille 26 vaut 1,5 mm et la distance entre les deux grilles 26 et 28 vaut 3 mm, l'épaisseur du bloc 2 ou 36 vaut 30 mm, l'épaisseur des couches conductrices 4 vaut 250 μ , l'épaisseur des couches isolantes 6 vaut environ 50 μm à 500 μm, l'épaisseur des couches conductrices 38 et 40 vaut 10 μm, ces couches conductrices 38 et 40 sont en cuivre, la largeur des fentes 14 vaut 500 μm, leur longueur L vaut environ 10 cm à 50 cm et ces fentes sont séparées les unes des autres d'une distance de 700 μm.
Au lieu du tungstène on pourrait utiliser le plomb ou encore l'uranium appauvri en uranium 235 pour former les couches 4.
Au lieu d'être perpendiculaires à la première face 7 du bloc 2 ou 36, les fentes 14 ou, plus exactement, les plans de celles-ci, c'est-à-dire les plans médiateurs des fentes, plans qui s'étendent suivant la longueur de celles-ci et qui ont une trace notée X dans le plan de coupe de la figure 4, peuvent faire un angle α de l'ordre de 1° à 5° avec un plan dont la trace est notée Y et qui est perpendiculaire à cette première face 7 comme l'illustre schématiquement la figure 4.
On augmente ainsi avantageusement le pouvoir d'arrêt vis-à-vis du rayonnement ionisant incident, à condition d'orienter le détecteur de façon que ce rayonnement arrive sur la face 7 du bloc 2 ou 36 suivant une direction perpendiculaire à la couche 4 ou
38.
On précise en outre que l'épaisseur du bloc 2 ou 36 est choisie en fonction du pouvoir d'arrêt recherché . De plus, les dimensions des fentes 14 et des couches constitutives du bloc 2 ou 36 sont choisies pour optimiser la résolution spatiale du détecteur correspondant et le rendement de collection (des électrons engendrés dans les fentes) de ce détecteur. II convient de noter que, dans l'art antérieur, l'épaisseur totale des plaques métalliques (comptée parallèlement au rayonnement ionisant incident) était choisie pour pouvoir attaquer chimiquement ces plaques métalliques.
Dans le détecteur des figures 1 et 2 , comme dans celui de la figure 3, l'épaisseur totale des couches constitutives du bloc 2 ou 36 est entièrement fixée par les contraintes d'application du champ électrique (ou plus précisément électrostatique) .
Ces couches peuvent être très minces ou, au contraire, très épaisses car l'usinage des fentes est toujours possible.
L'utilisation de fentes conformément à l'invention, au lieu de trous, permet d'améliorer de façon spectaculaire le rendement du détecteur mais aussi, ce qui est inattendu, la résolution spatiale de ce détecteur.
En effet, en considérant l'exemple de la figure 2 , suivant le direction Dl perpendiculaire aux fentes 14, la résolution spatiale est déterminée par le pas entre ces fentes et, suivant la direction D2 perpendiculaire à Dl , ne limite pas la diffusion des électrons qui dérivent dans les fentes mais l'expérience montre que cette diffusion des électrons n'est pas très importante et présente même une distribution de probabilité dont la largeur à mi- hauteur est inférieure au pas entre les fentes 14, ce pas valant par exemple 500 μm + 700 μm = 1,2 mm.
La figure 5 est une vue en perspective schématique d'un autre détecteur conforme à 1 ' invention. Dans le cas de la figure 5, le détecteur comprend un bloc 42 qui est un empilement de lames 44 d'un matériau convertisseur électriquement isolant ou fortement résistif, par exemple en céramique ou en matière plastique, lames qui sont espacées les unes des autres par des cales inférieures 46 et des cales supérieures 48.
Ces cales sont par exemple en matière plastique.
Ces cales permettent la formation des fentes 14 entre les lames, chaque fente 14 étant délimitée par deux plaques voisines, une cale inférieure 46 et une cale supérieure 48. Comme précédemment, les fentes 14 sont remplies d'un milieu fluide ionisable par les particules émises lors de l'interaction du rayonnement ionisant incident avec les lames 44.
Ce bloc 42 comprend aussi une première couche conductrice 49 et une deuxième couche conductrice 50 respectivement formées au niveau de la première face et au niveau de la deuxième face du bloc pour créer (en portant la première couche 49 à un premier potentiel électrique et la deuxième couche 50 à un deuxième potentiel électrique qui est supérieur au premier potentiel) le champ électrique permettant d'extraire du bloc 42 les électrons résultant de 1 ' ionisation .
On peut, comme dans le cas de la figure 3, installer, à la place des couches 49 et 50, deux grilles électriquement conductrices, l'une au niveau de la première face du bloc, l'autre au niveau de la deuxième face.
On voit sur la figure 5 que ces couches (ou ces grilles) 49 et 50 sont pourvues de fentes, telles que les fentes 51, respectivement en regard des fentes 14 et prolongeant ces dernières . On donne maintenant des exemples de procédés de fabrication d'un détecteur conforme à 1 ' invention.
Dans le cas où le bloc est une alternance de couches conductrices et de couches isolantes on commence par fixer ces couches les unes aux autres par exemple par collage.
Dans le cas où le bloc est fait d'un matériau isolant massif on commence par fixer, par exemple par collage, les deux couches conductrices respectivement aux première et deuxième faces de ce bloc massif.
Dans le cas où l'on utilise un matériau isolant sous forme de couches on commence par fixer ces couches les unes aux autres par exemple par collage puis l'on fixe encore les première et deuxième couches conductrices respectivement aux première et deuxième faces du bloc par exemple par collage.
Le bloc étant obtenu, on forme alors les fentes par exemple par découpe par jet d'eau, par découpe par étincellage ou par découpe par un fil tendu déroulant .
On précise que le collage présente l'avantage, notamment dans le cas de la découpe par jet d'eau, d'éviter une dispersion accidentelle du jet d'eau entre les couches lors de la découpe.
Avant la formation de chaque fente, on peut former un trou (pré-perçage) à travers le bloc puis former la fente à partir de ce trou par exemple au moyen d'un jet d'eau émis par une buse que l'on déplace par rapport au bloc . Ce trou, que l'on peut par exemple former par attaque chimique ou toute autre technique, permet d'éviter un choc frontal dû à l'ouverture du jet d'eau.
Cependant, la formation d'un tel trou n'est pas nécessaire si les matériaux utilisés pour former le bloc ne s'écaillent pas.
La formation des fentes est donc très rapide .
En tant que milieu fluide ionisable, on peut utiliser, au lieu d'un gaz, un liquide comme par exemple Xe, ou une phase supercritique comme par exemple C02 (en phase supercritique) .
La figure 6 illustre schématiquement une variante de réalisation de la figure 2. Le détecteur de la figure 6 comprend une couche isolante 6 supplémentaire formée sur la dernière des couches 4, située au niveau de la deuxième face 8 du bloc 2 et une couche électriquement conductrice 4a formée sur cette couche supplémentaire 6. Cette couche 4 a (alors traversée, comme la couche adjacente 6, par les fentes
14) est faite d'un matériau électriquement conducteur absorbant prévu pour absorber les particules secondaires créées dans la dernière descouches 4, dans le but d'améliorer la résolution spatiale en empêchant que ces particules secondaires ne pénètrent directement dans la zone d'amplification gazeuse à avalanches sous un grand angle (créant ainsi un flou) .
Le détecteur de l'invention est utilisable par exemple pour des applications de type tomographie par émission de positrons (PET scanner, où l'énergie incidente est de l'ordre de 0,5 MeV) ou en radiothérapie à des énergies de l'ordre du MeV. Si le rayonnement incident est constitué de photons X, le détecteur selon l'invention est utilisable dans toute application dans laquelle l'effet photoélectrique est négligeable devant les autres types d'interaction (effet Compton ou création de paires par exemple) .
Les documents cités dans la présente description sont les suivants :
[1] V. Perez-Mendez, S.I. Parker, IEEE Trans . Nucl.Sci. NS-21 (1974) 45
[2] S.N. Kaplan, L. Kaufman, V. Perez-Mendez, K. Valentine, Nuclear Instruments and . Methods 106 (1973)397
[3] A. P. Jeavons, G. Charpak, R.J. Stubbs, NIM 124 (1975) 491-503
[4] FR 2739941 A, « Détecteur de position, à haute résolution, de hauts flux de particules ionisantes », Invention de G. Charpak, I. Giomataris, Ph. Rebourgard et J.P. Robert - voir aussi demande internationale WO 97/14173
[5] FR 2762096 A, « Détecteur de particules à électrodes parallèles multiples et procédé de fabrication de ce détecteur », Invention de G. Charpak, I. Giomataris, Ph. Rebourgeard et J.P. Robert - voir aussi EP 0872874 A
[6] J.L. Gerstenmayer, D. Lebrun et C. Hennion, « Multi Step Parallel Plate Avalanche Chamber as a 2D imager for MeV pulsed radiography », Proceedings, in SPIE, vol.2859, pages 107 à 114, colloque SPIE, 7-8 août 1996, Denver Colorado [7] J.L. Gerstenmayer, « High DQE performance X- and Ga ma-ray fast imagers : émergent concepts », 1998 Symposium on Radiation Détection and Measurement, Ann Arbor, Michigan, 11 au 14 mai 1998, Proceedings in Nuclear and Methods in Physics Research A.

Claims

REVENDICATIONS
1. Détecteur bidimensionnel d'un rayonnement ionisant incident (9) constitué de premières particules dont les énergies sont supérieures ou égales à 100 keV, ce détecteur comprenant un bloc (2, 36, 42) formé à partir d'un matériau convertisseur qui est apte à émettre des deuxièmes particules par interaction avec le rayonnement ionisant incident, le bloc ayant une épaisseur au moins égale au dixième du libre parcours moyen des premières particules dans le matériau, ce détecteur étant caractérisé en ce qu'il comprend en outre des fentes parallèles (14) qui traversent le bloc et sont remplies d'un milieu fluide capable d' interagir avec les deuxièmes particules pour produire des troisièmes particules, ,ces dernières étant représentatives, en intensité et en position, du rayonnement incident, le bloc étant orienté de façon à présenter, à ce rayonnement incident, une première face
(7) sur laquelle débouchent les fentes.
2. Détecteur selon la revendication 1, dans lequel les fentes (14) sont perpendiculaires à la première face (7) du bloc (2, 36).
3. Détecteur selon la revendication 1, dans lequel les plans des fentes (14) font un angle (α) de l'ordre de 1° à 5° avec une droite (Y) perpendiculaire à la première face (7) du bloc.
4. Détecteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel le milieu fluide est apte à être ionisé par les deuxièmes particules, ce milieu fluide produisant alors des électrons qui constituent ainsi les troisièmes particules, et le détecteur comprend en outre des moyens (RI ... Rn, 38- 40) de création d'un champ électrique apte à extraire ces électrons du bloc.
5. Détecteur selon la revendication 4, dans lequel le milieu fluide est gazeux.
6. Détecteur selon l'une quelconque des revendications 4 et 5, comprenant en outre des moyens (24-26, 34) d'analyse des électrons ainsi extraits du bloc .
7. Détecteur selon la revendication 6, dans lequel les moyens d'analyse comprennent un amplificateur gazeux à avalanches, apte à produire des avalanches d'électrons (29) à partir des électrons extraits du bloc.
8. Détecteur selon la revendication 7, dans lequel le milieu fluide est gazeux gt apte à convertir les avalanches d'électrons en un rayonnement lumineux ou ultraviolet (30) et dans lequel les moyens d'analyse comprennent en outre des moyens (34) de détection de ce rayonnement lumineux ou ultraviolet.
9. Détecteur selon la revendication 8, dans lequel les moyens de détection du rayonnement lumineux ou ultraviolet comprennent une caméra (34) apte à détecter ce rayonnement lumineux ou ultraviolet ou une matrice de photodiodes en silicium amorphe placée contre l'amplificateur gazeux à avalanches.
10. Détecteur selon l'une quelconque des revendications 4 à 9, dans lequel le matériau est électriquement conducteur et le bloc (2) est un empilement de couches (4) de ce matériau, ces couches alternant avec des couches (6) électriquement isolantes, l'empilement commençant par une couche (4) du matériau au niveau de la première face (7) du bloc et se terminant également par une couche (4) de ce matériau au niveau d'une deuxième face (8) du bloc, qui est opposée à la première face et sur laquelle débouchent les fentes, le détecteur comprenant en outre des moyens (Ri ... Rn) prévus pour porter les couches du matériau à des potentiels électriques qui croissent de la première face à la deuxième face afin de créer le champ électrique.
11. Détecteur selon la revendication 10, comprenant en outre une couche supplémentaire (4a) formée sur une couche électriquement isolante supplémentaire (6) elle même formée sur la dernière couche (4) dudit matériau, qui se trouve au niveau de la deuxième face (8) du bloc (2), cette couche supplémentaire (4a) étant faite d'un matériau électriquement conducteur et apte^ à absorber les deuxièmes particules créées dans la dernière couche (4) , ces couches supplémentaires (4a, 6) étant traversées par les fentes.
12. Détecteur selon la revendication 10, dans lequel la couche (4) du matériau qui est située au niveau de la deuxième face (8) du bloc est noircie pour éviter les réflexions parasites de lumière.
13. Détecteur selon l'une quelconque des revendications 4 à 9, dans lequel le matériau est électriquement isolant ou fortement résistif, le bloc (36) est un empilement de couches (37) de ce matériau ou est fait de ce matériau à l'état massif, ce bloc comprenant en outre des première et deuxième couches ou grilles (38, 40) qui sont électriquement conductrices et respectivement formées au niveau de la première face (7) et au niveau d'une deuxième face (8) du bloc, qui est opposée à la première face et sur laquelle débouchent les fentes, le champ électrique étant créé en portant la première couche ou grille à un premier potentiel électrique et la deuxième couche ou grille à un deuxième potentiel électrique qui est supérieur au premier potentiel .
14. Détecteur selon l'une quelconque des revendications 1, 2 et 4 à 9, dans lequel le bloc (42) est un empilement de lames (44) faites d'un matériau convertisseur isolant ou fortement résistif et espacées les unes des autres par des cales (46, 48) prévues pour définir les fentes parallèles (14) du bloc, ce bloc comprenant en outre des première et deuxième couches ou grilles (49, 50) qui sont électriquement conductrices et respectivement formées au niveau de la première face
(7) et au niveau d'une deuxième face (8) du bloc, qui est opposée à la première face et sur laquelle débouchent les fentes, le champ électrique étant créé en portant la première couche ou grille à un premier potentiel électrique et la deuxième couche ou grille à un deuxième potentiel électrique qui est supérieur au premier potentiel.
15. Procédé de fabrication du détecteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 13 , dans lequel on forme le bloc (2, 36) et l'on forme ensuite les fentes (14) par une technique choisie dans le groupe comprenant :
- la découpe par jet d'eau,
- la découpe par étincellage, et
- la découpe par un fil tendu déroulant.
16. Procédé selon la revendication 15, pour la fabrication du détecteur selon l'une quelconque des revendications 10 à 13, dans lequel les couches (4-6, 37-38-40) utilisées sont collées les unes aux autres.
17. Procédé selon l'une quelconque des revendications 15 et 16, dans lequel, avant de former chaque fente (14), on forme dans le bloc (2, 36) un avant-trou à partir duquel on forme ensuite cette fente.
PCT/FR2000/000448 1999-02-24 2000-02-23 Detecteur bidimensionnel de rayonnements ionisants et procede de fabrication de ce detecteur WO2000050922A1 (fr)

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