WO2007093735A2 - Equipement de caracterisation d'un faisceau de particules - Google Patents

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WO2007093735A2
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particle beam
plane
ccd
analyzing
optical fibers
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Maurice Haguenauer
Alain Busata
Akli Karar
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Centre National De La Recherche Scientifique - Cnrs
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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
    • G01T1/16—Measuring radiation intensity
    • G01T1/20—Measuring radiation intensity with scintillation detectors
    • G01T1/201—Measuring radiation intensity with scintillation detectors using scintillating fibres
    • 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
    • G01T1/161—Applications in the field of nuclear medicine, e.g. in vivo counting
    • G01T1/164—Scintigraphy
    • G01T1/1641—Static instruments for imaging the distribution of radioactivity in one or two dimensions using one or several scintillating elements; Radio-isotope cameras
    • G01T1/1644—Static instruments for imaging the distribution of radioactivity in one or two dimensions using one or several scintillating elements; Radio-isotope cameras using an array of optically separate scintillation elements permitting direct location of scintillations

Definitions

  • the present invention relates to the field of particle beam analysis equipment.
  • analysis equipment for detecting and characterizing a particle beam, such as son chambers. These are devices that require a gas supply involving a power supply device, regulation but also a security and monitoring system by a qualified operator. They are bulky, not flexible, difficult to use, handling and maintenance.
  • patent US4942302 describing a device comprising two detectors each coupled to a plane of scintillating fibers extending respectively in the horizontal direction for one and in the vertical direction for the other.
  • detectors comprising scintillating optical fibers have a photomultiplier (PMT) based reading system which obtains a signal which is then amplified and converted into a digital signal.
  • PMT photomultiplier
  • the present invention more particularly relates to an equipment for analyzing a particle beam comprising: at least one detector comprising an optical fiber network (9), the fiber network comprising at least a first plane of parallel optical fibers oriented in a first direction X; the detector being arranged to produce a light signal when the particle beam passes through the optical fiber network,
  • an image sensor coupled with the detector so as to deliver a signal representative of the characteristics of the light signal.
  • the image sensor comprises a photomultiplier. It is well known that such a photomultiplier can produce a detector of a light beam only particle by particle. In the equipment described in the above-mentioned French application, the particle beam is thus measured by counting the particles of this beam one by one. Because of this particle-by-particle count, the Applicant has demonstrated that such equipment equipped with a photomultiplier can detect less than one million (10 6 ) particles per second. To obtain a better detection rate, the current induced in the photomultiplier becomes too great and it would require a highly complex electronics output photomultiplier.
  • such equipment comprising a photomultiplier is therefore very limited by the intensity of a particle beam.
  • the skilled person tries, from such photomultiplier equipment, to provide electronics that can deal with such intensities of the particle beam.
  • the photomultipliers have the disadvantage of not being able to be used in a vacuum, where the beams preferably circulate.
  • the invention aims in particular to overcome these disadvantages.
  • An object of the invention is to provide an equipment for analyzing a particle beam as described above, which can be effective in a wide range of particle beam intensities, for example between one thousand (10 3 ) and ten thousand billion
  • the invention also aims to provide equipment with easy implementation, suitable for an industrial type structure.
  • the invention also aims to provide equipment that is very stable over time, not requiring maintenance, and exhibiting no saturation phenomenon.
  • Another object of the present invention is to provide analysis equipment that makes it possible to measure the average position and / or the intensity and / the spatial and temporal dispersion of a particle beam. At least one of these problems is solved by the invention, which relates, as mentioned above, to a particle beam analysis equipment comprising:
  • At least one detector comprising an optical fiber network (9), the parallel fiber network comprising at least one first plane of parallel optical fibers oriented in a first direction X
  • the detector being arranged to produce a light signal when the particle beam passes through the optical fiber network
  • an image sensor coupled to the detector so as to output a signal representative of the characteristics of the light signal
  • the image sensor comprises a CCD or CMOS sensor
  • the ends of the optical fibers of the fiber network are arranged to form an image of the light signal in the object plane of the CCD or CMOS sensor.
  • the CCD or CMOS sensors have the advantage of being usable in cameras comprising means of processing able to process the information acquired by the CCD or CMOS sensor for a high intensity of particles.
  • CCD or CMOS sensors also have the advantage of being able to be used in a vacuum.
  • the Applicant has demonstrated that it was possible to use the invention for hadrontherapy.
  • the preferred sensor is a CCD sensor since it makes it possible to measure particle beams for very high intensities.
  • the CMOS sensor also solves the problems related to the intensity, but in a slightly lower intensity range than that of the CCD sensor.
  • the fiber network may comprise a first plane of parallel optical fibers oriented in a first direction X and a second plane of parallel optical fibers oriented in a second direction Y, the ends of the optical fibers of each plane being arranged to form the image of the light signal in the object plane of the CCD or CMOS sensor.
  • the ends of the optical fibers of the optical fiber network are gathered at the output of the detector to form the image of the light signal in the object plane of the CCD or CMOS sensor.
  • This has the advantage of limiting the size of an objective that could be placed between the ends of the fibers and the object plane of the CCD or CMOS sensor.
  • the fiber bundle of the first plane is substantially coplanar with the fiber bundle of the second plane, the end of said two bundles of fibers forming two contiguous images.
  • the CCD or CMOS sensor is chosen to be able to receive these two contiguous images, which can be juxtaposed or overlapped on the sensor.
  • the ends of the fiber bundles of the first and second planes are united in the same object image plane.
  • the equipment comprises an ultra-thin flange, and the object image plane is formed behind the ultra-thin flange.
  • said CCD sensor is directly mounted in the object image plane.
  • said CCD sensor is integrated in a CCD camera.
  • the detector comprises two stages connected by an ultra-thin flange.
  • the ultra-thin flange is equipped with a porthole for the passage of the light emitted by the fibers.
  • the first stage comprises two identical frames in which come place the optical fibers.
  • each of the armatures of the first stage corresponds respectively to the horizontal and vertical coordinates of the particle beam by fixing at 90 ° the angle between the two fiber planes.
  • the first stage is located in the vacuum tube of the beam.
  • the second stage comprises an optical system associated with a digital CCD camera.
  • the scintillating optical fibers are aluminized over their entire length.
  • the optical fibers are made of polystyrene.
  • the second stage has an electromagnetic shield.
  • the images are transferred to a PC type computer.
  • the CCD sensor is formed by CCD arrays with associated digital electronics.
  • the invention also relates to the use of the aforementioned assay equipment for hadrontherapy.
  • the detector comprises two stages (1) (2) connected by an ultra-thin flange (7).
  • the first stage (2) is included in the beam vacuum tube.
  • each of the planes of these armatures (4) (5) are placed parallel scintillating optical fibers (9) each traversing the armatures (4) (5) from one end to another.
  • the beam side end of each of said armatures (4) (5) is provided with an aperture describing a quadrilateral.
  • the ultra-thin flange (7) comprises a window for transmitting light to the optical system (6) and is intended to be mounted on an equivalent flange of the beam vacuum tube.
  • the ultra-thin flange (7) isolates from the vacuum of about 10 "8 mbar / cm 2 in which the fibers are placed, the CCD system located outside the vacuum tube (7) at atmospheric pressure.
  • the second stage (1) of this detector is located outside the vacuum tube of the beam and corresponds to the recording system of the amount of light. It can be provided with an electromagnetic shielding allowing its use in or with equipment generating electromagnetic fields. As we have seen previously this second stage (1) comprises an optical system (7) which focuses the light emanating from the scintillating optical fibers (9) in the image plane of the CCD sensor of the digital camera (3).
  • This CCD digital camera (3) is connected to a PC type computer by a FIREWIRE (8) cable with the IEEE 1394 standard identical to the "general public" mode; the images obtained are processed and then stored.
  • the scintillating optical fibers (9) used are made of polystyrene and have undergone a specific treatment. They have indeed been aluminized over their entire length by spraying.
  • each of the scintillating optical fibers has undergone high quality aluminization for a light gain of about 60% to return the produced light to the other end of the fiber in the direction of the object image plane.
  • the Kuraray brand sparkling optical fibers used in this application are square fibers.
  • the particle beam analysis equipment comprises a detector composed of two planes of 32 scintillating optical fibers each.
  • Each polystyrene scintillating fiber has a square section of
  • the vertical scintillating optical fibers provide a horizontal section of the shape of the particle beam; so they give the horizontal characteristics of the beam and vice versa.
  • the pitch of the scintillating optical fibers (9) is 2 mm, thus conferring a detection surface of 62.5 ⁇ 62.5 mm 2 .
  • the scintillating optical fibers are then grouped in a matrix of 512x512 pixels on the CCD inside the camera (3). The reading is done by grouping 8x8 pixels that we will call cells thereafter.
  • the full image of 64 scintillating fiber optics covers 64x64 cells at a time for horizontal and vertical planes.
  • each 0.5x0.5 mm 2 scintillating optical fiber covers 4x4 cells.
  • the digital content of the 16 cells is summed for each scintillating optical fiber after subtraction of the background noise. The result is proportional to the number of particles that have passed through the detector.
  • the 32 + 32 sums thus obtained for each fiber position will form the beam profile in each plane.
  • the optical system (6) comprises a C-mount optical lens, with a focal length of 25 mm, and an aperture of 1 .3 to 1 .4, it focuses an image, that is to say a quantity of light that will be deposited on the CCD sensor of the digital camera (3). This step of recording the amount of light requires a digital CCD camera (3) meeting certain criteria such as sensitivity, a low residual noise rate and ease of recording data.
  • the camera (3) selected in our embodiment is of the brand Hamamatsu model 8084-03G.
  • the choice of this brand and this model is not limiting.
  • the camera (3) used allows a exposure time ranging from 10 ⁇ s up to 10s. It also has two separate earnings levels of 14dB. The set gives a total dynamics greater than 10 9 .
  • the invention then provides for the processing of the images obtained by a computer program in order to be able to determine the position, the size and the intensity of the beam.
  • a hundred images are recorded. They will provide a basis for calculating a so-called pedestal image.
  • This pedestal image will then be subtracted cell by cell from the beam image.
  • the digital content of the matrix after subtraction of the pedestal is then corrected by a calibration factor.
  • This calibration factor is obtained outside the beam and essentially corresponds to the geometric acceptance of the scintillating optical fiber through the lens of the camera. It is obtained by measuring the signal deposited in each scintillating optical fiber by a source of Sr 90 for a fixed exposure time.
  • the result obtained will be the content of two dimension vectors of the number of scintillating optical fibers per X and Y plane.
  • the beam profiles may be represented in the form of a cascade, and will describe the position and the shape of the beam per measurement plane according to time.
  • the analysis equipment can establish the particle beam position with an accuracy of up to two tens of microns, the beam size from 1mm up to 30mm, and its intensity from 10 3 up to 10 12 particles per second.
  • the detector of the equipment comprises two planes of 128 scintillating optical fibers, of square section (0.5x0.5mm 2 ) placed side by side.
  • the detection surface is then 64x64 mm 2 .
  • the scintillating optical fibers are then grouped by two (1 xO.5mm2) whose image will be formed on the CCD of the camera (3).
  • the image of a scintillating optical fiber would then cover 8x4 cells.
  • the total image will cover 1344x512 pixels.
  • Each of the two groups of 64 scintillating optical fibers will provide the image of the beam respectively in the horizontal and vertical plane.
  • This embodiment can be used to equip a device such as accelerators for hadrontherapy.
  • the digitized image from the CCD sensor is read by a computer in the same way as with a camera or consumer camera and allows the processing and storage of images.
  • the image processing will give the characteristics of the measured beam, ie its average position, size and intensity. These characteristics can be compared to a register in order to decide on the stopping of the beam or the adjustment to be made for the next passages of the beam. Therefore the present invention can be used in the context of hadrontherapy, for the precision, flexibility and low cost afforded by this type of equipment.

Abstract

La présente invention se rapporte à un équipement d'analyse d'un faisceau de particules comprenant au moins un détecteur comprenant un réseau de fibres optiques (9), le réseau de fibres parallèles comprenant au moins un premier plan de fibres optiques parallèles orientées selon une première direction X; le détecteur étant agencé pour produire un signal lumineux lorsque le faisceau de particules traverse le réseau de fibres optiques, un capteur d'image couplé avec le détecteur de sorte à délivrer un signal représentatif des caractéristiques du signal lumineux, caractérisé en ce que le capteur d'image comprend un capteur CCD ou CMOS, et dans lequel les extrémités des fibres optiques du réseau de fibres sont agencées pour former une image du signal lumineux dans le plan objet du capteur CCD ou CMOS.

Description

ÉQUIPEMENT DE CARACTÉRISATION D'UN FAISCEAU DE PARTICULES
La présente invention se rapporte au domaine des équipements d'analyse de faisceaux de particules.
Il est fréquent de vouloir caractériser un faisceau de particules dans différentes applications comme dans les domaines de la physique fondamentale, de la biophysique, des machines destinées à la production de rayonnement synchrotron, et plus généralement de tout faisceau de particules chargées.
L'art antérieur connaît déjà des équipements d'analyse permettant de détecter et de caractériser un faisceau de particules, comme les chambres à fils. Ce sont des dispositifs qui nécessitent une alimentation en gaz impliquant un dispositif d'alimentation, de régulation mais aussi un système de sécurité et de surveillance par un opérateur qualifié. Ils sont du reste encombrant, pas flexible, difficiles d'utilisation, de manipulation et d'entretien.
On connaît aussi le brevet US4942302 décrivant un dispositif comprenant deux détecteurs couplés chacun à un plan de fibres scintillantes s'étendant respectivement en direction horizontale pour l'un et en direction verticale pour l'autre. Ces détecteurs comprenant des fibres optiques scintillantes ont un système de lecture reposant sur des photomultiplicateurs (PMT) qui obtiennent un signal qui est ensuite amplifié puis converti en un signal numérique.
La présente invention se rapporte plus particulièrement à un équipement d'analyse d'un faisceau de particules comprenant : - au moins un détecteur comprenant un réseau de fibres optiques (9), le réseau de fibres comprenant au moins un premier plan de fibres optiques parallèles orientées selon une première direction X ; - le détecteur étant agencé pour produire un signal lumineux lorsque le faisceau de particules traverse le réseau de fibres optiques,
- un capteur d'image couplé avec le détecteur de sorte à délivrer un signal représentatif des caractéristiques du signal lumineux.
Un tel équipement est connu de la demande de brevet français FR 2 849 697. Dans cette demande de brevet, le capteur d'image comprend un photomultiplicateur. Il est bien connu qu'un tel photomultiplicateur ne peut réaliser un détecteur d'un faisceau lumineux que particule par particule. Dans l'équipement décrit dans la demande française susmentionnée, on réalise donc un dosage du faisceau de particules en comptant une par une les particules de ce faisceau. Du fait de ce comptage particule par particule, la Demanderesse a démontré qu'un tel équipement muni d'un photomultiplicateur ne peut détecter que moins d'un million (106) de particules par seconde. Pour obtenir un meilleur taux de détection, le courant induit dans le photomultiplicateur devient trop important et il faudrait une électronique extrêmement complexe en sortie du photomultiplicateur. Pour un taux de détection supérieur à un million de particules par seconde, un tel équipement comprenant un photomultiplicateur est donc très limité par l'intensité d'un faisceau de particules. Depuis de nombreuses années, l'homme du métier tente, à partir de tels équipements à photomultiplicateur, de fournir une électronique pouvant traiter de telles intensités du faisceau de particules. En outre, les photomultiplicateurs ont l'inconvénient de ne pas pouvoir être utilisés dans le vide, où circulent de préférence les faisceaux.
En outre, seul un dosage du faisceau de particules est possible directement avec un tel équipement. En particulier, il n'est pas possible, avec un tel équipement, de mesurer la directement position moyenne et/ou l'intensité et/ou la dispersion spatiale et temporelle d'un faisceau de particules.
L'invention vise notamment à pallier ces inconvénients.
Un but de l'invention est de fournir un équipement d'analyse d'un faisceau de particules tel que décrit ci-dessus, qui puisse être efficace dans une large gamme d'intensités du faisceau de particules, par exemple entre mille (103) et dix mille milliards
(1013) de particules par seconde.
L'invention a également pour but de proposer un équipement ayant une mise en oeuvre facile, adapté à une structure de type industrielle.
L'invention a également pour but de fournir un équipement qui soit très stable dans le temps, ne nécessitant pas de maintenance, et ne présentant pas de phénomène de saturation.
La présente invention a également pour but de fournir équipement d'analyse qui permette de mesurer la position moyenne et/ou l'intensité et/ la dispersion spatiale et temporelle d'un faisceau de particules. Au moins un de ces problèmes est résolu par l'invention, qui se rapporte, comme mentionné ci-dessus, à un équipement d'analyse d'un faisceau de particules comprenant :
- au moins un détecteur comprenant un réseau de fibres optiques (9), le réseau de fibres parallèles comprenant au moins un premier plan de fibres optiques parallèles orientées selon une première direction X
- le détecteur étant agencé pour produire un signal lumineux lorsque le faisceau de particules traverse le réseau de fibres optiques,
- un capteur d'image couplé avec le détecteur de sorte à délivrer un signal représentatif des caractéristiques du signal lumineux, dans lequel le capteur d'image comprend un capteur CCD ou CMOS, et dans lequel les extrémités des fibres optiques du réseau de fibres sont agencées pour former une image du signal lumineux dans le plan objet du capteur CCD ou CMOS.
Grâce à l'utilisation du capteur CCD ou CMOS, la Demanderesse a démontré notamment que des intensités beaucoup plus importantes du faisceau de particules pouvaient être analysées de façon satisfaisante. Ainsi, au lieu de chercher à développer une électronique adaptée aux fortes intensités, la
Demanderesse a modifié le capteur d'image le plus répandu de l'art antérieur. De façon surprenante, elle a démontré que l'utilisation des capteurs CCD ou CMOS permettait de pallier les inconvénients susmentionnés.
En outre, les capteurs CCD ou CMOS ont l'avantage d'être utilisables dans des caméras comprenant des moyens de traitement aptes à traiter les informations acquises par le capteur CCD ou CMOS pour une forte intensité de particules.
Les capteurs CCD ou CMOS ont également l'avantage de pouvoir être utilisés dans le vide.
Grâce aux niveaux d'intensité du faisceau de particules obtenus selon l'invention, la Demanderesse a démontré qu'il était possible d'utiliser l'invention pour l'hadronthérapie.
Selon l'invention, le capteur préféré est un capteur CCD puisqu'il permet de mesurer des faisceaux de particules pour des intensités très fortes. Le capteur CMOS permet également de résoudre les problèmes liés à l'intensité, mais dans une gamme d'intensité légèrement inférieure à celle du capteur CCD.
Selon un mode de réalisation de l'invention, le réseau de fibres peut comprendre un premier plan de fibres optiques parallèles orientées selon une première direction X et un deuxième plan de fibres optiques parallèles orientées selon une deuxième direction Y, les extrémités des fibres optiques de chaque plan étant agencées pour former l'image du signal lumineux dans le plan objet du capteur CCD ou CMOS.
Selon un mode de réalisation de l'invention, les extrémités des fibres optiques du réseau de fibres optiques sont rassemblées en sortie du détecteur pour former l'image du signal lumineux dans le plan objet du capteur CCD ou CMOS. Ceci a pour avantage de limiter la taille d'un objectif qui pourrait être placé entre les extrémités des fibres et le plan objet du capteur CCD ou CMOS. Selon un mode de réalisation le faisceau de fibres du premier plan est sensiblement coplanaire avec le faisceau de fibres du deuxième plan, l'extrémité desdits deux faisceaux de fibres formant deux images contiguës. Le capteur CCD ou CMOS est choisi pour pouvoir recevoir ces deux images contiguës, qui peuvent être juxtaposées ou chevauchées sur le capteur.
Selon un mode de réalisation, les extrémités des faisceaux de fibres du premier et deuxième plan sont réunies dans le même plan image objet.
Selon un mode de mise en œuvre particulier, l'équipement comprend une bride ultravide, et le plan image objet est formé derrière la bride ultravide.
Avantageusement, ledit capteur CCD est directement monté dans le plan image objet.
Selon une variante, ledit capteur CCD est intégré dans une caméra CCD.
Selon un mode de mise en œuvre, le détecteur comporte deux étages reliés par une bride ultravide.
Selon un mode de réalisation, la bride ultravide est équipée d'un hublot pour le passage de la lumière émise par les fibres.
Selon un mode de réalisation, le premier étage comprend deux armatures identiques dans lesquelles viennent se placer les fibres optiques.
Avantageusement, chacune des armatures du premier étage correspond respectivement aux coordonnées horizontales et verticales du faisceau de particules en fixant à 90° l'angle entre les deux plans de fibres.
Selon une variante, le premier étage est situé dans le tube à vide du faisceau.
Selon une autre variante, le deuxième étage comprend un système optique associé à une caméra numérique CCD.
Avantageusement, les fibres optiques scintillantes sont aluminisées sur toute leur longueur.
Selon un mode de mise en œuvre, les fibres optiques sont fabriquées en polystyrène.
Selon un autre mode de réalisation, le deuxième étage bénéficie d'un blindage électromagnétique.
Selon une variante, les images sont transférées sur un calculateur de type PC.
Avantageusement, le capteur CCD est formé par des barrettes CCD avec une électronique numérique associée. L'invention se rapporte également à l'utilisation de l'équipement d'analyse susmentionné pour l'hadronthérapie.
On comprendra mieux l'invention à l'aide de la description, faite ci-après à titre purement explicatif, d'un mode de réalisation de l'invention, en référence à la figure annexée :
- la figure 1 illustre une vue d'ensemble du détecteur.
Selon l'invention, illustrée figure 1 , le détecteur comporte deux étages (1 )(2) reliés par une bride ultravide (7). Le premier étage (2) est compris dans le tube à vide du faisceau.
Il comporte deux armatures (4)(5) identiques en acier inoxydable, un pour les coordonnées horizontales et l'autre pour les coordonnées verticales. Autrement dit une armature (4) supporte les fibres d'un plan X et une autre armature (5) supporte les fibres d'un plan Y. Dans chacun des plans de ces armatures (4)(5), viennent se placer de manière parallèle des fibres optiques scintillantes (9) parcourant chacune les armatures (4)(5) d'une extrémité à l'autre. L'extrémité côté faisceau de chacune desdites armatures (4)(5) est pourvue d'une ouverture décrivant un quadrilatère. Ces deux armatures (4)(5) sont assemblées de façon à former un support de fibres qui définit une matrice de colonnes et de lignes de fibres au niveau de l'ouverture de cette extrémité. L'autre extrémité de ce support de fibres aboutit dans le plan image objet. Au niveau de cette autre extrémité les différentes terminaisons de ces fibres (9) transmettent au système optique (6) la lumière créée par le faisceau de particules qui les parcourt. La bride ultravide (7) comprend un hublot permettant la transmission de la lumière au système optique (6) et est destinée à être montée sur une bride équivalente du tube à vide du faisceau. La bride ultravide (7) isole du vide d'environ 10"8 mbar/cm2 dans lequel sont placées les fibres, le système CCD situé à l'extérieur du tube à vide (7) à la pression atmosphérique.
Le deuxième étage (1 ) de ce détecteur est situé hors du tube à vide du faisceau et correspond au système d'enregistrement de la quantité de lumière. Il peut être pourvu d'un blindage électromagnétique permettant son utilisation dans ou auprès d'équipement générant des champs électromagnétiques. Comme nous l'avons vu précédemment ce deuxième étage (1 ) comporte un système optique (7) qui focalise la lumière émanant des fibres optiques scintillantes (9) dans le plan image du capteur CCD de la caméra numérique (3).
Cette caméra numérique CCD (3) est reliée à un ordinateur de type PC par un câble FIREWIRE (8) au standard IEEE 1394 identique au mode « grand public » ; les images obtenues sont traitées et ensuite stockées.
Les fibres optiques scintillantes (9) utilisées sont en polystyrène et ont subi un traitement spécifique. Elles ont en effet été aluminisées sur toute leur longueur par pulvérisation.
Une des extrémités de chacune des fibres optiques scintillantes a subi une aluminisation de haute qualité pour un gain de lumière d'environ 60% afin de renvoyer la lumière produite vers l'autre extrémité de la fibre en direction du plan image objet. Les fibres optiques scintillantes de marque Kuraray utilisées dans cette application sont des fibres carrées.
Dans un mode de réalisation, l'équipement d'analyse d'un faisceau de particules comporte un détecteur composé de deux plans de 32 fibres optiques scintillantes chacun. Chaque fibre optique scintillante en polystyrène a une section carrée de
0.5x0.5 mm2. Les fibres optiques scintillantes verticales fournissent une coupe horizontale de la forme du faisceau de particules ; ainsi elles donnent les caractéristiques horizontales du faisceau et vice-versa.
Dans ce mode de réalisation le pas des fibres optiques scintillantes (9) est de 2 mm conférant ainsi une surface de détection de 62.5x 62.5 mm2. Les fibres optiques scintillantes sont ensuite regroupées dans une matrice de 512x512 pixels sur le CCD à l'intérieur de la caméra (3). La lecture se fait par regroupement de 8x8 pixels que nous appellerons cellules par la suite.
L'image complète des 64 fibres optiques scintillantes recouvre 64x64 cellules à la fois pour les plans horizontaux et verticaux.
L'image de chaque fibre optique scintillante de 0.5x0.5 mm2 recouvre 4x4 cellules. Le contenu numérique des 16 cellules est sommé pour chaque fibre optique scintillante après soustraction du bruit de fond. Le résultat est proportionnel au nombre de particules qui ont traversé le détecteur. Les 32 + 32 sommes ainsi obtenues pour chaque position de fibre formeront le profil de faisceau dans chaque plan. Dans cette variante du détecteur, le système optique (6) comporte une lentille optique à montage C, de focale 25 mm, et d'ouverture 1 .3 à 1 .4, il focalise une image c'est-à-dire une quantité de lumière qui sera déposée sur le capteur CCD de la caméra numérique (3). Cette étape d'enregistrement de la quantité de lumière nécessite une caméra numérique CCD (3) répondant à certains critères comme la sensibilité, un faible taux de bruit résiduel et la facilité d'enregistrement des données.
La caméra (3) choisie dans notre mode de réalisation est de la marque Hamamatsu modèle 8084-03G. Le choix de cette marque et de ce modèle n'est pas limitatif.
Les caractéristiques techniques de cette caméra numérique CCD (3) sont les suivantes:
- refroidissement Peltier,
- un nombre effectif de pixels de 1344 x1024,
- une horloge à 40M Hz/pixel,
- nombre d'images par seconde: nominal 12.2 images/s et 58 images/s en groupant les pixels en
8x8,
- une dynamique de 12 bits (212 = 4096) du convertisseur analogique/numérique (ADC),
- Un temps d'exposition variable de 10μs à 10s.
Un convertisseur analogique/numérique (ADC) de 12 bits (212 = 4096) permet la mesure de la lumière induite dans chaque fibre optique scintillante (9). Connaissant la position géométrique de chaque fibre optique scintillante, la représentation du contenu de la fibre optique scintillante en fonction de sa position, on obtient la distribution en intensité du faisceau. La mesure jusqu'à 3 écarts standard implique d'entrée une dynamique de 100 (3 écarts standard correspondants à 99% du faisceau de particules). D'autre part la largeur de la distribution peut varier d'un facteur 10 (entre 1 et 10 mm).
La caméra (3) utilisée permet un temps de pose allant de 10μs jusqu'à 10s. Elle possède également deux niveaux de gains séparés de 14dB. L'ensemble donne une dynamique totale supérieure à 109.
L'invention prévoit ensuite le traitement des images obtenues, par un programme informatique afin de pouvoir déterminer la position, la taille et l'intensité du faisceau. En dehors des éjections de particules, une centaine d'images sont enregistrées. Elles fourniront une base au calcul d'une image dite image de piédestal. Cette image de piédestal sera ensuite soustraite cellule par cellule de l'image du faisceau. Le contenu numérique de la matrice après soustraction du piédestal est ensuite corrigé par un facteur de calibrage. Ce facteur de calibrage est obtenu hors faisceau et correspond essentiellement à l'acceptance géométrique de la fibre optique scintillante à travers l'objectif de la caméra. Il est obtenu en mesurant le signal déposé dans chaque fibre optique scintillante par une source de Sr90 pour une durée d'exposition fixe. Le résultat obtenu sera le contenu de deux vecteurs de dimension du nombre de fibres optiques scintillantes par plan X et Y. Les profils de faisceau pourront être représentés sous forme de cascade, et décriront la position et la forme du faisceau par plan de mesure en fonction du temps. L'équipement d'analyse peut établir la position du faisceau de particules avec une précision pouvant aller jusqu'à deux dizaines de microns, la taille du faisceau de 1 mm jusqu'à 30 mm, et son intensité de 103 jusqu'à 1012 particules par secondes.
La flexibilité est obtenue par l'arrangement mécanique des fibres optiques scintillantes et par la dynamique variable de la caméra numérique CCD.
Dans un autre mode de réalisation le détecteur de l'équipement comprend deux plans de 128 fibres optiques scintillantes, de section carrée (0.5x0.5mm2) placées côte à côte. La surface de détection est alors de 64x64 mm2. Les fibres optiques scintillantes sont ensuite groupées par deux (1 xO.5mm2) dont l'image sera formée sur le CCD de la caméra (3). L'image d'une fibre optique scintillante couvrirait alors 8x4 cellules. L'image totale recouvrira 1344x512 pixels. Chacun des deux groupes de 64 fibres optiques scintillantes fournira l'image du faisceau respectivement dans le plan horizontal et vertical. Ce mode de réalisation peut être utilisé pour équiper un dispositif tel que des accélérateurs pour l'hadronthérapie.
L'image digitisée provenant du capteur CCD est lue par un ordinateur de la même façon qu'avec un appareil photographique ou caméra grand public et permet le traitement et le stockage des images. Le traitement de l'image donnera les caractéristiques du faisceau mesuré, c'est-à-dire sa position moyenne, sa taille et son intensité. Ces caractéristiques pourront être comparées à un registre afin de décider de l'arrêt du faisceau ou du réglage à effectuer pour les prochains passages du faisceau. Par conséquent la présente invention peut être utilisée dans le cadre de l'hadronthérapie, pour la précision, la flexibilité et le faible coût que confère ce type d'équipement.
L'invention est décrite dans ce qui précède à titre d'exemple. Il est entendu que l'homme du métier est à même de réaliser différentes variantes de l'invention sans pour autant sortir du cadre du brevet.

Claims

REVENDICATIONS
1 . Equipement d'analyse d'un faisceau de particules comprenant :
- au moins un détecteur comprenant un réseau de fibres optiques (9), le réseau de fibres parallèles comprenant au moins un premier plan de fibres optiques parallèles orientées selon une première direction X ; - le détecteur étant agencé pour produire un signal lumineux lorsque le faisceau de particules traverse le réseau de fibres optiques,
- un capteur d'image couplé avec le détecteur de sorte à délivrer un signal représentatif des caractéristiques du signal lumineux, caractérisé en ce que le capteur d'image comprend un capteur CCD ou CMOS, et dans lequel les extrémités des fibres optiques du réseau de fibres sont agencées pour former une image du signal lumineux dans le plan objet du capteur CCD ou CMOS.
2. Equipement d'analyse selon la revendication 1 dans lequel, le réseau de fibres comprend un premier plan de fibres optiques parallèles orientées selon une première direction X et un deuxième plan de fibres optiques parallèles orientées selon une deuxième direction Y, les extrémités des fibres optiques de chaque plan étant agencées pour former l'image du signal lumineux dans le plan objet du capteur CCD ou CMOS.
3. Equipement d'analyse selon la revendication 1 ou 2 dans lequel les extrémités des fibres optiques du réseau de fibres optiques sont rassemblées en sortie du détecteur pour former l'image du signal lumineux dans le plan objet du capteur CCD ou CMOS.
4. Équipement d'analyse d'un faisceau de particules selon l'une des revendications 2 ou 3, dans lequel le faisceau de fibres optiques du premier plan est sensiblement coplanaire avec le faisceau de fibres optiques du deuxième plan, l'extrémité desdits deux faisceaux de fibres formant deux images contiguës.
5. Équipement d'analyse d'un faisceau de particules selon l'une des revendications 2 à 4, dans lequel les extrémités des faisceaux de fibres optiques du premier et deuxième plan sont réunies dans le même plan image objet.
6. Équipement d'analyse d'un faisceau de particules selon l'une quelconque des revendications précédentes, comprenant en outre une bride ultravide, et dans lequel le plan image objet est formé derrière le hublot de la bride ultravide (7).
7. Équipement d'analyse d'un faisceau de particules selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que ledit capteur CCD ou CMOS est directement monté dans le plan image objet.
8. Équipement d'analyse d'un faisceau de particules selon la revendication 1 ou 2, comprenant une caméra numérique CCD, et dans lequel ledit capteur CCD est intégré dans la caméra numérique CCD (3).
9. Équipement d'analyse d'un faisceau de particules selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le détecteur comporte deux étages reliés par une bride ultravide (7).
10. Équipement d'analyse d'un faisceau de particules selon l'une quelconque des revendications 6 ou 9, caractérisé en ce que la bride ultravide (7) est équipée d'un hublot pour le passage de la lumière émise par les fibres optiques.
1 1 . Équipement d'analyse d'un faisceau de particules selon la revendication 9, caractérisé en ce que le premier étage (2) comprend deux armatures (4), (5) identiques dans lesquelles viennent se placer les fibres optiques (9).
12. Équipement d'analyse d'un faisceau de particules selon la revendication précédente, caractérisé en ce que chacune des armatures (4), (5) du premier étage (2) correspond respectivement aux coordonnées horizontales et verticales du faisceau de particules en fixant à 90° l'angle entre les deux plans de fibres.
13. Équipement d'analyse d'un faisceau de particules selon l'une quelconque des revendications 9 ou 1 1 , caractérisé en ce que le premier étage (2) est situé dans un tube à vide du faisceau.
14. Équipement d'analyse d'un faisceau de particules selon la revendication 9, caractérisé en ce que le deuxième étage (1 ) comprend un système optique associé à une caméra numérique CCD (3).
15. Équipement d'analyse d'un faisceau de particules selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les fibres optiques (9) sont aluminisées sur toute leur longueur.
16. Équipement d'analyse d'un faisceau de particules selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les fibres optiques (9) sont fabriquées en polystyrène.
17. Équipement d'analyse d'un faisceau de particules selon l'une quelconque des revendications 9 ou 14, caractérisé en ce que le deuxième étage (1 ) bénéficie d'un blindage électromagnétique.
18. Équipement d'analyse d'un faisceau de particules selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que ledit capteur CCD est formé par des barrettes CCD avec une électronique numérique associée.
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