WO2009071858A2 - Detecteur de radiations ionisantes avec un materiau scintillateur - Google Patents

Detecteur de radiations ionisantes avec un materiau scintillateur Download PDF

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WO2009071858A2
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Jérémy FLAMANC
Guillaume Gautier
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Saint-Gobain Cristaux Et Detecteurs
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    • G01T1/00—Measuring X-radiation, gamma radiation, corpuscular radiation, or cosmic radiation
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    • G01T1/202—Measuring radiation intensity with scintillation detectors the detector being a crystal

Definitions

  • the invention relates to the field of the detection of ionizing radiation including X or gamma radiation, using a scintillator crystal.
  • Ionizing radiation (including ionizing particles such as protons, neutrons, electrons, alpha particles, and X or gamma radiation) is usually detected using scintillator monocrystals that convert incident radiation into light, which is then transformed into an electrical signal using a photomultiplier.
  • the scintillators used may in particular be monocrystal doped with NaI, CsI, Lanthanum halide.
  • the lanthanum halide based crystals have been the subject of recent work such as those published under US7067815, US7067816, US2005 / 188914, US2006 / 104880, US2007 / 241284. These crystals are promising in terms of light intensity and resolution but require special precautions because of their hygroscopic nature.
  • the photomultiplier usually used to transform the scintillator light into an electrical signal occupies a fairly large volume, of the order of 180 cm 3 , and it is desirable to be able to reduce this volume.
  • photomultipliers operate under high voltage and are sensitive to external magnetic fields, such as that of the Earth for example.
  • Photodiodes are capable of detecting light, but they generally produce noise that degrades the resolution and threshold of the minimum detectable energy (typically 60 keV). The performance and resolution obtained by cooling the photodiode can be improved.
  • the energy resolution of an ionizing radiation detector indeed determines its ability to separate very close radiation energies. It is usually determined for a given detector at a given energy, such as the width at mid-height of the peak considered on an energy spectrum obtained from this detector, relative to the energy at the centroid of the peak (see in particular: G. F Knoll, "Radiation Detection and Measurement,” John Wiley and Sons, Inc., 2nd Edition, p 114). The resolution in percentage is the half-height width of the photoelectric peak divided by the energy of this peak and multiplied by 100. In the following text, and for all the measurements carried out, the resolution is determined to 662 keV, Cs137 main gamma emission energy.
  • the article by R. Scafè et al, Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A 571 (2007) 355-357 teaches the detection of light emitted by a LaBr 3 : Ce crystal by an avalanche photodiode.
  • the crystal had a diameter of 12 mm and the photodiode a surface of 5 mm x 5 mm.
  • the crystal was provided by Saint-Gobain and was encapsulated in an aluminum housing with a 5 mm thick glass window.
  • the photodiode was outside this case and received the light emitted by the crystal through the glass window.
  • the preamplifier was a fortiori also outside the box.
  • the gamma radiation was received through an aluminum window 0.5 mm thick.
  • the observed resolution was 7.3% for incident photons of 662 keV energy.
  • EP1435666 teaches a detector incorporating in a housing a scintillator whose light is focused on an avalanche photodiode by means of a lens. It has been found that the distance of the photodiode from the scintillator associated with the multitude of materials (glass lens, air around the lens) between scintillator and photodiode actually leads to poor results in terms of resolution.
  • US2005 / 0127300 teaches a polycrystalline ceramic scintillator (necessarily non-transparent) which surrounds a photodiode. Loss of light is inevitable in the scintillator placed under the photodiode. This loss of light necessarily causes poor resolution. Such an assembly is mainly used to detect the presence of radiation without being able to identify it, because the recording of a spectrum of a source is impossible.
  • the detector according to the invention notably allows the detection of X-rays or Gamma with excellent resolutions and with a very low detection threshold.
  • This detection threshold may in particular be less than 15 keV and even less than 12 keV, or even less than 11 keV, measured with an americium source 241.
  • the detection threshold is evaluated by the abscissa of the valley between the noise low energy (left of the valley) and the source signal (usually americium 241).
  • a detector that has a good detection threshold with one source will have a good detection threshold with another source.
  • the detection system is based on the compactness of its various components, all arranged in a waterproof case, with the minimum of material and distance between its different elements.
  • the detection threshold is around 40 keV in an unencapsulated and unshielded system. It decreases to 20 keV thanks to encapsulation. These measurements can be found in Table 1, lines 2 and 10. It is therefore important to understand the quality of encapsulation and shielding. According to the invention, in an optimized system, the detection threshold may even be less than 10 keV (line 14 of Table 1).
  • the housing according to the invention is of small size, its external volume being less than 1000 cm 3 and even less than 500 cm 3 and even less than 300 cm 3 , and even less than 100 cm 3 and even less than 60 cm 3 .
  • the inventors have even made a case whose volume was as small as 50.4 cm 3 and which included a parallelepipedic scintillator of dimensions 9x9x20 mm 3 .
  • a smaller crystal would further reduce the volume of the housing but said crystal would stop less radiation and the sensitivity of the detector would be less.
  • the scintillator material may have a volume of between 1 and 50000 mm 3 .
  • the scintillator has a volume greater than 1000 mm 3 and even greater than 1300 mm 3 . Its volume is generally less than 10000 mm 3 and even less than 5000 mm 3 .
  • the housing according to the invention can even be smaller than a single photomultiplier.
  • the size of the scintillator in the direction of the incident radiation is chosen to absorb the maximum of radiation.
  • the previously mentioned scintillator has a thickness of 20 mm, which makes it possible to absorb 100% of the photons of a 122keV energy emitted by a source of Co 57 , and about 53% of the 662keV energy photons emitted by a source of Cs 137 .
  • the detector according to the invention is light.
  • the previously mentioned detector which contained the 9x9x20 mm 3 scintillator as well as the electronics with the electrical connectors has a mass of about 60 grams.
  • the detector according to the invention can weigh less than 100 grams.
  • the detector can be portable (it fits in the hand, in a pocket, etc.), resistant to shock and vibration, weatherproof, resistant to extreme temperatures (-20 to +50 0 C).
  • the casing is a container, preferably comprising a metal and it must let the radiation to be detected up to the scintillator material. It must also be opaque to visible light and preferably provide shielding to electromagnetic waves of any kind (mobile phone, radio waves, television waves, etc.) that may interfere with electronic circuits.
  • the housing can therefore be at least partially, or totally, of a metal allowing the radiation to be detected to pass, such as aluminum (it is agreed that the term "aluminum" also covers the aluminum alloys compatible with the application, it is ie permeable to targeted radiation and in particular X or gamma radiation).
  • a face of the housing can more particularly be used as a window for receiving radiation.
  • the window-side of the housing may be a little thinner than the other walls of the housing.
  • the housing can also be made of a synthetic material (polymer such as PE, PP, PS) and be coated with a thin layer or sheet of metal such as aluminum.
  • the housing can be a parallelepiped made entirely of aluminum (or aluminum alloy) and include a thinner face than the others.
  • this face may be 0.5 mm thick aluminum
  • the other walls may for example be 1 mm thick aluminum .
  • an aluminum window should be much thinner (of the "foil" type of aluminum).
  • the scintillator material is generally embedded in a light reflector.
  • This reflector preferably covers all sides of the scintillator material, except the area through which the light emitted by the scintillator must pass to reach the photodiode.
  • the light reflector may be made of PTFE (polytetrafluoroethylene). It can therefore be a PTFE strip with which the scintillator material is surrounded.
  • the outer faces of the scintillator material are preferably scraped (or frosted) by an abrasive material such as abrasive paper (in particular of grain 400). The roughness thus given to the surface reinforces the flow of light received by the photodetector.
  • the housing includes an avalanche photodiode.
  • This photodiode is in contact with the scintillator material via an optical coupler material.
  • It may be a grease of the silicone type (polysiloxane) or any other non-adhesive transparent material, but preferably, this optical coupler is an epoxy type glue.
  • the epoxy glue is hardened, the photodiode and the crystal are solid.
  • the optical coupler has a refractive index between that of the scintillator material and that of the avalanche photodiode.
  • the optical coupler is solid (in the case of epoxy glue), it is preferably chosen so that its coefficient of thermal expansion is between that of the avalanche photodiode and that of the scintillator material.
  • the avalanche photodiode is generally a flat component having two main faces. It is one of these main faces which is in contact with a plane face of the scintillator material via the optical coupler.
  • the face of the scintillator material in contact with the photodiode is inscribed in the face of the photodiode with which it is in contact (contact face of the photodiode).
  • the light-sensitive surface of the photodiode or "photosensitive" face
  • the photodiode generally comprises a light-sensitive zone surrounded by a dead zone (insensitive to light) corresponding to the encapsulation material of the photodiode. It is therefore considered that the expression "contact face of the photodiode” or "area of the contact face of the photodiode” designates the sensitive surface of the photodiode.
  • the scintillator material is placed entirely vis-à-vis the sensitive face of the photodiode. This means that the scintillator material does not surround the photodiode but is entirely contained in the half-space limited by the plane passing through the sensitive face of the photodiode and opposite (or vis-à-vis) said sensitive face. Said half space containing the scintillator material therefore does not contain the photodiode.
  • the contact face of the scintillator material and the contact face of the photodiode have the same shape (for example every two squares), the contact face of the scintillator material being preferably a little smaller (homothetically) than the contact face of the photodiode.
  • any point on the edge of the contact face of the scintillator material is inside the (sensitive) contact face of the photodiode and at a distance from the edge of the contact face of the photodiode between 0.1 and 3 mm and preferably between 0.2 and 0.7 mm.
  • the area of the contact face of the scintillator material is less than 1.5 times and even 1, 2 times and even 1 time the area of the contact face of the avalanche photodiode.
  • the area of the contact face of the material scintillator is less than 1.5 times the area of the contact surface of the photodiode means that if the area of the contact face of the photodiode is S, then the area of the contact face of the scintillator material is less than The area of the contact face of the scintillator material may therefore be greater than the area of the contact face of the photodiode.
  • the area of the contact surface of the scintillator material ranges from 0.8 to 1 times the area of the contact face of the avalanche photodiode.
  • a sensitive surface photodiode of 0.2 cm 2 is compared with a photodiode of 1 cm 2 in lines 2 and 12 of Table 1. It is seen that for the crystal 10x10x10 mm 3 provided with a glass in glass, the performance is very different: we go from more than 8.5% resolution with the smallest photodiode to almost 3.0% with the largest.
  • This set therefore comprises a dead zone (insensitive to light) around the matrix but also generally between the individual photodiodes.
  • the characteristics given above on the relationship between the contact areas between the avalanche photodiode and the scintillator material remain valid and it is the cumulative surface area of the light-sensitive contact areas of the associated avalanche photodiodes that is taken into account. consideration.
  • the contact face of the scintillator material may have a larger area than the cumulative contact area (light sensitive) of the avalanche photodiodes due to the existence of dead zones between the individual photodiodes of the matrix.
  • a photodetector consisting of a matrix of avalanche photodiodes in Geiger mode, mention may be made of silicon PM.
  • the housing according to the invention may have an axis passing through the barycenter of the scintillator material and the centroid of the radiation input window.
  • the photodiode, the shielding, the preamplifier When one traverses this axis starting from the entrance window, one meets successively the light reflector, the scintillator material, the optical coupler, the photodiode, the shielding, the preamplifier.
  • the photodiode, the shield (when it is a plate), and the printed circuit of the preamplifier can in particular be perpendicular to this axis.
  • the input window can also be lateral, that is to say parallel to an axis of the housing. If the case is a parallelepiped, 5 of its faces (the 4 lateral + the front face) can be the entrance window.
  • the compactness of the detector according to the invention is characterized in particular by the absence of a light guide between the crystal and the avalanche photodiode (except for the thin layer of optical coupler, in particular of the epoxy glue type, which may have a thickness of less than 0, 6 mm, as well as the possible protective layer on the surface of the avalanche photodiode), a short distance between the preamplifier and the scintillator material, so that the two closest points, one of the preamplifier and the other scintillator material, may be generally less than 2 cm apart.
  • the photodiodes when they must operate in an environment at ambient temperature, the photodiodes are often cooled below 0 ° C.
  • the performance of the detector according to the invention is such that a temperature stabilization system (cooling or warming) is not necessary. Cooling systems such as for example a Peltier module, a dissipator, a fan, or the circulation of a heat transfer fluid increases the space requirement, the mass or the power consumption.
  • a thermal insulation system, or active temperature stabilization is a possible option because the gain of an avalanche photodiode varies. with the temperature.
  • a possible design of the detector equipped with a temperature stabilization system is as follows:
  • the (first) thermal conductive box containing as before the scintillator material, the avalanche photodiode and the preamplifier,
  • Peltier module (operating on the principle of a thermo-electric effect) in thermal contact with one of its faces with the first housing, its other face being in thermal contact with the outer envelope - a heat sink fixed on the outer envelope,
  • the cold side of the Peltier module is in thermal contact with the internal casing while the hot face of the module Peltier is in thermal contact with the outer shell.
  • the hot face of the Peltier module is in thermal contact with the inner casing while the cold side of the Peltier module is in thermal contact with the casing. outer envelope.
  • thermo contact used at the location of the Peltier module means that it directly touches the housing (or envelope) with which it is in thermal contact or that an intermediate part (generally metallic) leading well to the heat is placed between said Peltier module and said casing (or said casing).
  • a temperature probe such as a PT1000 thermistor (marketed by Correge) makes it possible to control the effectiveness of the stabilization provided, and allows a servo-control of the system in order to regulate the internal temperature of the housing (first housing), when the external ambient temperature (external to the outer envelope) varies.
  • a temperature probe such as a PT1000 thermistor (marketed by Correge) makes it possible to control the effectiveness of the stabilization provided, and allows a servo-control of the system in order to regulate the internal temperature of the housing (first housing), when the external ambient temperature (external to the outer envelope) varies.
  • the Peltier module was branded Supercool PE-127-08-15. The dimensioning of the outer shell, especially in terms of the insulation thickness, depends on the external temperature to be compensated.
  • the invention also relates to a detector provided with a temperature stabilization system.
  • the housing can be placed in an envelope, a Peltier module being placed between said housing and said envelope.
  • the invention also relates to a method for detecting ionizing radiation such as X or gamma radiation by the detector according to the invention.
  • FIG. 1 represents a compact detector according to the invention. It has an axis AA '.
  • the reference numbers have the following meanings:
  • FIG. 2 illustrates the linearity, that is to say the proportionality between the energy of the incident X or gamma photons and the response of the detection system of the compact detector according to an example of the invention.
  • FIG. 3 represents the spectrum of an Am241 source measured with the aid of a compact detection system according to the invention.
  • the detection threshold is indicated by the letter S. It is excellent since about 10 keV.
  • FIG. 4 represents the spectrum of a source of Cs137 (incident photon energy of 662keV) measured by a compact system according to the invention.
  • FIG. 5 represents a detector according to the invention provided with a system for stabilizing the temperature.
  • An outer casing 20 made of aluminum contains the casing 21 also made of aluminum, said casing containing the scintillator material and the preamplifier as in FIG. 1.
  • a Peltier module 22 is in thermal contact with the casing 21 on the side of its cold side and in contact thermal with the outer casing 20 on the side of its hot face. The thermal contact with the outer shell is via a copper plate 23 which conducts heat well.
  • a heat sink (radiator) 24 is attached to the outside of the casing and a fan 25 assists in the removal of heat.
  • the duct 26 contains the electrical supply son of the fan 25.
  • the electrical wires are not shown inside the envelope for the sake of clarity.
  • the apparatus is electrically connected to the outside via the connectors 27.
  • the largest dimension of the outer envelope here was 72 mm.
  • Thermal insulation is placed between the outer shell and the housing containing the photodiode and the scintillator material.
  • a thermistor (28) is placed inside the inner housing to control the temperature. Unrepresented wires from this thermistor are connected to a connector 27.
  • LaBr 3 doped with 5 mol% CeBr 3 denoted LaBr
  • the energy of the incident rays was 662 keV. Gamma radiation was not collimated.
  • the ambient temperature was 23 ° C ⁇ 2 ° C.
  • the avalanche photodiode (denoted APD in Table 1) was of the Hamamatsu S8664-1010 type.
  • the PIN photodiode was Hamamatsu S3590-08.
  • the preamplifier was Hamamatsu type H4083.
  • the results are summarized in Table 1.
  • the result of the last line illustrates the excellence of a compact system that is to say having a housing incorporating at a small distance from each other the detector material, the avalanche photodiode and a preamplifier.
  • FIG. 2 illustrates the good linearity of the system, that is to say the proportionality between the energy of the incident X or gamma photons (on the abscissa) and the response of the detection system (photoelectric peak channel, on the ordinate). It is evaluated by measuring the photoelectric peak channel for incident gamma rays at 1332 keV (Co60), 1173 keV (Co60), 662 keV (Cs137), 122 keV (Co57) and 60 keV (Am241). There is no lack of non-linearity.
  • FIG. 3 represents the spectrum of an Am241 source measured with the aid of the compact detection system according to the invention.
  • the detection threshold is 10 keV which is extremely efficient. This is the abscissa value of the minimum on the left of the curve between the noise to the left of this minimum and the signal of the source.
  • Incident photons have an energy of 60keV.
  • the crystal has a dimension of 9x9x20 mm.
  • Figure 4 shows the spectrum of a source of Cs137 (incident photon energy of 662keV). The resolution (mid-height peak width divided by energy) is 2.8%.

Abstract

L'invention concerne un détecteur de radiations ionisantes comprenant un boîtier contenant une photodiode à avalanche en contact par sa face photosensible avec le matériau scintillateur par l'intermédiaire d'un coupleur optique, un préamplificateur du signal électrique de la photodiode à avalanche. Ce détecteur est compact, portatif et très robuste. Il détecte les rayonnements X ou gamma avec une excellente résolution pouvant être inférieure à 3% sous 662keV.

Description

DETECTEUR DE RADIATIONS IONISANTES
L'invention concerne le domaine de la détection des radiations ionisantes notamment les rayonnements X ou gamma, à l'aide d'un cristal scintillateur.
Les radiations ionisantes (ce qui inclut les particules ionisantes comme notamment les protons, neutrons, électrons, particules alpha, et les rayonnements X ou gamma) sont habituellement détectées à l'aide de monocristaux scintillateurs qui convertissent les radiations incidentes en lumière, laquelle est alors transformée en un signal électrique à l'aide d'un photomultiplicateur. Dans le cas des rayons X ou gamma, les scintillateurs utilisés peuvent notamment être en monocristal dopé de NaI, CsI, halogénure de Lanthane. Les cristaux à base d'halogénure de lanthane ont fait l'objet de travaux récents tels que ceux publiés sous US7067815, US7067816, US2005/188914, US2006/104880, US2007/241284. Ces cristaux sont prometteurs en termes d'intensité lumineuse et de résolution mais nécessitent des précautions particulières du fait de leur caractère hygroscopique.
Ces systèmes de détection trouvent entre autres une utilisation dans le domaine des scanners d'imagerie médicale, les portiques d'aéroport, la prospection pétrolière. La transformation de la lumière émise par le cristal en signal électrique est généralement réalisée par un photomultiplicateur. Les photomultiplicateurs sont relativement contraignants en raison de leur alimentation sous haute tension et sont encombrants et fragiles du fait de l'ampoule de verre qu'ils contiennent. II existe en particulier un besoin en système de détection de rayons X ou gamma qui soit portable et mobile. En effet, on souhaite que des personnes, notamment affectées à la sécurité, puissent aisément détecter ce genre de radiation de par leur simple présence. Ce besoin existe notamment dans les activités de sécurité et sûreté vis-à-vis des rayonnements ionisants. Il s'agit par exemple de détecter et d'identifier les sources illicites radioactives. Ces systèmes doivent détecter les rayons X ou gamma et, de préférence être capable d'identifier la nature du radioisotope. II est donc utile de développer des systèmes compacts de détection des radiations ionisantes et plus particulièrement des rayons X ou gamma. On développe ci-après plus particulièrement un système de détection de rayonnements X ou gamma, étant entendu que le principe de ce système peut être adapté à la détection d'autres radiations ionisantes dès lors que le scintillateur et la fenêtre d'entrée est adaptée aux dites radiations visées. Un tel détecteur compact doit être le plus petit possible tout en conservant de bonnes propriétés de détection, notamment en ce qui concerne la résolution du signal et la linéarité en énergie (c'est-à-dire la proportionnalité entre l'énergie des photons X ou gamma et la réponse du détecteur). Notamment, le photomultiplicateur habituellement utilisé pour transformer la lumière du scintillateur en signal électrique occupe un volume assez important, de l'ordre de 180 cm3, et il est souhaitable de pouvoir réduire ce volume. De plus, les photomultiplicateurs fonctionnent sous haute tension et sont sensibles aux champs magnétiques extérieurs, comme celui de la Terre par exemple. Les photodiodes sont capables de détecter la lumière, mais elles produisent généralement du bruit détériorant la résolution et le seuil de l'énergie minimale détectable (60 keV typiquement). On peut améliorer les performances et la résolution obtenue en refroidissant la photodiode. Il existe plusieurs types de photodiodes : PN, PIN, photodiode à avalanche (en mode linéaire ou en mode Geiger), Silicon Drift Detectors, etc.
La résolution en énergie d'un détecteur de rayonnement ionisant détermine en effet sa capacité à séparer des énergies de rayonnement très voisines. Elle est usuellement déterminée pour un détecteur donné à une énergie donnée, comme la largeur à mi hauteur du pic considéré sur un spectre en énergie obtenu à partir de ce détecteur, rapportée à l'énergie à la centroide du pic (voir notamment : G. F Knoll, "Radiation Détection and Measurement", John Wiley and Sons, Inc, 2nd édition, p 114). La résolution en pourcentage est la largeur à mi-hauteur du pic photo-électrique divisée par l'énergie de ce pic et multipliée par 100. Dans la suite du texte, et pour toutes les mesures effectuées, la résolution est déterminée à 662 keV, énergie de l'émission gamma principale du Cs137.
L'article de R. Scafè et al, Nuclear Instruments and methods in Physics Research A 571 (2007) 355-357 enseigne la détection de la lumière émise par un cristal LaBr3:Ce par une photodiode à avalanche. Le cristal présentait un diamètre de 12 mm et la photodiode une surface de 5 mm x 5 mm. Le cristal était fourni par Saint-Gobain et était encapsulé dans un boîtier en aluminium avec une fenêtre en verre de 5 mm d'épaisseur. La photodiode était en dehors de ce boîtier et recevait la lumière émise par le cristal au travers de la fenêtre en verre. Le préamplificateur était a fortiori aussi en dehors du boitier. Le rayonnement gamma était reçu au travers d'une fenêtre en aluminium de 0,5 mm d'épaisseur. La résolution observée était de 7,3% pour des photons incidents d'énergie 662 keV.
L'article de K. S. Shah et al, IEEE Transactions on Nuclear Science, vol 51 , N° 5, October 2004, compare la détection de la lumière émise par un cristal LaBr3 dopé à 0,5% Ce d'une part par une photodiode à avalanche et d'autre part par un photomultiplicateur. La photodiode à avalanche était refroidie à 250 K (soit -23°C). Cet article conclut qu'à température ambiante, la détection par photomultiplicateur serait choisie pour obtenir la plus haute résolution.
L'article de C. P. Allier et al, Nuclear Instruments and methods in Physics Research A 485 (2002) 547-550 relate la détection de la lumière émise par un cristal LaCI3)Ce par une photodiode à avalanche fonctionnant sous une tension de 1500 - 1700 Volts. La photodiode était couplée au cristal par le biais d'une graisse silicone de basse viscosité. Compte tenu du caractère hygroscopique du cristal utilisé et s'agissant d'un système expérimental en milieu universitaire, le montage était nécessairement réalisé entièrement en boîte à gant sous atmosphère inerte, ladite boîte à gant contenant la source radioactive, le cristal et la photodiode. La résolution rapportée était de 3,65 % sous 662 keV.
L'article de C. P. Allier et al, 2000 IEEE Nuclear Science Symposium Conférence Record & Médical Imaging Conférence (2000 : Lyon, France) enseigne la détection de la lumière émise par un cristal LaCI3:Ce par une photodiode à avalanche fonctionnant sous une tension de 1500 - 1700 Volts. La photodiode était couplée au cristal par le biais d'une huile. Compte tenu du caractère hygroscopique du cristal utilisé et s'agissant d'un système expérimental en milieu universitaire, le montage était nécessairement réalisé entièrement en boîte à gant sous atmosphère inerte, ladite boîte à gant contenant la source radioactive, le cristal et la photodiode. La résolution rapportée était de 3,65 % sous 662 keV. Compte tenu du petit volume du cristal (63mm3), l'obtention d'un spectre de la source de rayonnement requiert une longue durée d'acquisition, ou une source à forte activité. Un sténopé (petit trou) permettait de s'affranchir de la non-uniformité de la sensibilité de la photodiode. Le EP1435666 enseigne un détecteur intégrant dans un boîtier un scintillateur dont la lumière est focalisée sur une photodiode à avalanche par l'intermédiaire d'une lentille. On a constaté que l'éloignement de la photodiode par rapport au scintillateur associé à la multitude des matériaux (lentille en verre, air autour de la lentille) entre scintillateur et photodiode conduit en fait à des résultats médiocres en termes de résolution.
Le US2005/0127300 enseigne un scintillateur en céramique polycristalline (nécessairement non-transparent) qui entoure une photodiode. Des pertes de lumière sont inévitables au niveau du scintillateur placé sous la photodiode. Cette perte de lumière provoque nécessairement une mauvaise résolution. Un tel montage sert surtout à détecter la présence d'un rayonnement sans pouvoir l'identifier, car l'enregistrement d'un spectre d'une source est impossible.
On a maintenant trouvé la possibilité de réaliser un système de détection à température ambiante (sans nécessairement de système de stabilisation de température ou système de refroidissement) comprenant une photodiode à avalanche et menant à une excellente résolution, pouvant être inférieure à 3,5%, voire même inférieure à 3%, voire même inférieure à 2,9% à 662 keV. Il faut bien comprendre que plus on améliore la résolution d'un système de détection, plus il est difficile de l'améliorer encore. Ainsi, avec un cristal à base de bromure de lanthane, le passage par exemple d'une résolution de 3,0 à 2,9% est un progrès très significatif.
Le détecteur selon l'invention permet notamment la détection des rayons X ou Gamma avec d'excellentes résolutions et avec un très bas seuil de détection. Ce seuil de détection peut notamment être inférieur à 15 keV et même inférieur à 12 keV, voire même inférieur à 11 keV, mesuré avec une source d'américium 241. On évalue le seuil de détection par l'abscisse de la vallée entre le bruit à basse énergie (à gauche de la vallée) et le signal de la source (en général d'américium 241 ). Un détecteur qui a un bon seuil de détection avec une source aura un bon seuil de détection avec une autre source. Le système de détection repose sur la compacité de ses différents composants, tous disposés dans un boitier étanche, avec le minimum de matériau et de distance entre ses différents éléments. On a en effet constaté que l'application rigoureuse de ce principe conduisait à des résultats remarquables et surprenants en termes de résolution et de seuil de détection. Ainsi l'invention concerne un boîtier étanche pour la détection des radiations ionisantes et notamment pour la détection de rayons X ou gamma, comprenant un matériau scintillateur (notamment un cristal du type halogénure de terre rare quand on vise les rayons X ou gamma), une photodiode à avalanche couplée au matériau scintillateur par un coupleur optique, un préamplificateur du signal électrique de ladite photodiode. Il semble que la compacité de ce système, en réduisant la distance entre ses différents composants, soit un des éléments permettant de réduire au minimum le bruit venant habituellement détériorer la résolution et le seuil de détection. Réduire la distance permet de réduire le bruit. L'encapsulation des composants dans le boitier métallique et l'ajout d'une plaque métallique entre la photodiode et le préamplificateur permettent aussi de diminuer le bruit en assurant un blindage électromagnétique. Avec un cristal en LaB^Ce (bromure de Lanthane dopé au Cérium) pourvu d'un guide lumière, le seuil de détection est autour de 40 keV dans un système non encapsulé et sans blindage. Il diminue à 20 keV grâce à l'encapsulation. On peut retrouver ces mesures dans le tableau 1 , aux lignes 2 et 10. On comprend donc l'importance de la qualité de l'encapsulation et du blindage. Selon l'invention, dans un système optimisé, le seuil de détection peut même être de moins de 10 keV (ligne 14 du tableau 1).
Le boîtier selon l'invention est de petite taille, son volume externe pouvant être inférieur à 1000 cm3 et même inférieur à 500 cm3 et même inférieur à 300 cm3, et même inférieur à 100 cm3 et même inférieur à 60 cm3. Les inventeurs ont même déjà réalisé un boitier dont le volume était aussi petit que 50,4 cm3 et qui incluait un scintillateur parallélépipédique de dimensions 9x9x20 mm3. Un cristal plus petit permettrait de réduire encore plus le volume du boîtier mais ledit cristal arrêterait moins les radiations et la sensibilité du détecteur serait moindre.
Le matériau scintillateur peut avoir un volume compris entre 1 et 50000 mm3. Lorsque les rayonnements à détecter sont de faible énergie, de faibles volumes de scintillateur peuvent suffire. Pour de plus hautes énergies, de plus forts volumes sont préférables. De préférence, notamment pour la détection des rayons X ou gamma, le scintillateur est de volume supérieur à 1000 mm3 et même de volume supérieur à 1300 mm3. Son volume est généralement inférieur à 10000 mm3 et même inférieur à 5000 mm3. Ainsi, le boîtier selon l'invention peut même être de taille inférieure à un simple photomultiplicateur. La dimension du scintillateur qui se trouve dans la direction des rayonnements incidents est choisie pour absorber le maximum de rayonnements. Par exemple, le scintillateur précédemment évoqué présente une épaisseur de 20 mm, ce qui permet d'absorber 100% des photons d'une énergie de 122keV émis par une source de Co57, et environ 53% des photons d'énergie 662keV émis par une source de Cs137. Plus la proportion de rayonnement absorbée est grande, moins la source ne devra être active pour être identifiée, et plus courte sera l'acquisition du spectre,
Le détecteur selon l'invention est léger. Le détecteur précédemment évoqué et qui contenait le scintillateur 9x9x20 mm3 ainsi que de l'électronique avec les connecteurs électriques, a une masse d'environ 60 grammes. Ainsi, le détecteur selon l'invention peut peser moins de 100 grammes. Enfin, le détecteur peut être portatif (il tient dans la main, dans une poche, etc.), résistant aux chocs et aux vibrations, résistant aux intempéries, résistant aux températures extrêmes (-20 à +500C).
Le boîtier est un contenant, de préférence comprenant un métal et il doit laisser passer les radiations à détecter jusqu'au matériau scintillateur. Il doit aussi être opaque à la lumière visible et procurer de préférence un blindage aux ondes électromagnétiques de toute nature (téléphone portable, ondes radio, ondes de télévision, etc.) pouvant interférer avec les circuits électroniques. Le boîtier peut donc être au moins partiellement, ou totalement, en un métal laissant passer les radiations à détecter, comme en aluminium (on convient que le terme « aluminium » recouvre également les alliages d'aluminium compatibles avec l'application, c'est-à-dire perméables aux radiations visées et notamment les rayonnements X ou gamma). Notamment, une face du boîtier peut plus particulièrement faire office de fenêtre pour recevoir les radiations. Ainsi, la face faisant fenêtre du boîtier peut être un peu plus fine que les autres parois du boitier. Le boîtier peut également être en une matière synthétique (polymère comme par exemple en PE, PP, PS) et être revêtu d'une fine couche ou feuille de métal comme l'aluminium. Par exemple, le boîtier peut être un parallélépipède entièrement en aluminium (ou alliage d'aluminium) et comprendre une face plus fine que les autres. Pour le cas de la détection des rayonnements X ou gamma, à titre d'exemple, cette face peut être de 0,5 mm d'épaisseur d'aluminium, les autres parois pouvant par exemple être de 1 mm d'épaisseur d'aluminium. Pour la détection de particules ionisantes, une fenêtre en aluminium devrait être beaucoup plus fine (du type « feuille » d'aluminium). Pour le cas de la détection des rayonnements X ou gamma, le boîtier contient le matériau scintillateur comprenant un halogénure de terre rare. Il est généralement du type monocristal et comprend un halogénure de terre rare essentiellement du type chlorure, bromure, iodure, ou fluorure, généralement de formule AnLnpX(3p+n) dans laquelle Ln représente une ou plusieurs terre rare(s), X représente un ou plusieurs atome(s) d'halogène choisi parmi F, Cl, Br ou I, et A représente un ou plusieurs alcalin(s) comme K, Li, Na, Rb ou Cs, n et p représentant des valeurs telles que n, pouvant être nul, est inférieur où égal à 3p, - p est supérieur ou égal à 1.
Les terres rares (sous forme d'halogénures) concernées sont celles de la colonne 3 du tableau périodique des éléments, incluant Sc, Y, La, et les Lanthanides de Ce à Lu. Sont plus particulièrement concernés les halogénures de Y, La, Gd et Lu, notamment dopés au Ce ou Pr (le terme « dopant » se référant ici à une terre rare généralement minoritaire en mole, se substituant à une ou plusieurs terres rares généralement majoritaires en mole, les minoritaires et majoritaires étant compris sous le sigle Ln).
Notamment, sont plus particulièrement concernés les matériaux de formule AnLnp-χLn'χX(3p+n) dans laquelle A, X, n et p ont la signification précédemment donnée, Ln étant choisi parmi Y, La, Gd, Lu ou un mélange de ces éléments, Ln' étant un dopant tel que Ce ou Pr, et x est supérieur ou égal à 0,01 p et inférieur à p, et va plus généralement de 0,01 p à 0,9p. On s'intéresse dans le cadre de l'invention notamment aux matériaux combinant les caractéristiques suivantes :
- A choisi parmi Li, Na et Cs, - Ln choisi parmi Y, La, Gd, Lu ou un mélange de ces terres rares, Ln étant plus particulièrement La,
- Ln' étant Ce,
- X choisi parmi F, Cl, Br, I ou un mélange de plusieurs de ces halogènes, notamment un mélange de Cl et Br, ou un mélange de Br et I. Un matériau scintillateur particulièrement adapté à la détection des rayonnements X ou gamma est un monocristal comprenant LaX3 dopé au cérium (Ce), X représentant Br, Cl ou I, les mélanges d'halogène, notamment chlorure/bromure étant possible. Quand on parle d'halogénure de terre rare dopé au Cérium, l'homme du métier sait immédiatement que le Cérium est sous forme halogénée, c'est-à-dire que l'halogénure de terre rare contient de l'halogénure de Cérium. Notamment, les monocristaux suivants sont particulièrement adaptés :
- LaBr3 dopé par 1% à 30 % en mole de CeBr3 ;
- LaCI3 dopé par 1 % à 30% en mole de CeCI3 ; - yLaBr3+(1-y)CeBr3 avec y > 0
Le matériau scintillateur peut notamment être cylindrique ou parallélépipédique et être de plus grande dimension selon un axe. Cet axe est alors perpendiculaire au plan de la photodiode. Le matériau scintillateur est placé dans le boîtier à proximité immédiate de la paroi du boîtier faisant office de fenêtre. Un tapis d'un matériau absorbeur de choc peut être placé entre le cristal et la paroi du boitier.
Le matériau scintillateur est généralement enrobé dans un réflecteur de lumière. Ce réflecteur recouvre de préférence tous les côtés du matériau scintillateur, sauf la zone par laquelle la lumière émise par le scintillateur doit passer pour atteindre la photodiode. Le réflecteur de lumière peut être en PTFE (polytétrafluoréthylène). Il peut donc s'agir d'une bande de PTFE avec laquelle on entoure le matériau scintillateur. Avant d'être enrobé dans le réflecteur de lumière, les faces externes du matériau scintillateur sont de préférence grattées (ou dépolies) par un matériau abrasif comme un papier abrasif (notamment de grain 400). La rugosité ainsi donnée à la surface renforce le flux de la lumière reçue par le photodétecteur.
Le boîtier comprend une photodiode à avalanche. Cette photodiode est en contact avec le matériau scintillateur par l'intermédiaire d'un matériau coupleur optique. Il peut s'agir d'une graisse du type silicone (polysiloxane) ou de tout autre matériau transparent non adhésif, mais de préférence, ce coupleur optique est une colle du type époxy. Lorsque la colle époxy est durcie, la photodiode et le cristal sont solidaires. Le coupleur optique a un indice de réfraction compris entre celui du matériau scintillateur et celui de la photodiode à avalanche. Lorsque le coupleur optique est solide (cas de la colle époxy), on le choisit de préférence de sorte que son coefficient de dilatation thermique soit compris entre celui de la photodiode à avalanche et celui du matériau scintillateur. Il peut de plus être relativement souple. De la sorte, le coupleur absorbe mieux les différences de dilatation thermique des deux matériaux qu'il relie. Cela réduit les risques d'éclatement du cristal en cas de trop forts échauffements. Le coupleur optique est de préférence d'épaisseur inférieure à 2mm et même d'épaisseur inférieure à 1 mm et de façon encore préférée d'épaisseur inférieure à 0,6 mm. Pour l'homme du métier, l'expression « coupleur optique » exclut le vide et les gaz comme l'air. Un coupleur optique est nécessairement liquide (ce qui inclut « graisseux ») ou solide.
La photodiode à avalanche est généralement un composant plat présentant deux faces principales. C'est une de ces faces principales qui est en contact avec une face plane du matériau scintillateur par l'intermédiaire du coupleur optique. De préférence, la face du matériau scintillateur en contact avec la photodiode (face de contact du matériau scintillateur) est inscrite dans la face de la photodiode avec laquelle elle est en contact (face de contact de la photodiode). On prend ici en considération la surface sensible à la lumière de la photodiode (ou face « photosensible »). En effet la photodiode comprend généralement une zone sensible à la lumière entourée d'une zone morte (insensible à la lumière) correspondant au matériau d'encapsulation de la photodiode. On considère donc que l'expression « face de contact de la photodiode » ou « aire de la face de contact de la photodiode » désigne la surface sensible de la photodiode.
Le matériau scintillateur est placé entièrement vis-à-vis de la face sensible de la photodiode. Ceci signifie que le matériau scintillateur n'entoure pas la photodiode mais est entièrement contenu dans le demi-espace limité par le plan passant par la face sensible de la photodiode et en face (ou vis-à-vis) de ladite face sensible. Ledit demi-espace contenant le matériau scintillateur ne contient donc pas la photodiode.
De préférence, la face de contact du matériau scintillateur et la face de contact de la photodiode ont la même forme (par exemple toutes les deux carrées), la face de contact du matériau scintillateur étant de préférence un peu plus petite (de façon homothétique) que la face de contact de la photodiode. De préférence, tout point du bord de la face de contact du matériau scintillateur est à l'intérieur de la face de contact (sensible) de la photodiode et à une distance du bord de la face de contact de la photodiode comprise entre 0,1 et 3 mm et de préférence entre 0,2 et 0,7 mm.
De préférence, l'aire de la face de contact du matériau scintillateur est inférieure à 1 ,5 fois et même 1 ,2 fois et même 1 fois l'aire de la face de contact de la photodiode à avalanche. Dire que l'aire de la face de contact du matériau scintillateur est inférieure à 1 ,5 fois l'aire de la face de contact de la photodiode signifie que si l'aire de la face de contact de la photodiode est S, alors l'aire de la face de contact du matériau scintillateur est inférieure à 1 ,5 multiplié par S. L'aire de la face de contact du matériau scintillateur peut donc être supérieure à l'aire de la face de contact de la photodiode. Toutefois, de préférence, l'aire de la face de contact du matériau scintillateur va de 0,8 à 1 fois l'aire de la face de contact de la photodiode à avalanche. A titre d'exemple, une photodiode de surface sensible de 0,2 cm2 est comparée à une photodiode de 1 cm2 dans les lignes 2 et 12 du tableau 1. On voit que pour le cristal 10x10x10 mm3 pourvu d'une vitre en verre, les performances sont très différentes : on passe de plus de 8,5% de résolution avec la plus petite photodiode à près de 3,0% avec la plus grande.
Ainsi, l'invention concerne aussi le système de détection comprenant le matériau scintillateur et la photodiode à avalanche, respectant de préférence les données de surface de contact qui viennent d'être données, même pour un système non compact. Un système compact est cependant préféré.
De préférence, la photodiode à avalanche fonctionne sous une tension inférieure à 1050 volts et de manière encore préférée sous une tension inférieure à 450 volts.
La photodiode a généralement deux connecteurs électriques. Ces deux connecteurs sont de préférence soudés directement sur un amplificateur de charge que l'on appelle préamplificateur dont les composants sont disposés sur un circuit imprimé, lequel est également incorporé dans le boîtier selon l'invention. Le préamplificateur peut notamment avoir les caractéristiques suivantes: alimentation +/-12V ou +24/0V, gain de 0,1V/pC à 10V/pC. De préférence on place entre la photodiode à avalanche et le préamplificateur un élément de blindage électromagnétique comme une plaque en cuivre ou en laiton, relié électriquement au boitier et à la masse. Les connecteurs de la photodiode, isolés par des gaines en polymère ou par de la colle isolante, traversent l'élément de blindage à travers des orifices. Notons que le blindage électromagnétique fait obstacle aux ondes électromagnétiques de toute nature (téléphone portable, ondes radio, ondes de télévision, etc.) pouvant interférer avec les circuits électroniques. Le boîtier métallique (pouvant être en aluminium) participe à ce blindage. Le photodétecteur utilisé dans le cadre de la présente invention est une photodiode à avalanche, ce terme recouvrant une photodiode simple individuelle mais aussi une matrice de photodiodes à avalanche, c'est-à-dire un ensemble de photodiodes à avalanche individuelles, groupées sur une face du cristal, et dont les signaux sont sommés. Cet ensemble comprend donc une zone morte (insensible à la lumière) autour de la matrice mais aussi généralement entre les photodiodes individuelles. Les caractéristiques données plus haut sur la relation entre les aires de contact entre la photodiode à avalanche et le matériau scintillateur restent valables et c'est la surface cumulée des aires de contact sensibles à la lumière des photodiodes à avalanche associées que l'on prend en considération. Cependant, dans ce cas d'une matrice de photodiodes à avalanche, la face de contact du matériau scintillateur peut avoir une surface plus grande que la surface cumulée de contact (sensibles à la lumière) des photodiodes à avalanche, du fait de l'existence de zones mortes entre les photodiodes individuelles de la matrice. Comme exemple de photodétecteur constitué d'une matrice de photodiodes à avalanche en mode Geiger, on peut citer le silicon PM.
Selon l'invention, il n'est pas nécessaire de procéder à une collimation du rayonnement incident. Collimater, par exemple en entourant la source par un matériau absorbant percé, procure un fin faisceau de rayonnement, qui, n'irradiant qu'un point particulier du détecteur, permet de s'affranchir des inhomogénéités du cristal ou de la photodiode. Il s'avère que la qualité de la combinaison du scintillateur, de son réflecteur, du coupleur optique et de la photodiode permet l'obtention d'excellentes performances sans recourir à une collimation. Le boîtier selon l'invention peut avoir un axe passant par le barycentre du matériau scintillateur et le barycentre de la fenêtre d'entrée des rayonnements. Quand on parcourt cet axe à partir de la fenêtre d'entrée, on rencontre successivement le réflecteur de lumière, le matériau scintillateur, le coupleur optique, la photodiode, le blindage, le préamplificateur. La photodiode, le blindage (lorsqu'il s'agit d'une plaque), et le circuit imprimé du préamplificateur peuvent notamment être perpendiculaires à cet axe.
La fenêtre d'entrée peut aussi être latérale, c'est-à-dire parallèle à un axe du boitier. Si le boitier est un parallélépipède, 5 de ses faces (les 4 latérales + la face frontale) peuvent constituer la fenêtre d'entrée. La compacité du détecteur selon l'invention se caractérise notamment par l'absence de guide lumière entre le cristal et la photodiode à avalanche (sauf la fine couche de coupleur optique, notamment du type colle époxy, laquelle peut avoir une épaisseur inférieure à 0,6 mm, ainsi que l'éventuelle couche de protection à la surface de la photodiode à avalanche), une courte distance entre le préamplificateur et le matériau scintillateur, de sorte que les deux points les plus proches, l'un du préamplificateur et l'autre du matériau scintillateur, peuvent être distants généralement de moins de 2 cm.
Selon l'art antérieur, lorsqu'elles doivent fonctionner dans un environnement à température ambiante, les photodiodes sont souvent refroidies en dessous de 00C. Les performances du détecteur selon l'invention sont telles qu'un système de stabilisation de température (refroidissement ou réchauffement) n'est pas nécessaire. Les systèmes de refroidissement tels que par exemple un module Peltier, un dissipateur, un ventilateur, ou la circulation d'un fluide caloporteur augmente l'encombrement, la masse ou la consommation électrique. Toutefois, dans le cas où le détecteur ne devrait pas être utilisé à température constante, l'ajout d'un système d'isolation thermique, voir de stabilisation active de la température est une option possible car le gain d'une photodiode à avalanche varie avec la température. Une conception possible du détecteur muni d'un système de stabilisation de la température est la suivante :
- le (premier) boitier conducteur thermique contenant comme précédemment le matériau scintillateur, la photodiode à avalanche et le préamplificateur,
- une isolation thermique autour de ce boitier (par exemple : polystyrène expansé ou du vide, ou de l'air), - une enveloppe externe (ou second boitier) conducteur thermique, contenant le premier boitier enrobé de l'isolant thermique,
- un module Peltier (fonctionnant sur le principe d'un effet thermo-électrique) en contact thermique par une de ses faces avec le premier boitier, son autre face étant en contact thermique avec l'enveloppe externe - un dissipateur thermique fixé sur l'enveloppe externe,
- un ventilateur surmontant le dissipateur thermique.
Pour le cas ou ce détecteur doit affronter des températures ambiantes chaudes (comme supérieure à 25°C), la face froide du module Peltier est en contact thermique avec le boîtier interne alors que la face chaude du module Peltier est en contact thermique avec l'enveloppe externe. Pour le cas ou ce détecteur doit affronter des températures ambiantes froides (comme inférieure à - 200C), la face chaude du module Peltier est en contact thermique avec le boîtier interne alors que la face froide du module Peltier est en contact thermique avec l'enveloppe externe.
L'expression « contact thermique » utilisée à l'endroit du module Peltier signifie qu'il touche directement le boitier (ou l'enveloppe) avec lequel il est en contact thermique ou bien qu'une pièce intermédiaire (généralement métallique) conduisant bien la chaleur est placée entre ledit module Peltier et ledit boîtier (ou ladite enveloppe).
L'ajout d'une sonde de température telle qu'une thermistance PT1000 (commercialisé par la société Correge) permet de contrôler l'efficacité du de la stabilisation prodiguée, et autorise un asservissement du système afin de réguler la température interne du boitier (premier boîtier), lorsque la température ambiante externe (externe à l'enveloppe externe) varie.
L'enveloppe externe (ou second boitier) est en une matière bonne conductrice de la chaleur et perméables aux radiations visées et notamment les rayonnements X ou gamma. Elle peut donc être au moins partiellement, ou totalement, en un métal laissant passer les radiations à détecter, comme en aluminium (on convient que le terme « aluminium » recouvre également les alliages d'aluminium compatibles avec l'application, c'est-à-dire perméables aux radiations visées et notamment les rayonnements X ou gamma). Notamment, une face de l'enveloppe peut plus particulièrement faire office de fenêtre pour recevoir les radiations. Ainsi, la face faisant fenêtre de l'enveloppe peut être un peu plus fine que les autres parois de ladite enveloppe. La face fenêtre de l'enveloppe externe est en vis-à-vis de la face « fenêtre » du (premier) boîtier interne. L'enveloppe peut par exemple être un parallélépipède entièrement en aluminium (ou alliage d'aluminium) et comprendre une face plus fine (face fenêtre) que les autres. Pour le cas de la détection des rayonnements X ou gamma, à titre d'exemple, cette face peut être de 0,5 mm d'épaisseur d'aluminium, les autres parois pouvant par exemple être de 1 mm d'épaisseur d'aluminium.
Les inventeurs ont par exemple élaboré un détecteur (figure 5) de dimension externe 7,2 x 7,0 x 5,2 = 262 cm3 et, dans un environnement extérieur à 500C, une température stabilisée d'environ 200C dans le boitier interne (premier boîtier) a été obtenue. Le module Peltier était de marque Supercool PE-127-08- 15. Le dimensionnement de l'enveloppe externe, notamment au niveau de l'épaisseur d'isolant, dépend de la température externe à compenser.
Ainsi l'invention concerne également un détecteur muni d'un système de stabilisation de la température. Notamment, comme expliqué ci-dessus, le boitier peut être placé dans une enveloppe, un module Peltier étant placé entre ledit boîtier et ladite enveloppe.
Bien que le détecteur selon l'invention présente de bonnes performances entre -20 et +500C sans système de stabilisation de la température, on préfère prévoir un tel système en cas de fluctuation importante de la température ambiante ou en cas de température devant durablement se trouver au-dessus de
25°C ou en-dessous de -200C.
L'invention concerne également un procédé de détection de radiations ionisantes comme les rayonnements X ou gamma par le détecteur selon l'invention.
La figure 1 représente un détecteur compact selon l'invention. Il présente un axe AA'. Les numéros de référence ont les significations suivantes :
1 Fil de masse soudé dans le trou de la plaque de fermeture ; boîtier en aluminium préamplificateur
Plaque de laiton (blindage)
Photodiode à avalanche S-8664-1010
Couplant optique
Enrobage en PTFE (réflecteur de lumière)
8 Monocristal scintillateur dont la face côté photodiode a été polie et les autres faces ont été grattées
9 : Fenêtre d'entrée en aluminium d'épaisseur 0,5 mm
10 : connecteur signal 11 : connecteur basse tension
12 : connecteur haute tension
13 : isolant
Les autres chiffres en dehors du boîtier sont des cotes en mm. La figure 2 illustre la linéarité, c'est-à-dire la proportionnalité entre l'énergie des photons X ou gamma incidents et la réponse du système de détection du détecteur compact selon un exemple de l'invention.
La figure 3 représente le spectre d'une source d'Am241 mesuré à l'aide d'un système compact de détection selon l'invention. Le seuil de détection est indiqué par la lettre S. Il est excellent puisque d'environ 10 keV.
La figure 4 représente le spectre d'une source de Cs137 (énergie des photons incidents de 662keV) mesuré par un système compact selon l'invention. La figure 5 représente un détecteur selon l'invention muni d'un système de stabilisation de la température. Une enveloppe externe 20 en aluminium contient le boîtier 21 également en aluminium, ledit boîtier contenant le matériau scintillateur et le préamplificateur comme pour la figure 1. Un module Peltier 22 est en contact thermique avec le boîtier 21 du côté de sa face froide et en contact thermique avec l'enveloppe externe 20 du côté de sa face chaude. Le contact thermique avec l'enveloppe externe se fait via une calle en cuivre 23 qui conduit bien la chaleur. Un dissipateur de chaleur (radiateur) 24 est fixé sur l'extérieur de l'enveloppe et un ventilateur 25 aide à l'évacuation de la chaleur. Le conduit 26 contient les fils électriques d'alimentation du ventilateur 25. On n'a pas représenté les fils électriques à l'intérieur de l'enveloppe par soucis de clarté. Globalement, l'appareil est relié électriquement avec l'extérieur via les connecteurs 27. La plus grande dimension de l'enveloppe externe était ici de 72 mm. Une isolation thermique est placée entre l'enveloppe externe et le boîtier contenant la photodiode et le matériau scintillateur. Une thermistance (28) est placée à l'intérieur du boitier interne pour contrôler la température. Des fils non représentés issus de cette thermistance sont reliés à un connecteur 27.
EXEMPLES
On a utilisé comme matériaux scintillateurs des monocristaux de :
- CsI dopé par 0,8% en mole de Tl noté CsI - NaI dopé par du Tl noté NaI
- LaCb dopé par 10 % en mole de CeCb noté LaCI
- LaBr3 dopé par 5% en mole de CeBr3 noté LaBr Ceux-ci pouvaient avoir les formes suivantes :
- cylindrique :
Diamètre hauteur
25,4 mm 25,4 mm noté 25x25
12,8 mm 12,8 mm noté 13x13
6 mm 6 mm noté 6x6
- parallélépipédique :
Face de contact hauteur
10 mm x10 mm 10 mm noté 10x10x10
9 mm x 9 mm 20 mm noté 9x9x20
L'énergie des rayons incidents étaient de 662 keV. Le rayonnement gamma n'était pas collimaté. La température ambiante était de 23°C±2°C. La photodiode à avalanche (notée APD dans le tableau 1 ) était du type Hamamatsu S8664-1010. La photodiode PIN était de type Hamamatsu S3590-08. Le préamplificateur était du type H4083 de Hamamatsu.
Les résultats sont rassemblés dans le tableau 1. Le résultat de la dernière ligne illustre l'excellence d'un système compact c'est-à-dire comportant un boitier intégrant à faible distance les uns des autres le matériau détecteur, la photodiode à avalanche et un préamplificateur.
Figure imgf000018_0001
Tableau 1 La figure 2 illustre la bonne linéarité du système, c'est-à-dire la proportionnalité entre l'énergie des photons X ou gamma incidents (en abscisse) et la réponse du système de détection (canal du pic photoélectrique, en ordonnée). Elle est évaluée en mesurant le canal du pic photoélectrique pour des rayons gamma incidents à 1332 keV (Co60), 1173 keV (Co60), 662 keV (Cs137), 122 keV (Co57) et 60 keV (Am241). On constate l'absence de défaut de non linéarité.
La figure 3 représente le spectre d'une source d'Am241 mesuré à l'aide du système compact de détection selon l'invention. On voit que le seuil de détection est de 10 keV ce qui est extrêmement performant. Il s'agit de la valeur en abscisse du minimum à gauche de la courbe entre le bruit à gauche de ce minimum et le signal de la source. Les photons incidents ont une énergie de 60keV. Le cristal a pour dimension 9x9x20 mm. La figure 4 représente le spectre d'une source de Cs137 (énergie des photons incidents de 662keV). La résolution (largeur du pic à mi hauteur divisée par l'énergie) est de 2,8%.

Claims

REVENDICATIONS
1. Détecteur de radiations ionisantes comprenant un boîtier contenant - un matériau scintillateur,
- une photodiode à avalanche en contact par sa face photosensible avec le matériau scintillateur par l'intermédiaire d'un coupleur optique,
- un préamplificateur du signal électrique de la photodiode à avalanche.
2. Détecteur selon la revendication précédente, caractérisé en ce que le matériau scintillateur est enrobé dans un réflecteur de lumière.
3. Détecteur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le matériau scintillateur est un monocristal d'halogénure de terre rare.
4. Détecteur selon la revendication précédente, caractérisé en ce que le monocristal est en bromure de Lanthane dopé au Cérium.
5. Détecteur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le boîtier est de volume inférieur à 300 cm3.
6. Détecteur selon la revendication précédente, caractérisé en ce que le boîtier est de volume inférieur à 60 cm3.
7. Détecteur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le matériau scintillateur a un volume allant de 1000 à 10000 mm3.
8. Détecteur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le boîtier comprend un métal.
9. Détecteur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le coupleur optique a une épaisseur inférieure à 1 mm.
10. Détecteur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le coupleur optique est une colle époxy.
11. Détecteur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le coupleur optique a un indice de réfraction compris entre celui du matériau scintillateur et celui de la photodiode à avalanche.
12. Détecteur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le coupleur optique a un coefficient de dilatation thermique compris entre celui du matériau scintillateur et celui de la photodiode à avalanche.
13. Détecteur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le matériau scintillateur est entièrement contenu dans le demi- espace limité par le plan passant par la face photosensible de la photodiode et ne contenant pas ladite photodiode.
14. Détecteur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'aire de la face de contact du matériau scintillateur est inférieure à 1 ,5 et de préférence 1 ,2 fois et de manière encore préférée à 1 fois l'aire de la face de contact de la photodiode à avalanche.
15. Détecteur selon la revendication précédente, caractérisé en ce que l'aire de la face de contact du matériau scintillateur va de 0,8 à 1 fois l'aire de la face de contact de la photodiode à avalanche.
16. Détecteur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la face de contact du matériau scintillateur et la face de contact de la photodiode ont la même forme.
17. Détecteur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la face de contact du matériau scintillateur est inscrit dans la face de contact de la photodiode à avalanche.
18. Détecteur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que tout point du bord de la face de contact du matériau scintillateur est à l'intérieur de la face de contact de la photodiode et à une distance du bord de la photodiode comprise entre 0,1 et 3 mm et de préférence entre 0,2 et 0,7 mm.
19. Détecteur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la photodiode à avalanche fonctionne sous une tension inférieure à 450 volts.
20. Détecteur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'un élément de blindage électromagnétique se trouve entre la photodiode à avalanche et le préamplificateur.
21. Détecteur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les deux points les plus proches, l'un du préamplificateur et l'autre du matériau scintillateur, sont distants de moins de 2 cm.
22. Détecteur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que sa résolution à 662 keV est inférieure à 3,5% et même inférieure à 3%.
23. Détecteur selon la revendication précédente, caractérisé en ce que sa résolution à 662 keV est inférieure à 2,9%.
24. Détecteur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le seuil de détection est inférieur à 15 keV et de préférence inférieur à 12 keV mesuré avec une source d'américium 241.
25. Détecteur selon la revendication précédente, caractérisé en ce que le seuil de détection est inférieur à 11 keV mesuré avec une source d'américium 241.
26. Détecteur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le préamplificateur a un gain de 0,1V/pC à 10V/pC.
27. Détecteur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il ne comprend pas de système de refroidissement.
28. Détecteur selon l'une des revendications 1 à 26, caractérisé en ce qu'il comprend un système de stabilisation de la température, le boitier est placé dans une enveloppe, un module Peltier étant placé entre ledit boîtier et ladite enveloppe.
29. Procédé de détection de rayonnement X ou gamma par le détecteur de l'une des revendications précédentes.
30. Procédé selon la revendication précédente, sans collimation du rayonnement.
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