WO2019063429A1 - Detector of high-energy photons - Google Patents

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WO2019063429A1
WO2019063429A1 PCT/EP2018/075591 EP2018075591W WO2019063429A1 WO 2019063429 A1 WO2019063429 A1 WO 2019063429A1 EP 2018075591 W EP2018075591 W EP 2018075591W WO 2019063429 A1 WO2019063429 A1 WO 2019063429A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
crystal
detector
photomultiplier
photon
photoelectric layer
Prior art date
Application number
PCT/EP2018/075591
Other languages
French (fr)
Inventor
Dominique YVON
Viatcheslav SHARYY
Original Assignee
Commissariat A L'energie Atomique Et Aux Energies Alternatives
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
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Classifications

    • 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
    • G01T1/202—Measuring radiation intensity with scintillation detectors the detector being a crystal

Definitions

  • the invention relates primarily to a high energy photon detector, typically greater than 0.2 MeV and advantageously MeV.
  • a detector can be used, for example, in positron emission tomography (PET), for clinical or biological application.
  • PET positron emission tomography
  • Another application may be that of positron annihilation spectrometers ("Positron Annihilation Spectroscopy", according to English terminology), which makes it possible to characterize the surface states of materials (semiconductors, solar cells, polymer industry, porous membranes and catalysts for example).
  • positron annihilation spectrometers “Positron Annihilation Spectroscopy", according to English terminology), which makes it possible to characterize the surface states of materials (semiconductors, solar cells, polymer industry, porous membranes and catalysts for example).
  • the applications given above are purely illustrative, other uses that can be envisaged.
  • Such a detector is particularly useful in materials science, in research in nuclear physics and, more generally, in the detection of photons.
  • PET is a major application in the detection of photons at high energy, that is to say higher than 0.2 MeV, for example in the field of medicine and pharmacy where it allows in particular to obtain images relating to organs or biological tissues in vivo, especially within a human or animal organism.
  • a tracer is made up of a molecular vector, and a radioactive isotope which makes it possible to locate the distribution of the molecule within the body.
  • the choice of an isotope is determined firstly according to the chemical properties which condition the possibility of marking, and secondly because of the decay mode which allows external detection of the emitted radiation.
  • One of the advantages of PET compared with other nuclear medicine techniques is that it has a range of biological elements of biological interest for marking. Indeed, it is found that of the four main constituents of biological systems, three possess isotopes that decay by emitting positrons: carbon 1 1, nitrogen 13 and oxygen 15.
  • PET fluorine 18
  • 18 F fluorine 18
  • the PET is thus based on the emission of a positron 100 in a source 102 studied so that this positron 100 annihilates or disintegrates with an electron by generating two gamma-photons 104 and 106, with an energy of 51 1 keV each, emitted in a substantially collinear manner in opposite directions from a decay point 108.
  • the decay point 108 can be determined as carried by the segment 12 connecting the two gamma-photon detection points 104 and 106. in the volume of the detector 1 10.
  • a molecule of biological interest such as a sugar (or dopamine ...) labeled with a radioactive product.
  • Cancer cells which have a higher activity than healthy cells, will primarily absorb this particular sugar, which is not metabolized by cells.
  • the radioactive marker often Fluorine 18, disintegrates by emitting a positron (the antiparticle of the electrons), which in turn annihilates itself with an electron from the environment, emitting two photons-gamma (from one determined energy of 51 1 keV).
  • segment 1 12 From millions of reconstructions of segments such as the segment 1 12, it is then possible to represent by contrast highly emitting zones of photons vis-à-vis weakly emitting areas of photons which translate, respectively, areas with a strong concentration of isotopes in areas with low isotope concentration.
  • FIG. 1a shows, for example, the principle of positron annihilation spectrometry, in the so-called "life-time measurement"("Positron Annihilation Lifetime Spectrometry") configuration.
  • Another possible configuration would be the reconstruction of Accolinéarity (ACcolinearity Annihilation Reconstruction).
  • a beam of positrons 120 with a peak width at half height (FWHM) 121 of the order of one hundred picoseconds is pulsed towards a target to be studied 122.
  • FWHM peak width at half height
  • a positronium is created.
  • a positronium is a pair consisting of an electron and a positron.
  • Positronium 123 is then annihilated generating gamma radiation: two gamma rays 124 are emitted in a substantially collinear manner in opposite directions. The gamma rays 124 must then be detected by a detector 125 at high temporal resolution.
  • a photon-gamma detector 1 10 conventionally comprises a detection medium 200 intended to absorb a photon-gamma 104, 106 by generating photons 201 according to a luminescent phenomenon, and a photodetector 202 intended to detect said photons 201.
  • a photon-gamma When a photon-gamma enters a detector, it can interact in several ways with the detection medium.
  • the distance traveled by the photon-gamma before interacting with the medium is expressed in "attenuation length", and is even smaller than the medium to be crossed is dense and / or composed of high atomic number materials.
  • the detection media conventionally used are made based on crystals. These crystals used are characterized in particular by a high density in order to increase the chances of interaction of the material with the photon to be absorbed (density, in g.cm-3, generally greater than 6).
  • Compton effect corresponds to the collision between the photon-gamma and an electron of the detection medium.
  • the photon-gamma diffuses on an electron, losing energy, but without making a total transfer of its energy.
  • the electron is then set in motion.
  • the photon that emerges with the electron, called the scattered photon shares with the electron set in motion the initial energy.
  • a photoelectric interaction corresponds to an emission of an electron from the deep layers of an atom of the detection medium, by total transfer of the energy of the photon-gamma towards the electron.
  • an electron is set in motion in the detection medium, which can cause the emission of photons 201.
  • the photodetector 202 at the output of the detection medium 200 then makes it possible to detect said photons 201.
  • a photodetector is a device that transforms the light it absorbs into a measurable quantity, typically an electric current or voltage.
  • Photodetectors 202 of the photomultiplier type are widely used.
  • a photomultiplier is in the form of a vacuum tube 203 and an inlet window 204, for example made of glass, which the photons penetrate.
  • photocathode a thin layer of metal, semi metal, alloys or semiconductor 205
  • photocathode When a photon 201 reaches the photocathode 205, he often ejects an electron. Such an electron is called a "photoelectron”.
  • the photoelectron is then focused by means of a focusing electrode 207 to a series of dynodes 208 or advantageously directly to a microchannel wafer (allowing a better temporal resolution) making it possible to transform the initial photoelectron into a packet of electrons 209 sufficient to form a measurable electrical signal on an output anode 210.
  • Each dynode 208 being maintained at a higher potential value than the previous one, the potential difference between a dynode and the next dynode accelerates the electrons 209, which acquire sufficient power. energy to generate a number of secondary electrons on the next dynode.
  • an avalanche effect occurs.
  • the detection media used for high-resolution temporal measurements on energetic photons are made based on scintillators, such as scintillating crystal scintillators with high light output and fast type LSO, LYSO, BaF2, or more recently LaBr3 : This or LaC: This.
  • scintillators such as scintillating crystal scintillators with high light output and fast type LSO, LYSO, BaF2, or more recently LaBr3 : This or LaC: This.
  • the difficulty lies in the necessary compromise between detection efficiency (requiring thick detectors) and time resolution (requiring fine detectors).
  • the need to position the gamma interactions in the detector is generally implemented by splitting the scintillating crystal, which induces light loss and degrades the temporal resolution, and the detection efficiency.
  • the electron that is emitted during a photoelectric interaction is likely to interact with the molecules present within it for:
  • the scintillator decay time constant (s), the scintillation efficiency, and the crystal dimensions (conditioning the dispersion of the photon transit times before detection) are determinant for the temporal resolution.
  • "Scintillation efficiency" is defined as the number of scintillation photons produced by MeV of deposited energy.
  • NIM A 654 (201 1) 532-538) is to focus on the detection of the rare Cherenkov photons (a few tens of optical photons) produced in a detector crystal over a very short time ( ⁇ 10 ps).
  • the crystals are chosen to be transparent in the ultraviolet (which maximizes the flow of photons produced by the event), dense and composed of materials of great atomic number.
  • the detector then works in single photon detection mode.
  • a big difficulty is to efficiently transfer the optical photons produced, from the scintillating crystal to the photodetector.
  • the typical crystal (non-scintillating) example used in this context is PbF2.
  • PbF2 is not a scintillator, but a Cherenkov radiator, that is, it is capable of producing photons by the Cherenkov effect.
  • the Cherenkov effect is the emission of visible and / or ultraviolet light when a charged particle moves in a given medium at a speed greater than that of light in that medium. Cherenkov light production is even faster than scintillation. This will normally result in a better resolution in time. It is known that the Cherenkov effect light output is much lower than by scintillation. A major effort must be made to recover the little light produced and thus ensure a very good dating of the interaction.
  • Cherenkov photon detection technologies are optimized for temporal resolution. To do this, they sacrifice the other qualities of a detector for PET, ie the spatial resolution and the measurement of the energy of the interactions in the detector.
  • One of the major problems of these Cherenkov photon detectors is the efficiency of detecting a disintegration of a positron.
  • the photomultiplier is generally coupled to the crystal via an optical coupling interface such as an optical contact material (grease, oil, gel, elastomer, other ).
  • the latter makes it possible in particular to avoid an air gap between the photomultiplier window and the crystal, in order to avoid optical index discontinuities due to the air, which would reflect or deflect the majority of the photons.
  • the optical greases have the defect of absorbing the wavelengths corresponding to the ultraviolet light, or even the wavelengths corresponding to the blue light for the greases of near optical index of 1 .5. But it is the wavelengths where we expect the maximum signal output of the crystal. In addition, depending on their angle of incidence, some photons can still undergo a total reflection at the interface between the crystal and the optical grease. All this has the effect of reducing the efficiency of the detectors, that is to say the percentage of detected positron decays.
  • a known solution proposed to the above problem and described in the patent application FR3013124 consists in bonding the crystal and the input window of the photomultiplier by molecular adhesion. This solution also has certain disadvantages even in the absence of optical grease.
  • the bonding method for molecular adhesion is difficult to implement.
  • the input windows of photomultipliers are usually made of glass.
  • the refractive index of the glass is much smaller than that of the PbF2 crystal, which induces a high probability of total reflection at the interface between the PbF2 crystal and the photomultiplier entry window.
  • Such a method therefore limits the application to entry windows made of sapphire.
  • the detection of Cherenkov photons requires the use of very dense crystals involving a high optical index (often greater than 2). If these crystals are brought into contact with a much smaller optical index window (of the order of 1.5), more than 66% of the light is reflected completely.
  • the object of the present invention is to propose a high energy photon detector capable of offering in particular a high spatial resolution in three dimensions, an excellent temporal resolution and a high efficiency.
  • the invention proposes a high energy photon detector comprising:
  • a photomultiplier comprising a photoelectric layer directly in contact with one of the faces of the crystal, the photomultiplier being intended to detect the photons incident on said photoelectric layer.
  • the crystal and the photoelectric layer of the photomultiplier are in direct contact; in other words, the photoelectric layer is in contact with the crystal without an entrance window (made of glass for example) disposed between the two.
  • the photoelectric layer touches the face of the crystal, the detection crystal acting as an entrance window.
  • Such an arrangement has many advantages; it makes it possible to dispense with an optical coupling technology (conventionally an optical gel, elastomer, etc. of optical index close to 1.5, which induces a strong loss of light by total reflection), or of the more ambitious option, (but very difficult to implement) to achieve optical contact by molecular adhesion.
  • the invention makes it possible to dispense with the use of a glass entrance window having a much lower optical index than that of the scintillating crystal.
  • the crystal advantageously has a lower optical index than that of the photoelectric layer in the operating light ranges.
  • the optical indices of the photoelectric layer are of the order of 2.7 to 3 and those of the crystal of the order 2.3: the change from a lower optical index to a higher optical index leads to to a transmission of photons without total reflection angle so very effective.
  • the photoelectrons produced will then be multiplied by conventional photomultiplier technologies (photomultipliers with micro-channel wafers, or dynodes, micro-dynodes, or "Tynodes" under development, etc.).
  • the gain in optical coupling makes it possible to optimize the time measurement based on Cherenkov photons (thanks to the best statistics, knowing that the time information is carried by the first Cherenkov photon detected).
  • the gain in optical coupling and the presence of low efficiency scintillation enables the production (and with standard electronic particle physics) of acquiring an "impact map" consisting of the photons detected on each instrumented face of the crystal (and not plus the flux measurement on each pixel, digitized during the rise and decay of the scintillation signal). This information is much more compact than that produced by detectors based on high efficiency scintillators.
  • the scintillation photons then provide the necessary statistics for the measurement of the energy deposited in the crystal, and a more precise measurement of the coordinates of the interaction position.
  • the detector according to the invention may also have one or more of the characteristics below, considered individually or in any technically possible combination.
  • said crystal is chosen such that the saturation vapor pressure of its decomposition compounds is low compared with the vacuum or voids required during the production of the photoelectric layer or layers, and advantageously chosen from PbWCM or BGO; the choice of such a crystal is particularly interesting for technological reasons of manufacture of the detector as we will see in the following description;
  • the photodetector comprises a microchannel slab
  • the crystal has first and second faces facing each other, the detector comprising at least:
  • a first photomultiplier comprising a photoelectric layer directly in contact with the first face of the crystal, the first photomultiplier being configured to detect the photons generated by the crystal in incidence on said photoelectric layer;
  • a second photomultiplier comprising a photoelectric layer directly in contact with the second face of the crystal, the second photomultiplier being configured to detect the photons generated by the crystal in incidence on said photoelectric layer;
  • the crystal has first and second faces facing each other, the detector comprising at least:
  • a first photomultiplier comprising a photoelectric layer directly in contact with the first face of the crystal, the first photomultiplier being configured to detect the photons generated by the crystal in incidence on said photoelectric layer;
  • a second photomultiplier comprising a matrix of semiconductor photomultipliers, for example silicon (SiPM), optically coupled to the second face of the crystal, the second photomultiplier being configured to detect the photons generated by the crystal incident on said photoelectric layer;
  • SiPM silicon
  • the photomultiplier matrix is optically coupled with the second face of the crystal via an optical coupling interface;
  • the optical coupling interface is selected to reduce optical index breaks between the crystal and the photodetector array; advantageously, this optical coupling interface is chosen from: an optical elastomer, an optical grease, an optical oil or an optical gel;
  • the photoelectric layer is a bialkali or multialkali layer
  • the photon detector comprising means for cooling said detector; cooling the detector reduces the noise of dark Photomultipliers but also and especially to increase the performance of scintillation of certain scintillating crystals (Gain in scintillation yield of a factor of 4 at -25 ° C on crystals of PbW04 relative to the reference at 20 ° C);
  • the photon detector comprising means for analyzing the photoelectron impact map obtained by each photomultiplier and means for determining the position of the absorption and the moment of absorption of the high energy photon in the crystal, said determination means employing advantageously robust statistical methods and / or advantageously multivariate analysis methods.
  • the present invention also relates to a positron emission tomography device comprising at least one photon detector according to the invention.
  • the present invention also relates to a positron annihilation spectrometer comprising at least one photon detector according to the invention, in particular for PALS and / or ACAR type measurements.
  • FIG. 1 already described, is shown schematically the implementation of a positron emission tomography
  • FIG. 1 bis is schematically represented the implementation of a positron annihilation spectrometry
  • FIG. 2 already described, is schematically represented a detector according to the prior art
  • FIG. 3 is a diagrammatic representation of a detector according to a first embodiment of the invention.
  • FIG. 4 is a diagrammatic representation of a detector according to a second embodiment of the invention.
  • FIG. 5 is a diagrammatic representation of a detector according to a third embodiment of the invention.
  • FIG. 6 shows a map in the xz plane of the interaction points of the gamma photons in the detection medium of a detector according to the invention
  • FIG. 7 shows a map of the position of the photoelectrons in the yz plane on the photoelectric layer of a detector according to the invention
  • FIG. 8 shows a map of the position of the photoelectrons in the yz plane on the SiPM matrix of a detector according to the invention.
  • a xyz reference detector 300 of high energy photon such as a photon-gamma, according to the invention.
  • a detector can be implemented for various applications, in particular vis-à-vis body of large size (PET of the human body), medium size (PET of a part of the human body) or small size (PET "Small animal").
  • the detector 300 comprises:
  • a detection medium 301 consisting of a crystal absorber comprising PbWCk or BGO molecules
  • a photomultiplier 302 comprising a vacuum tube 303 and a photoelectric layer 304.
  • the detection medium 301 thus has at least one face 305 directly in contact with the photoelectric layer 304 (i.e. there is no interface between the face 305 and the photoelectric layer 304).
  • the face 305 is a substantially planar face parallel to the yz plane.
  • the absorber crystal here is a scintillating crystal having a low light output efficiency (of the order of 300 photons / MeV) but very fast (main decay time of a few ns). Such a crystal indeed makes it possible to also detect the fast Cherenkov light component, without being dazzled by the slower scintillation light.
  • the detector 300 according to the invention is particularly achievable thanks to the possibility of depositing such a photoelectric layer 304 directly on one of the faces 305 of the detection crystal 301.
  • the detection medium is generally of parallelepipedal shape with the following dimensions:
  • the photoelectric layer is for example a bialkali or multialkali layer such as Rb2Te, SbRbCs, K2CsSb, or NaKSbCs.
  • a bialkali or multialkali layer such as Rb2Te, SbRbCs, K2CsSb, or NaKSbCs.
  • the techniques for depositing and optimizing photoelectric layers for the detection of optical, ultraviolet, visible and infrared photons have been known in the literature since the 1980s.
  • the quality of the photoelectric layers produced involves measuring the properties of the photoelectric layers produced during the entire process. the deposition process, to control stoichiometry and the chemical reaction occurring between the constituent elements of the photocathode, to ensure that these elements are not contaminated during evaporation. For this it is necessary to work in dedicated ultraviolet racks and all the elements making up the future photomultiplier are steamed at 300 ° C for 48 to 72 hours at pressure values of 10 "7 Pa.
  • the crystals that can be used for the present invention are Cherenkov radiator crystals, and advantageously scintillating having a low light production yield but preferably very fast (main decay time of a few ns). It could be for example PbW04, but also BGO, nevertheless slower. One can think also try the PbF2, high performance Cherenkov radiator, but not scintillating.
  • the invention recommends choosing advantageously crystals whose saturated vapor pressure resulting from the decomposition of its compounds, is less than 10 -8 Pa at 300 ° C., and according to one embodiment
  • the chosen absorber crystal is PbW040u from BGO, although the use of other crystals can of course also be considered.
  • the detector according to the invention unlike the known detectors (see in particular Figure 2) does not include an input window disposed between the crystal 301 and the photoelectric layer.
  • the photomultiplier 302 comprises, in the extension of the photoelectric layer 304, preferably a microchannel wafer MCP 308.
  • a photon coming from the detection medium 301 When a photon coming from the detection medium 301 reaches the photoelectric layer 304, it excites an electron from the valence band, which is then ejected from the layer 304. Such an electron is called a "photoelectron".
  • the photoelectron is then directed to the microchannel wafer MCP (which will be preferable to the use of dynodes preceded by a focusing electrode because it allows a better temporal resolution) to transform the initial photoelectron into a sufficient electron package to form a measurable electrical signal on an output anode plane 309 used to collect the multiplied electrons.
  • MCP microchannel wafer MCP
  • Several microchannel slabs can be stacked to increase overall gain. It will also be possible to use a gaseous chamber in place of the microchannel slab, or dynodes or in the future the so-called "Tynodes" or other technologies being developed.
  • the face 306 of the detection medium facing the face 305 on which the photoelectric layer 304 is deposited, is the input window of the detector 300. It is advantageously carefully blackened to be light-tight and allow the detector to operate. .
  • Figure 4 shows a detector 400 according to a second embodiment of the invention.
  • this detector 400 comprises:
  • a detection medium 301 consisting of a crystal absorber comprising PbWO40u molecules of BGO,
  • a photomultiplier 302 comprising a vacuum tube 303 and a photoelectric layer 304.
  • the detection medium 301 thus comprises at least one face 305 directly in contact with the photoelectric layer 304.
  • the absorber crystal here is a scintillating crystal such as PbWO40u BGO.
  • the photoelectric layer is for example a bialkali or multialkali layer such as Rb2Te, SbRbCs, K2CsSb, or NaKSbCs.
  • the photomultiplier 302 comprises, in the extension of the photoelectric layer 304, followed by a microchannel wafer MCP 308 and an output anode plane 309.
  • the detector 400 differs from the detector 300 of FIG. 3 in that the face 406 of the detection medium, facing the face 305 on which the photoelectric layer 304 is deposited, is also instrumented.
  • the detector 400 comprises a second photomultiplier 302 'comprising a vacuum tube 303' and a photoelectric layer 304 '.
  • the face 406 is in direct contact with the photoelectric layer 304 '.
  • the photoelectric layer 304 is for example a bialkali or multialkali layer such as Rb2Ie, SbRbCs, K2CsSb, or NaKSbCs.
  • the second photomultiplier 302 ' comprises, in the extension of the photoelectric layer 304', followed by a microchannel wafer MCP 308 'and an output anode plane 309'.
  • FIG. 5 represents a detector 500 according to a third embodiment of the invention.
  • this detector 500 comprises:
  • a detection medium 301 consisting of a crystal absorber comprising PbWCu or BGO molecules
  • a photomultiplier 302 comprising a vacuum tube 303 and a photoelectric layer 304.
  • the detection medium 301 thus comprises at least one face 305 directly in contact with the photoelectric layer 304.
  • the absorber crystal here is a scintillating crystal such as PDWCM OR BGO.
  • the photoelectric layer is for example a bialkali or multialkali layer such as Rb2Te, SbRbCs, K2CsSb, or NaKSbCs.
  • the photomultiplier 302 comprises, in the extension of the photoelectric layer 304, followed by a microchannel wafer MCP 308 and an output anode plane 309.
  • the detector 500 differs from the detector 300 of FIG. 3 in that the face 506 of the detection medium, opposite the face 305 on which the photoelectric layer 304 is deposited, is also instrumented.
  • the detector 400 comprises a second photomultiplier 502 formed for example by a matrix of semiconductor photomultipliers including type SiPM ("Silicon Photomultipliers" according to English terminology) whether read analogically or digitally
  • the face 506 of the detection medium 301 is assembled with the second photomultiplier 502 by means of an optical contact material such as a gel, an adhesive or an optical oil for example.
  • the gain in optical coupling and the presence of low efficiency scintillation makes it possible to produce an "impact map" consisting of the photons detected on each instrumented face (and no longer the flux measurement on each pixel , digitized during the mounting and decay of the scintillation signal) or more precisely photoelectrons produced on the surface of either the photoelectric layer or the matrix of photomultipliers. This information is much more compact than that produced by detectors based on high efficiency scintillators.
  • Figure 6 shows a map in the xz plane of interaction points of the gamma photons in the detection medium.
  • the origin of the x and z axes corresponds to the point O of FIG. 5.
  • the points mark the interaction point (s) of the gamma photon in the crystal, according to the coordinates of the x and z axes. .
  • the simulation shows that the two gamma interactions produced, in this embodiment, 153 optical photons.
  • the circled crosses mark the coordinates of the detection of a photoelectron generated by an optical photon on the face considered, in the first 500 ps of the detection of the event (i.e. the generation of the gamma photon in the crystal).
  • the optical photons considered will therefore in part be Cherenkov photons.
  • the non-surrounding crosses mark the coordinates of the detection of a photoelectron generated by an optical photon on the considered face, after the first 500 ps of the detection of the event.
  • each cross is associated with a time elapsed since the detection of the event.
  • centroid in the geometric sense average value of the coordinates respectively in y and z
  • centroid in the sense of Midwayers median value of the distribution of coordinates respectively in y and in z
  • the median is a so-called "robust" estimator.
  • the accuracy of the robust estimator depends on the interaction depth of the gamma photon (i.e. along the x axis). The further the gamma interaction is from the detection face of the photoelectron, the more inaccurate the estimate. One can compute in simulation the error on this estimate.
  • the combination of the estimates obtained from the two maps, weighted by the calculated errors, makes it possible to obtain a reliable estimate of the position of the gamma interaction in yz. In other words, we use the correlation between the (barycenter) estimators obtained on the two maps and the physical parameters of the gamma interactions in the crystal to obtain a most reliable estimate of the gamma interaction in yz in the crystal.
  • the median value of the distribution of the distances, y and z, of the photoelectrons detected with respect to the median centroid of these detected photoelectrons will be determined.
  • the determination of the three-dimensional position of the gamma interaction is advantageously performed using properties derived from so-called “robust” statistical methods (median calculations instead of average value calculations, calculations of the variation of the absolute deviation to the median or MAD "Median Absolute Deviation” according to the English terminology instead of the standard deviation calculation, .7) to quantify the properties of the impact cards and make them robust to the impacts of photons reflected on the faces of the crystal before absorption.
  • each cross of the map is associated with a time elapsed since the detection of the event.
  • TSiPM TGam + X * c * nPbWo4 + error
  • TPhoCath TGam + (20-X) * c * nPbWO4 + error2
  • the two measures weighted by their errors, are combined to estimate the interaction time of the gamma photon.
  • the detection can be done on more than two faces and therefore with more than two photomultipliers (hence at least one of the faces is directly in contact with a photoelectric layer).

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Abstract

The present invention relates to a detector (400) of a high-energy photon, comprising: a crystal (301) intended to absorb a high-energy photon and to generate photons via a luminescent effect, having a first face (305) and a second face (406) that face each other; a first photomultiplier (302) comprising a photoelectric layer (304); and a second photomultiplier (302') comprising a photoelectric layer (304') or a matrix array of semiconductor photomultipliers, the detector (300) being characterised in that the photoelectric layer (304) of the first photomultiplier (302) is directly in contact with the first face (305) of the crystal, the first photomultiplier (302) being configured to detect the photons generated by the crystal (301) on incidence on its photoelectric layer (304) and the photoelectric layer (304') or the matrix array of semiconductor photomultipliers of the second photomultiplier (302') is directly in contact with the second face (406) of the crystal (301), the second photomultiplier (302') being configured to detect the photons generated by the crystal (301) on incidence on its photoelectric layer (304') or on its matrix array of semiconductor photomultipliers.

Description

DETECTEUR DE PHOTONS A HAUTE ENERGIE  HIGH ENERGY PHOTON DETECTOR
L'invention se rapporte principalement à un détecteur de photons à haute énergie, typiquement supérieure à 0.2 MeV et avantageusement MeV. Un tel détecteur peut être utilisé, par exemple, dans la tomographie par émission de positrons (TEP), à application clinique ou biologique. Une autre application peut être celle des spectromètres par annihilation de positron (« Positron Annihilation spectroscopy » PAS selon la terminologie anglaise), permettant de caractériser les états de surface de matériaux (semiconducteurs, cellules solaires, industrie des polymères, membranes poreuses et catalyseurs par exemple). Les applications données précédemment le sont à titre purement illustratif, d'autres usages pouvant être envisagés. The invention relates primarily to a high energy photon detector, typically greater than 0.2 MeV and advantageously MeV. Such a detector can be used, for example, in positron emission tomography (PET), for clinical or biological application. Another application may be that of positron annihilation spectrometers ("Positron Annihilation Spectroscopy", according to English terminology), which makes it possible to characterize the surface states of materials (semiconductors, solar cells, polymer industry, porous membranes and catalysts for example). ). The applications given above are purely illustrative, other uses that can be envisaged.
Un tel détecteur est notamment utile en science des matériaux, dans la recherche en physique nucléaire et, plus généralement, dans la détection de photons.  Such a detector is particularly useful in materials science, in research in nuclear physics and, more generally, in the detection of photons.
La TEP est une application majeure dans la détection des photons à haute énergie, c'est-à-dire supérieure à 0,2 MeV, par exemple dans le domaine de la médecine et de la pharmacie où elle permet notamment d'obtenir des images relatives à des organes ou à des tissus biologiques in vivo, notamment à l'intérieur d'un organisme humain ou animal.  PET is a major application in the detection of photons at high energy, that is to say higher than 0.2 MeV, for example in the field of medicine and pharmacy where it allows in particular to obtain images relating to organs or biological tissues in vivo, especially within a human or animal organism.
De la même manière que pour les autres examens de médecine nucléaire, la réalisation d'un examen TEP nécessite l'injection d'un traceur radioactif. Un traceur est constitué d'un vecteur moléculaire, et d'un isotope radioactif qui permet de localiser la distribution de la molécule au sein de l'organisme. Le choix d'un isotope est déterminé d'une part en fonction des propriétés chimiques qui conditionnent la possibilité de marquage, et d'autre part en raison du mode de désintégration qui permet une détection externe du rayonnement émis. Pour sa mise en œuvre, un des avantages de la TEP par rapport aux autres techniques de médecine nucléaire est qu'elle a à sa disposition un éventail d'éléments chimiques d'intérêt biologique pour le marquage. En effet, il se trouve que sur les quatre principaux constituants des systèmes biologiques, trois possèdent des isotopes qui se désintègrent par émission de positrons : le carbone 1 1 , l'azote 13 et l'oxygène 15.  In the same way as for other nuclear medicine examinations, performing a PET examination requires the injection of a radioactive tracer. A tracer is made up of a molecular vector, and a radioactive isotope which makes it possible to locate the distribution of the molecule within the body. The choice of an isotope is determined firstly according to the chemical properties which condition the possibility of marking, and secondly because of the decay mode which allows external detection of the emitted radiation. One of the advantages of PET compared with other nuclear medicine techniques is that it has a range of biological elements of biological interest for marking. Indeed, it is found that of the four main constituents of biological systems, three possess isotopes that decay by emitting positrons: carbon 1 1, nitrogen 13 and oxygen 15.
Son développement clinique a été obtenu grâce au fluor 18 (18F) qui s'intègre facilement dans des molécules intervenant dans des métabolismes. De ce fait, la TEP permet de suivre de tels métabolismes et, notamment, de détecter des zones à forte consommation de glucose comme les zones cancérigènes. En référence à la figure 1 , la TEP est donc basée sur l'émission d'un positron 100 dans une source 102 étudiée afin que ce positron 100 s'annihile - ou se désintègre - avec un électron en générant deux photons-gamma 104 et 106, d'une énergie de 51 1 keV chacun, émis de façon pratiquement colinéaire selon des sens opposés à partir d'un point 108 de désintégration. Its clinical development has been achieved with fluorine 18 ( 18 F) which is easily integrated into molecules involved in metabolism. PET therefore makes it possible to monitor such metabolisms and, in particular, to detect areas with high glucose consumption, such as carcinogenic zones. With reference to FIG. 1, the PET is thus based on the emission of a positron 100 in a source 102 studied so that this positron 100 annihilates or disintegrates with an electron by generating two gamma-photons 104 and 106, with an energy of 51 1 keV each, emitted in a substantially collinear manner in opposite directions from a decay point 108.
Grâce à un détecteur 1 10 de photons-gamma entourant la source 102 de positron, le point 108 de désintégration peut être déterminé comme porté par le segment 1 12 reliant les deux points 1 14 et 1 16 de détection des photons-gamma 104 et 106 dans le volume du détecteur 1 10. Ainsi, pratiquement, on injecte au patient une molécule d'intérêt biologique tel qu'un sucre (ou dopamine...) marqué par un produit radioactif. Les cellules cancéreuses, qui ont une plus grande activité que les cellules saines, vont en priorité absorber ce sucre un peu particulier, qui n'est pas métabolisé par les cellules. Le marqueur radioactif, souvent du Fluor 18, se désintègre en émettant un positron (l'antiparticule des électrons) qui s'annihile à son tour avec un électron de l'environnement en émettant selon deux directions opposées deux photons-gamma (d'une énergie déterminée de 51 1 keV).  By means of a gamma-photon detector 10 surrounding the positron source 102, the decay point 108 can be determined as carried by the segment 12 connecting the two gamma-photon detection points 104 and 106. in the volume of the detector 1 10. Thus, practically, the patient is injected a molecule of biological interest such as a sugar (or dopamine ...) labeled with a radioactive product. Cancer cells, which have a higher activity than healthy cells, will primarily absorb this particular sugar, which is not metabolized by cells. The radioactive marker, often Fluorine 18, disintegrates by emitting a positron (the antiparticle of the electrons), which in turn annihilates itself with an electron from the environment, emitting two photons-gamma (from one determined energy of 51 1 keV).
A partir de millions de reconstructions de segments tels que le segment 1 12, il est alors possible de représenter par contraste des zones fortement émettrices de photons vis-à-vis de zones faiblement émettrices de photons qui traduisent, respectivement, des zones présentant une forte concentration d'isotopes vis-à-vis de zones présentant une faible concentration d'isotopes.  From millions of reconstructions of segments such as the segment 1 12, it is then possible to represent by contrast highly emitting zones of photons vis-à-vis weakly emitting areas of photons which translate, respectively, areas with a strong concentration of isotopes in areas with low isotope concentration.
La figure 1 bis montre par exemple le principe d'une spectrométrie d'annihilation de positrons, dans la configuration dite de « mesure de temps de vie » (« Positron Annihilation Lifetime Spectrometry » selon la terminologie anglaise abrégée PALS). Une autre configuration envisageable serait la reconstruction des Accolinéarités (« ACcolinearity Annihilation reconstruction » selon la terminologie anglaise abrégée ACAR). Un faisceau de positrons 120 d'une largeur de pic à mi-hauteur (FWHM) 121 de l'ordre de cent picosecondes est puisé en direction d'une cible à étudier 122. Lors de l'interaction avec la cible 122, un positronium 123 est créé. Un positronium est une paire constituée d'un électron et d'un positron. Le positronium 123 est ensuite annihilé générant un rayonnement gamma : deux rayons gamma 124 sont émis de façon pratiquement colinéaire selon des sens opposés. Les rayons gamma 124 doivent alors être détectés par un détecteur 125 à haute résolution temporelle. En référence à la figure 2, un détecteur de photon-gamma 1 10 comporte classiquement un milieu de détection 200 destiné à absorber un photon-gamma 104, 106 en générant des photons 201 selon un phénomène luminescent, et un photodétecteur 202 destiné à détecter lesdits photons 201 . FIG. 1a shows, for example, the principle of positron annihilation spectrometry, in the so-called "life-time measurement"("Positron Annihilation Lifetime Spectrometry") configuration. Another possible configuration would be the reconstruction of Accolinéarités (ACcolinearity Annihilation Reconstruction). A beam of positrons 120 with a peak width at half height (FWHM) 121 of the order of one hundred picoseconds is pulsed towards a target to be studied 122. During the interaction with the target 122, a positronium 123 is created. A positronium is a pair consisting of an electron and a positron. Positronium 123 is then annihilated generating gamma radiation: two gamma rays 124 are emitted in a substantially collinear manner in opposite directions. The gamma rays 124 must then be detected by a detector 125 at high temporal resolution. With reference to FIG. 2, a photon-gamma detector 1 10 conventionally comprises a detection medium 200 intended to absorb a photon-gamma 104, 106 by generating photons 201 according to a luminescent phenomenon, and a photodetector 202 intended to detect said photons 201.
Lorsqu'un photon-gamma pénètre dans un détecteur, il peut interagir de plusieurs façons avec le milieu de détection. La distance parcourue par le photon- gamma avant d'interagir avec le milieu est exprimée en « longueur d'atténuation », et est d'autant plus petite que le milieu à traverser est dense et/ou composé de matériaux de haut numéro atomique. Les milieux de détection classiquement utilisés sont réalisés à base de cristaux. Ces cristaux utilisés sont notamment caractérisés par une forte densité afin d'accroître les chances d'interaction de la matière avec le photon à absorber (densité, en g.cm-3, généralement supérieure à 6).  When a photon-gamma enters a detector, it can interact in several ways with the detection medium. The distance traveled by the photon-gamma before interacting with the medium is expressed in "attenuation length", and is even smaller than the medium to be crossed is dense and / or composed of high atomic number materials. The detection media conventionally used are made based on crystals. These crystals used are characterized in particular by a high density in order to increase the chances of interaction of the material with the photon to be absorbed (density, in g.cm-3, generally greater than 6).
Un premier type d'interaction est appelé « effet Compton ». L'effet Compton correspond à la collision entre le photon-gamma et un électron du milieu de détection . Le photon-gamma diffuse sur un électron, perdant de l'énergie, mais sans effectuer un transfert total de son énergie. L'électron est alors mis en mouvement. Le photon qui émerge avec l'électron, appelé photon diffusé, partage avec l'électron mis en mouvement l'énergie initiale.  A first type of interaction is called "Compton effect". The Compton effect corresponds to the collision between the photon-gamma and an electron of the detection medium. The photon-gamma diffuses on an electron, losing energy, but without making a total transfer of its energy. The electron is then set in motion. The photon that emerges with the electron, called the scattered photon, shares with the electron set in motion the initial energy.
Un deuxième type d'interaction est appelé « interaction photoélectrique ». Une interaction photoélectrique correspond à une émission d'un électron des couches profondes d'un atome du milieu de détection, par transfert total de l'énergie du photon- gamma vers l'électron.  A second type of interaction is called "photoelectric interaction". A photoelectric interaction corresponds to an emission of an electron from the deep layers of an atom of the detection medium, by total transfer of the energy of the photon-gamma towards the electron.
Dans les deux cas, un électron est mis en mouvement dans le milieu de détection, ce qui peut être à l'origine de l'émission de photons 201 .  In both cases, an electron is set in motion in the detection medium, which can cause the emission of photons 201.
Le photodétecteur 202 en sortie du milieu de détection 200 permet ensuite de détecter lesdits photons 201 . Un photodétecteur est un dispositif qui transforme la lumière qu'il absorbe en une grandeur mesurable, généralement un courant électrique ou une tension électrique.  The photodetector 202 at the output of the detection medium 200 then makes it possible to detect said photons 201. A photodetector is a device that transforms the light it absorbs into a measurable quantity, typically an electric current or voltage.
Les photodétecteurs 202 de type photomultiplicateur, tels que celui représenté à la figure 2, sont largement utilisés. Un photomultiplicateur se présente sous la forme d'un tube sous vide 203 et d'une fenêtre d'entrée 204, par exemple en verre, que les photons pénètrent. A l'intérieur du tube sous vide 203, en général à la surface de la fenêtre d'entrée 204, est apposée une fine couche de métal, semi métal, alliages ou de semi-conducteur 205, appelée « photocathode ». Lorsqu'un photon 201 atteint la « photocathode » 205, il éjecte souvent un électron. Un tel électron est appelé « photoélectron ». Le photoélectron est ensuite focalisé au moyen d'une électrode de focalisation 207 vers une série de dynodes 208 ou avantageusement directement vers une galette à micro-canaux (permettant une meilleure résolution temporelle) permettant de transformer le photoélectron initial en un paquet d'électrons 209 suffisant pour constituer un signal électrique mesurable sur une anode de sortie 210. Chaque dynode 208 étant maintenue à une valeur de potentiel plus importante que la précédente, la différence de potentiel entre une dynode et la dynode suivante accélère les électrons 209, qui acquièrent suffisamment d'énergie pour générer un certain nombre d'électrons secondaires sur la dynode suivante. Il se produit donc, de dynode en dynode, un effet d'avalanche. Photodetectors 202 of the photomultiplier type, such as that represented in FIG. 2, are widely used. A photomultiplier is in the form of a vacuum tube 203 and an inlet window 204, for example made of glass, which the photons penetrate. Inside the vacuum tube 203, generally on the surface of the inlet window 204, is affixed a thin layer of metal, semi metal, alloys or semiconductor 205, called "photocathode". When a photon 201 reaches the photocathode 205, he often ejects an electron. Such an electron is called a "photoelectron". The photoelectron is then focused by means of a focusing electrode 207 to a series of dynodes 208 or advantageously directly to a microchannel wafer (allowing a better temporal resolution) making it possible to transform the initial photoelectron into a packet of electrons 209 sufficient to form a measurable electrical signal on an output anode 210. Each dynode 208 being maintained at a higher potential value than the previous one, the potential difference between a dynode and the next dynode accelerates the electrons 209, which acquire sufficient power. energy to generate a number of secondary electrons on the next dynode. Thus, from dynode to dynode, an avalanche effect occurs.
Classiquement, les milieux de détection utilisés pour des mesures à haute résolution temporelle sur des photons énergétiques sont réalisés à base de scintillateurs, tels que des scintillateurs à cristaux scintillants à haut rendement lumineux et rapides du type LSO, LYSO, BaF2, ou plus récemment LaBr3 : Ce ou LaC : Ce.  Conventionally, the detection media used for high-resolution temporal measurements on energetic photons are made based on scintillators, such as scintillating crystal scintillators with high light output and fast type LSO, LYSO, BaF2, or more recently LaBr3 : This or LaC: This.
La volonté est de réaliser une mesure du temps d'interaction la plus précise possible, en exploitant les premiers photons de scintillation parvenus au photodétecteur. Des machines complètes exploitant l'information dite « de temps de vol » ont été réalisées, mais présentent à ce jour des performances modestes.  The will is to make a measurement of the interaction time as accurate as possible, exploiting the first scintillation photons reached the photodetector. Complete machines exploiting so-called "flight time" information have been produced, but to date have modest performances.
La difficulté réside dans le nécessaire compromis entre l'efficacité de détection (demandant des détecteurs épais) et la résolution en temps (demandant des détecteurs fins). Le besoin de positionner les interactions gamma dans le détecteur, est généralement mis en œuvre en fractionnant le cristal scintillant, ce qui induit des pertes de lumière et dégrade la résolution temporelle, et l'efficacité de détection.  The difficulty lies in the necessary compromise between detection efficiency (requiring thick detectors) and time resolution (requiring fine detectors). The need to position the gamma interactions in the detector, is generally implemented by splitting the scintillating crystal, which induces light loss and degrades the temporal resolution, and the detection efficiency.
Dans un scintillateur, l'électron qui est émis lors d'une interaction photoélectrique est susceptible d'interagir avec les molécules présentes en son sein pour :  In a scintillator, the electron that is emitted during a photoelectric interaction is likely to interact with the molecules present within it for:
- les ioniser et entraîner la formation « d'électrons d'ionisation »,  ionize them and cause the formation of "ionization electrons",
- les exciter et produire des « photons de scintillation ».  - excite them and produce "scintillation photons".
Dans les appareils de TEP traditionnels, c'est la détection des photons de scintillation par un photodétecteur qui permet de calculer l'énergie déposée dans les cristaux inorganiques scintillants et de dater la détection. Le phénomène de scintillation produit des photons avec une distribution temporelle décrite par une exponentielle ou plusieurs exponentielles décroissantes de constante de temps xsi, appelée constantes de temps de décroissance de la scintillation. In traditional PET scanners, it is the detection of scintillation photons by a photodetector that calculates the energy deposited in the scintillating inorganic crystals and dates the detection. The scintillation phenomenon produces photons with a temporal distribution described by a exponential or several exponential decreasing time constant x if , called decay time constants of scintillation.
La/les constante(s) de temps de décroissance du scintillateur, le rendement de scintillation, et les dimensions des cristaux (conditionnant la dispersion des temps de parcours des photons avant détection) sont déterminants pour la résolution temporelle. Le « rendement de scintillation » est défini comme le nombre de photons de scintillation produits par MeV d'énergie déposée.  The scintillator decay time constant (s), the scintillation efficiency, and the crystal dimensions (conditioning the dispersion of the photon transit times before detection) are determinant for the temporal resolution. "Scintillation efficiency" is defined as the number of scintillation photons produced by MeV of deposited energy.
Une autre voie explorée (cf. publication de S. Korpar et al. « Study of TOP PET using Cherenkov light », NIM A 654 (201 1 ) 532-538) est de se focaliser sur la détection des rares photons Tcherenkov (quelques dizaines de photons optiques) produits dans un cristal détecteur sur un temps très court (<10 ps). Les cristaux sont choisis pour être transparent dans l'ultraviolet (ce qui maximise le flux de photons produits par l'événement), denses et composés de matériaux de grand numéro atomique. Le détecteur travaille alors en mode détection de photon unique. Une grosse difficulté est de réaliser un transfert efficace des photons optiques produits, du cristal scintillant vers le photodétecteur. L'exemple type de cristal (non scintillant) utilisé dans ce contexte est le PbF2. Le PbF2 n'est pas un scintillateur, mais un radiateur Tcherenkov, c'est-à- dire qu'il est capable de produire des photons par effet Tcherenkov. L'effet Tcherenkov est l'émission de lumière visible et/ou ultraviolette lorsqu'une particule chargée se déplace dans un milieu donné à une vitesse supérieure à celle de la lumière dans ce milieu. La production de lumière par effet Tcherenkov est encore plus rapide que la scintillation. Il en résultera donc normalement une meilleure résolution en temps. Il est connu que le rendement de production de lumière par effet Tcherenkov est beaucoup plus bas que par scintillation. Un effort important doit donc être fait pour récupérer le peu de lumière produite et ainsi assurer une très bonne datation de l'interaction.  Another way explored (see publication of S. Korpar et al., "Study of TOP PET using Cherenkov light", NIM A 654 (201 1) 532-538) is to focus on the detection of the rare Cherenkov photons (a few tens of optical photons) produced in a detector crystal over a very short time (<10 ps). The crystals are chosen to be transparent in the ultraviolet (which maximizes the flow of photons produced by the event), dense and composed of materials of great atomic number. The detector then works in single photon detection mode. A big difficulty is to efficiently transfer the optical photons produced, from the scintillating crystal to the photodetector. The typical crystal (non-scintillating) example used in this context is PbF2. PbF2 is not a scintillator, but a Cherenkov radiator, that is, it is capable of producing photons by the Cherenkov effect. The Cherenkov effect is the emission of visible and / or ultraviolet light when a charged particle moves in a given medium at a speed greater than that of light in that medium. Cherenkov light production is even faster than scintillation. This will normally result in a better resolution in time. It is known that the Cherenkov effect light output is much lower than by scintillation. A major effort must be made to recover the little light produced and thus ensure a very good dating of the interaction.
Certains auteurs ont ainsi montré que si on sacrifie l'efficacité (choix d'un cristal fin) et la résolution spatiale (grande largeur de contact optique avec le photodétecteur, comparée à l'épaisseur du cristal) on peut alors obtenir des résolutions en temps potentiellement remarquables.  Some authors have shown that if we sacrifice the efficiency (choice of a fine crystal) and the spatial resolution (large optical contact width with the photodetector, compared to the thickness of the crystal) we can then obtain resolutions in time potentially remarkable.
Ces technologies de détection des photons Tcherenkov sont optimisées pour la résolution temporelle. Elles sacrifient pour ce faire les autres qualités d'un détecteur pour la TEP, c'est à dire la résolution spatiale et la mesure de l'énergie des interactions dans le détecteur. L'un des problèmes majeurs de ces détecteurs de photons Tcherenkov est l'efficacité de détection d'une désintégration d'un positron. En effet, le photomultiplicateur est généralement couplé au cristal via une interface de couplage optique tel qu'un matériau de contact optique (graisse, huile, gel, élastomère, autres...). Ce dernier permet d'éviter en particulier un vide d'air entre la fenêtre du photomultiplicateur et le cristal, afin d'éviter des discontinuités d'indice optique dues à l'air, qui réfléchiraient ou dévieraient la majorité des photons. Or dans le cas particulier des cristaux radiateur Tcherenkov, les graisses optiques présentent le défaut d'absorber les longueurs d'onde correspondant à la lumière ultraviolette, voire également les longueurs d'onde correspondant à la lumière bleue pour les graisses d'indice optique proche de 1 .5. Or il s'agit des longueurs d'onde où l'on attend le maximum de signal en sortie du cristal. De plus, en fonction de leur angle d'incidence, certains photons peuvent encore subir une réflexion totale à l'interface entre le cristal et la graisse optique. Tout ceci a pour conséquence de réduire l'efficacité des détecteurs, c'est-à-dire le pourcentage des désintégrations de positrons détectées. These Cherenkov photon detection technologies are optimized for temporal resolution. To do this, they sacrifice the other qualities of a detector for PET, ie the spatial resolution and the measurement of the energy of the interactions in the detector. One of the major problems of these Cherenkov photon detectors is the efficiency of detecting a disintegration of a positron. Indeed, the photomultiplier is generally coupled to the crystal via an optical coupling interface such as an optical contact material (grease, oil, gel, elastomer, other ...). The latter makes it possible in particular to avoid an air gap between the photomultiplier window and the crystal, in order to avoid optical index discontinuities due to the air, which would reflect or deflect the majority of the photons. However, in the particular case of the Cherenkov radiator crystals, the optical greases have the defect of absorbing the wavelengths corresponding to the ultraviolet light, or even the wavelengths corresponding to the blue light for the greases of near optical index of 1 .5. But it is the wavelengths where we expect the maximum signal output of the crystal. In addition, depending on their angle of incidence, some photons can still undergo a total reflection at the interface between the crystal and the optical grease. All this has the effect of reducing the efficiency of the detectors, that is to say the percentage of detected positron decays.
Une solution connue proposée au problème ci-dessus et décrite dans la demande de brevet FR3013124 consiste à coller le cristal et la fenêtre d'entrée du photomultiplicateur par adhérence moléculaire. Cette solution présente également certains inconvénients même en l'absence de graisse optique.  A known solution proposed to the above problem and described in the patent application FR3013124 consists in bonding the crystal and the input window of the photomultiplier by molecular adhesion. This solution also has certain disadvantages even in the absence of optical grease.
Tout d'abord, le procédé de collage pour adhérence moléculaire est difficile à mettre en œuvre.  First, the bonding method for molecular adhesion is difficult to implement.
Au-delà, les fenêtres d'entrée de photomultiplicateurs sont généralement en verre. Or l'indice de réfraction du verre est très inférieur à celui du cristal de PbF2, ce qui induit une grande probabilité de réflexion totale à l'interface entre le cristal de PbF2 et la fenêtre d'entrée du photomultiplicateur. Un tel procédé limite donc l'application à des fenêtres d'entrées réalisées en saphir. De façon plus générale, la détection de photons Tcherenkov nécessite l'utilisation de cristaux très denses impliquant un indice optique élevé (souvent supérieur à 2). Si on met ces cristaux au contact d'une fenêtre d'entrée en verre d'indice optique beaucoup plus faible (de l'ordre de 1 .5), plus de 66% de la lumière est réfléchie totalement. Si on rajoute à cela les réfractions de Fresnel aux autres interfaces optiques sur le chemin de la photocathode, et si on tient compte de l'efficacité quantique des photocathodes, on comprend que la probabilité de détection des photons Tcherenkov devient extrêmement faible. Pour garantir une détection rapide, il faut alors utiliser des cristaux scintillants ayant un rendement lumière élevé. Beyond this, the input windows of photomultipliers are usually made of glass. However, the refractive index of the glass is much smaller than that of the PbF2 crystal, which induces a high probability of total reflection at the interface between the PbF2 crystal and the photomultiplier entry window. Such a method therefore limits the application to entry windows made of sapphire. More generally, the detection of Cherenkov photons requires the use of very dense crystals involving a high optical index (often greater than 2). If these crystals are brought into contact with a much smaller optical index window (of the order of 1.5), more than 66% of the light is reflected completely. If Fresnel refractions are added to the other optical interfaces on the path of the photocathode, and if the quantum efficiency of the photocathodes is taken into account, it is understood that the probability of detection of Cherenkov photons becomes extremely low. To guarantee a rapid detection, it is then necessary to use sparkling crystals having a high light yield.
Dans ce contexte, la présente invention a pour but de proposer un détecteur de photons à haute énergie susceptible d'offrir notamment une haute résolution spatiale en trois dimensions, une excellente résolution temporelle et une grande efficacité.  In this context, the object of the present invention is to propose a high energy photon detector capable of offering in particular a high spatial resolution in three dimensions, an excellent temporal resolution and a high efficiency.
A cette fin, l'invention propose un détecteur de photon à haute énergie comprenant :  To this end, the invention proposes a high energy photon detector comprising:
- un cristal destiné à absorber un photon à haute énergie en générant des photons selon un phénomène luminescent,  a crystal intended to absorb a high energy photon by generating photons according to a luminescent phenomenon,
- un photomultiplicateur comportant une couche photoélectrique directement en contact avec l'une des faces du cristal, le photomultiplicateur étant destiné à détecter les photons en incidence sur ladite couche photoélectrique.  a photomultiplier comprising a photoelectric layer directly in contact with one of the faces of the crystal, the photomultiplier being intended to detect the photons incident on said photoelectric layer.
Grâce à l'invention, le cristal et la couche photoélectrique du photomultiplicateur sont en contact direct ; en d'autres termes, la couche photoélectrique est en contact avec le cristal sans fenêtre d'entrée (en verre par exemple) disposée entre les deux. La couche photoélectrique touche la face du cristal, le cristal de détection faisant office de fenêtre d'entrée. Un tel agencement va à encontre des démarches actuelles concernant les détecteurs de photon haute énergie qui ont systématiquement une fenêtre d'entrée disposée entre le cristal et la couche photoélectrique.  Thanks to the invention, the crystal and the photoelectric layer of the photomultiplier are in direct contact; in other words, the photoelectric layer is in contact with the crystal without an entrance window (made of glass for example) disposed between the two. The photoelectric layer touches the face of the crystal, the detection crystal acting as an entrance window. Such an arrangement goes against current approaches for high energy photon detectors that systematically have an entrance window disposed between the crystal and the photoelectric layer.
Un tel agencement présente de nombreux avantages ; il permet de s'affranchir d'une technologie de couplage optique (classiquement un gel optique, élastomère, etc .. d'indice optique proche de 1 .5, qui induit une forte perte de lumière par réflexion totale), ou de l'option plus ambitieuse, (mais très difficile à mettre en œuvre) de réaliser le contact optique par adhérence moléculaire.  Such an arrangement has many advantages; it makes it possible to dispense with an optical coupling technology (conventionally an optical gel, elastomer, etc. of optical index close to 1.5, which induces a strong loss of light by total reflection), or of the more ambitious option, (but very difficult to implement) to achieve optical contact by molecular adhesion.
Mieux encore, l'invention permet de s'affranchir de l'utilisation d'une fenêtre d'entrée en verre présentant un indice optique beaucoup plus faible que celui du cristal scintillant.  More preferably, the invention makes it possible to dispense with the use of a glass entrance window having a much lower optical index than that of the scintillating crystal.
Au contraire, selon l'invention, le cristal présente avantageusement un indice optique plus faible que celui de la couche photoélectrique dans les gammes de lumière opératoire. A titre illustratif, les indices optiques de la couche photo-électrique sont de l'ordre de 2.7 à 3 et ceux du cristal de l'ordre 2.3 : le fait de passer d'un indice optique plus faible à un indice optique plus élevé conduit à une transmission des photons sans angle de réflexion totale donc très efficace. Les photoélectrons produits seront alors multipliés par des technologies classiques de photomultiplicateurs (Photomultiplicateurs à galettes micro-canaux, ou dynodes, micro-dynodes, ou « Tynodes » en cours de développement, etc....). On the contrary, according to the invention, the crystal advantageously has a lower optical index than that of the photoelectric layer in the operating light ranges. By way of illustration, the optical indices of the photoelectric layer are of the order of 2.7 to 3 and those of the crystal of the order 2.3: the change from a lower optical index to a higher optical index leads to to a transmission of photons without total reflection angle so very effective. The photoelectrons produced will then be multiplied by conventional photomultiplier technologies (photomultipliers with micro-channel wafers, or dynodes, micro-dynodes, or "Tynodes" under development, etc.).
On utilisera avantageusement un cristal scintillant présentant un rendement de production de lumière faible (de l'ordre de 300 photons/MeV) mais très rapide (temps de décroissance principale de quelques ns). Un tel cristal permet en effet de détecter également la composante de lumière Tcherenkov rapide, sans être ébloui par la lumière de scintillation, plus lente.  It is advantageous to use a scintillating crystal having a low light production yield (of the order of 300 photons / MeV) but very fast (main decay time of a few ns). Such a crystal indeed makes it possible to also detect the fast Cherenkov light component, without being dazzled by the slower scintillation light.
Le gain en couplage optique permet d'optimiser la mesure des temps basée sur les photons Tcherenkov (grâce à la meilleure statistique, sachant que l'information en temps est portée par le premier photon Tcherenkov détecté).  The gain in optical coupling makes it possible to optimize the time measurement based on Cherenkov photons (thanks to the best statistics, knowing that the time information is carried by the first Cherenkov photon detected).
Le gain en couplage optique et la présence de scintillation à faible rendement permet de produire (et avec une électronique standard de physique des particules) d'acquérir une « carte d'impacts » constituée des photons détectés sur chaque face instrumentée du cristal (et non plus la mesure de flux sur chaque pixels, numérisée durant la monté et décroissance du signal de scintillation). Cette information est beaucoup plus compacte que celle produite par les détecteurs basés sur les scintillateurs haut rendement.  The gain in optical coupling and the presence of low efficiency scintillation enables the production (and with standard electronic particle physics) of acquiring an "impact map" consisting of the photons detected on each instrumented face of the crystal (and not plus the flux measurement on each pixel, digitized during the rise and decay of the scintillation signal). This information is much more compact than that produced by detectors based on high efficiency scintillators.
La quantification des propriétés de ces cartes d'impacts (Barycentre, dispersion des impacts autour du barycentre, temps de détection des photons) permet de remonter aux propriétés spatiales et temporelles de l'interaction du photon gamma dans le cristal, grâce à une modélisation détaillée des propriétés optiques des constituants du détecteur.  The quantification of the properties of these impact maps (Barycentre, dispersion of the impacts around the barycentre, photon detection time) allows to go back to the spatial and temporal properties of the interaction of the gamma photon in the crystal, thanks to a detailed modeling. optical properties of the constituents of the detector.
Les photons de scintillation apportent alors la statistique nécessaire pour la mesure de l'énergie déposée dans le cristal, et une mesure plus précise des coordonnées de la position d'interaction.  The scintillation photons then provide the necessary statistics for the measurement of the energy deposited in the crystal, and a more precise measurement of the coordinates of the interaction position.
Le détecteur selon l'invention peut également présenter une ou plusieurs des caractéristiques ci-dessous, considérées individuellement ou selon toutes les combinaisons techniquement possibles.  The detector according to the invention may also have one or more of the characteristics below, considered individually or in any technically possible combination.
- ledit cristal est choisi tel que la pression de vapeur saturante de ses composés de décomposition est faible en regard du ou des vides nécessaires lors de la réalisation de la ou des couches photoélectriques, et avantageusement choisi parmi le PbWCM ou du BGO ; le choix d'un tel cristal est particulièrement intéressant pour des raisons technologiques de fabrication du détecteur comme nous le verrons dans la suite de la description ; said crystal is chosen such that the saturation vapor pressure of its decomposition compounds is low compared with the vacuum or voids required during the production of the photoelectric layer or layers, and advantageously chosen from PbWCM or BGO; the choice of such a crystal is particularly interesting for technological reasons of manufacture of the detector as we will see in the following description;
- le photodétecteur comporte une galette à micro-canaux ;  the photodetector comprises a microchannel slab;
- selon une première variante, le cristal comporte une première et une seconde faces en regard l'une de l'autre, le détecteur comportant au moins :  in a first variant, the crystal has first and second faces facing each other, the detector comprising at least:
o un premier photomultiplicateur comportant une couche photoélectrique directement en contact avec la première face du cristal, le premier photomultiplicateur étant configuré pour détecter les photons générés par le cristal en incidence sur ladite couche photoélectrique ;  a first photomultiplier comprising a photoelectric layer directly in contact with the first face of the crystal, the first photomultiplier being configured to detect the photons generated by the crystal in incidence on said photoelectric layer;
o un second photomultiplicateur comportant une couche photoélectrique directement en contact avec la seconde face du cristal, le second photomultiplicateur étant configuré pour détecter les photons générés par le cristal en incidence sur ladite couche photoélectrique ;  a second photomultiplier comprising a photoelectric layer directly in contact with the second face of the crystal, the second photomultiplier being configured to detect the photons generated by the crystal in incidence on said photoelectric layer;
- selon une deuxième variante, le cristal comporte une première et une seconde faces en regard l'une de l'autre, le détecteur comportant au moins :  in a second variant, the crystal has first and second faces facing each other, the detector comprising at least:
o un premier photomultiplicateur comportant une couche photoélectrique directement en contact avec la première face du cristal, le premier photomultiplicateur étant configuré pour détecter les photons générés par le cristal en incidence sur ladite couche photoélectrique ;  a first photomultiplier comprising a photoelectric layer directly in contact with the first face of the crystal, the first photomultiplier being configured to detect the photons generated by the crystal in incidence on said photoelectric layer;
o un second photomultiplicateur comportant une matrice de photomultiplicateurs semi-conducteurs, par exemple du silicium (SiPM), couplée optiquement avec la seconde face du cristal, le second photomultiplicateur étant configuré pour détecter les photons générés par le cristal en incidence sur ladite couche photoélectrique ;  a second photomultiplier comprising a matrix of semiconductor photomultipliers, for example silicon (SiPM), optically coupled to the second face of the crystal, the second photomultiplier being configured to detect the photons generated by the crystal incident on said photoelectric layer;
- la matrice de photomultiplicateurs est couplée optiquement avec la seconde face du cristal via une interface de couplage optique ; l'interface de couplage optique est choisie de sorte à réduire les ruptures d'indice optique entre le cristal et la matrice de photodétecteurs ; avantageusement, cette interface de couplage optique est choisie parmi : un élastomère optique, une graisse optique, une huile optique ou encore un gel optique ;  the photomultiplier matrix is optically coupled with the second face of the crystal via an optical coupling interface; the optical coupling interface is selected to reduce optical index breaks between the crystal and the photodetector array; advantageously, this optical coupling interface is chosen from: an optical elastomer, an optical grease, an optical oil or an optical gel;
- la couche photoélectrique est une couche bialkali ou multialkali ;  the photoelectric layer is a bialkali or multialkali layer;
- le détecteur de photon comportant des moyens pour refroidir ledit détecteur ; refroidir le détecteur permet de réduire le bruit d'obscurité des Photomultiplicateurs mais aussi et surtout d'augmenter le rendement de scintillation de certains cristaux scintillant (Gain en rendement de scintillation d'un facteur 4 à -25°C sur les cristaux de PbW04 par rapport à la référence à 20°C) ; the photon detector comprising means for cooling said detector; cooling the detector reduces the noise of dark Photomultipliers but also and especially to increase the performance of scintillation of certain scintillating crystals (Gain in scintillation yield of a factor of 4 at -25 ° C on crystals of PbW04 relative to the reference at 20 ° C);
- le détecteur de photon comportant des moyens d'analyse de la carte d'impact des photoélectrons obtenue par chaque photomultiplicateur et des moyens de détermination de la position de l'absorption et du moment d'absorption du photon à haute énergie dans le cristal, lesdits moyens de détermination mettant en œuvre des méthodes statistiques avantageusement robustes et/ou des méthodes d'analyse avantageusement multivariées.  the photon detector comprising means for analyzing the photoelectron impact map obtained by each photomultiplier and means for determining the position of the absorption and the moment of absorption of the high energy photon in the crystal, said determination means employing advantageously robust statistical methods and / or advantageously multivariate analysis methods.
La présente invention a également pour objet un dispositif de tomographie par émission de positrons comportant au moins un détecteur de photon selon l'invention.  The present invention also relates to a positron emission tomography device comprising at least one photon detector according to the invention.
La présente invention a également pour objet un spectromètre d'annihilation de positrons comportant au moins un détecteur de photon selon l'invention, notamment pour des mesures de type PALS et/ou ACAR.  The present invention also relates to a positron annihilation spectrometer comprising at least one photon detector according to the invention, in particular for PALS and / or ACAR type measurements.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lumière de la description ci-dessous, effectuée à titre illustrative et non limitatif, en référence aux figures ci-jointes sur lesquelles :  Other features and advantages of the invention will emerge in the light of the description below, made by way of non-limiting illustration, with reference to the attached figures, in which:
à la figure 1 , déjà décrite, est représentée de façon schématique la mise en œuvre d'une tomographie à émission de positron,  in FIG. 1, already described, is shown schematically the implementation of a positron emission tomography,
- à la figure 1 bis, déjà décrite, est représentée de façon schématique la mise en œuvre d'une spectrométrie d'annihilation de positron,  in FIG. 1 bis, already described, is schematically represented the implementation of a positron annihilation spectrometry,
- à la figure 2, déjà décrite, est représenté de façon schématique un détecteur selon l'art antérieur,  FIG. 2, already described, is schematically represented a detector according to the prior art,
- à la figure 3 est représenté de façon schématique un détecteur conforme à un premier mode de réalisation de l'invention,  FIG. 3 is a diagrammatic representation of a detector according to a first embodiment of the invention,
- à la figure 4 est représenté de façon schématique un détecteur conforme à un second mode de réalisation de l'invention,  FIG. 4 is a diagrammatic representation of a detector according to a second embodiment of the invention,
- à la figure 5 est représenté de façon schématique un détecteur conforme à un troisième mode de réalisation de l'invention,  FIG. 5 is a diagrammatic representation of a detector according to a third embodiment of the invention,
- à la figure 6, est représentée une carte dans le plan xz des points d'interaction des photons gamma dans le milieu de détection d'un détecteur selon l'invention, FIG. 6 shows a map in the xz plane of the interaction points of the gamma photons in the detection medium of a detector according to the invention,
- à la figure 7, est représentée une carte de la position des photoélectrons dans le plan yz sur la couche photoélectrique d'un détecteur selon l'invention, - à la figure 8, est représentée une carte de la position des photoélectrons dans le plan yz sur la matrice SiPM d'un détecteur selon l'invention. FIG. 7 shows a map of the position of the photoelectrons in the yz plane on the photoelectric layer of a detector according to the invention, FIG. 8 shows a map of the position of the photoelectrons in the yz plane on the SiPM matrix of a detector according to the invention.
En référence à la figure 3 est illustré partiellement dans un repère xyz un détecteur 300 de photon à haute énergie, tel un photon-gamma, conforme à l'invention. Un tel détecteur peut être mis en œuvre pour différentes applications, notamment vis-à-vis d'organisme de taille importante (TEP du corps humain), de taille moyenne (TEP d'une partie du corps humain) ou de faible taille (TEP « petit animal »).  Referring to Figure 3 is partially shown in a xyz reference detector 300 of high energy photon, such as a photon-gamma, according to the invention. Such a detector can be implemented for various applications, in particular vis-à-vis body of large size (PET of the human body), medium size (PET of a part of the human body) or small size (PET "Small animal").
Le détecteur 300 comprend :  The detector 300 comprises:
- un milieu de détection 301 constitué d'un cristal absorbeur comportant des molécules de PbWCk ou de BGO,  a detection medium 301 consisting of a crystal absorber comprising PbWCk or BGO molecules,
- un photomultiplicateur 302 comportant un tube sous vide 303 et une couche photoélectrique 304.  a photomultiplier 302 comprising a vacuum tube 303 and a photoelectric layer 304.
Le milieu de détection 301 comporte ainsi au moins une face 305 directement en contact avec la couche photoélectrique 304 (i.e. il n'y aucune interface entre la face 305 et la couche photoélectrique 304). La face 305 est une face sensiblement plane parallèle au plan yz.  The detection medium 301 thus has at least one face 305 directly in contact with the photoelectric layer 304 (i.e. there is no interface between the face 305 and the photoelectric layer 304). The face 305 is a substantially planar face parallel to the yz plane.
Le cristal absorbeur est ici un cristal scintillant présentant un rendement de production de lumière faible (de l'ordre de 300 photons/MeV) mais très rapide (temps de décroissance principale de quelques ns). Un tel cristal permet en effet de détecter également la composante de lumière Tcherenkov rapide, sans être ébloui par la lumière de scintillation, plus lente.  The absorber crystal here is a scintillating crystal having a low light output efficiency (of the order of 300 photons / MeV) but very fast (main decay time of a few ns). Such a crystal indeed makes it possible to also detect the fast Cherenkov light component, without being dazzled by the slower scintillation light.
Le détecteur 300 selon l'invention est notamment réalisable grâce à la possibilité de déposer une telle couche photoélectrique 304 directement sur une des faces 305 du cristal de détection 301 . Le milieu de détection est généralement de forme parallélépipèdique avec des dimensions suivantes :  The detector 300 according to the invention is particularly achievable thanks to the possibility of depositing such a photoelectric layer 304 directly on one of the faces 305 of the detection crystal 301. The detection medium is generally of parallelepipedal shape with the following dimensions:
- E (suivant l'axe x) comprise entre 1 mm et 5cm par exemple de l'ordre de 2 cm; - E (along the x axis) between 1 mm and 5 cm for example of the order of 2 cm;
- A (suivant l'axe z) comprise entre 1 cm et 25 cm, par exemple de l'ordre de 10 cm ; - A (along the z axis) between 1 cm and 25 cm, for example of the order of 10 cm;
- B (suivant l'axe y) comprise entre 1 cm et 25 cm, par exemple de l'ordre de 10 cm.  - B (along the y axis) between 1 cm and 25 cm, for example of the order of 10 cm.
La couche photoélectrique est par exemple une couche bialkali ou multialkali telle que du Rb2Te, SbRbCs, K2CsSb, ou NaKSbCs. De telles couches sont notamment décrites dans la publication « Technology of photocathode production » (Braem et al. - Nuclear instruments and methods in Physics research - 2003). Cette couche est très fine (épaisseur f suivant l'axe x typiquement comprise entre 5nm et 100 nm) par exemple de 20 nm. The photoelectric layer is for example a bialkali or multialkali layer such as Rb2Te, SbRbCs, K2CsSb, or NaKSbCs. Such layers are described in particular in the publication "Technology of Photocathode Production" (Braem et al., 2003). This layer is very thin (thickness f along the x axis typically between 5 nm and 100 nm) for example 20 nm.
Les techniques de dépôt et d'optimisations de couches photoélectriques pour la détection de photons optiques, ultraviolet, visibles et infrarouges sont connues dans la littérature depuis les années 1980. La qualité des couches photoélectriques produites implique de mesurer les propriétés des couches photoélectriques réalisées durant tout le processus de dépôt, de maîtriser la stœchiométrie et la réaction chimique intervenant entre les éléments constitutifs de la photocathode, de s'assurer que ces éléments ne sont pas contaminés lors de l'évaporation. Pour cela il faut travailler dans des bâtis ultravides dédiés et l'ensemble des éléments composant le futur photomultiplicateur sont étuvés à 300°C pendant 48 à 72 heures à des valeurs de pression de 10"7 Pa. The techniques for depositing and optimizing photoelectric layers for the detection of optical, ultraviolet, visible and infrared photons have been known in the literature since the 1980s. The quality of the photoelectric layers produced involves measuring the properties of the photoelectric layers produced during the entire process. the deposition process, to control stoichiometry and the chemical reaction occurring between the constituent elements of the photocathode, to ensure that these elements are not contaminated during evaporation. For this it is necessary to work in dedicated ultraviolet racks and all the elements making up the future photomultiplier are steamed at 300 ° C for 48 to 72 hours at pressure values of 10 "7 Pa.
Dans ce contexte, déposer des couches de technologie Bialkaly ou Multialkaly sur des cristaux composés de matériaux comportant des métaux présentant un numéro atomique Z élevé peut s'avérer difficile. En effet, les métaux de grand Z classiques, (par exemple le Plomb, le Bismuth) ont des températures de fusion basses. Dès lors, lors de la phase d'étuvage de leurs composés (PbW04, PbF2, BGO...), ces métaux ou leurs composés s'évaporent et sont susceptibles de contaminer les couches photoélectriques et plus encore l'ensemble de l'évaporateur. La contamination rendrait alors impossible la réalisation postérieure de couches photoélectriques dans ces bâtis, faute d'un nettoyage minutieux de tous les composants et du bâti. C'est un risque majeur pour les installations réalisant des couches photo-électriques. Ce risque, cet apriori, a empêché jusqu'à aujourd'hui la réalisation de tels appareillages.  In this context, depositing layers of Bialkaly or Multialkaly technology on crystals composed of materials having metals having a high atomic number Z can be difficult. Indeed, conventional large Z metals (eg Lead, Bismuth) have low melting temperatures. Therefore, during the phase of steaming of their compounds (PbW04, PbF2, BGO ...), these metals or their compounds evaporate and are likely to contaminate the photoelectric layers and even more the entire evaporator . The contamination would then make it impossible to carry out subsequent photoelectric layers in these frames, for lack of a thorough cleaning of all the components and the frame. This is a major risk for installations with photoelectric layers. This risk, this apriori, has hitherto prevented the production of such equipment.
II est donc nécessaire de choisir le cristal ad hoc permettant le dépôt direct de la couche photoélectrique sur ce dernier sans risque de contamination. Pour ce faire, nous avons élaboré une procédure. Elle consiste à mesurer les pressions partielles des gaz de décomposition des technologies de cristaux candidates, en fonction de la température, dans une installation spécialisée (four sous ultravide, couplé à un analyseur de gaz résiduel).  It is therefore necessary to choose the ad hoc crystal allowing the direct deposition of the photoelectric layer on the latter without risk of contamination. To do this, we have developed a procedure. It consists in measuring the partial pressures of the decomposition gases of the candidate crystal technologies, as a function of temperature, in a specialized installation (ultrahigh vacuum oven, coupled to a residual gas analyzer).
Comme évoqué plus haut, les cristaux susceptibles d'être utilisés pour la présente invention sont des cristaux radiateur Tcherenkov, et avantageusement scintillants présentant un rendement de production de lumière faible mais de préférence très rapide (temps de décroissance principale de quelques ns). Il peut s'agir par exemple du PbW04, mais aussi du BGO, néanmoins plus lent. On peut penser aussi essayer le PbF2, radiateur Tcherenkov haut rendement, mais non scintillant. As mentioned above, the crystals that can be used for the present invention are Cherenkov radiator crystals, and advantageously scintillating having a low light production yield but preferably very fast (main decay time of a few ns). It could be for example PbW04, but also BGO, nevertheless slower. One can think also try the PbF2, high performance Cherenkov radiator, but not scintillating.
Les mesures ont montré que portés à 300°C, la pression de vapeur saturante des cristaux de PbF2 s'établit à environ 10"6 Pa. Le gaz est principalement composé de PbF. Une telle valeur de pression de vapeur saturante entraînera donc une contamination dans des bâtis ultravides maintenus à des valeurs de pression de 10"7 Pa. Ainsi, même si les caractéristiques optiques du cristal PbF2 permettent d'utiliser ce dernier dans le détecteur selon l'invention, on privilégiera d'autres cristaux. L'évolution des techniques de dépôt vers des vides moins poussés à plus basses températures ne permet cependant pas d'exclure l'utilisation d'un tel cristal dans le détecteur selon l'invention dans de futures installations. Measurements have shown that brought to 300 ° C, the saturation vapor pressure crystals of PbF 2 is approximately 10 "6 Pa. The gas is composed primarily of PbF. Such saturation vapor pressure value thus result in a contamination in UHV built maintained at pressure values of 10 "7 Pa. Thus, even if the optical characteristics of the crystal PbF2 possible to use the latter in the detector according to the invention, preference will be given of other crystals. The evolution of deposition techniques to less advanced voids at lower temperatures, however, does not exclude the use of such a crystal in the detector according to the invention in future installations.
Dans le cas du PbW04, la pression de vapeur saturante à 300°C s'avère en dessous des limites de détection. Toutefois, par extrapolation de mesures à plus hautes températures selon les lois de la thermodynamique, nous sommes en mesure d'extrapoler une pression de vapeur saturante de 6 10"10 Pa à 300°C, le gaz étant uniquement composé de l'espèce chimique Pb. Cette mesure valide la possibilité de déposer des couches photoélectriques bialkaly ou multialkaly sur le PbW04 sans risque de contamination. Le BGO étant un cristal de température de fusion supérieure à celle du PbW04, la même mesure et le même raisonnement peut être fait sur ce cristal qui pourra donc être utilisé dans le détecteur selon l'invention. In the case of PbW04, the saturation vapor pressure at 300 ° C is below the detection limits. However, by extrapolating measurements at higher temperatures according to the laws of thermodynamics, we are able to extrapolate a saturated vapor pressure of 6 10 -10 Pa at 300 ° C, the gas being composed solely of the chemical species This measurement validates the possibility of depositing bialkaly or multialkaly photoelectric layers on PbW04 without risk of contamination.The BGO being a crystal of melting temperature higher than that of PbW04, the same measurement and the same reasoning can be done on this crystal which can therefore be used in the detector according to the invention.
Ainsi, compte tenu des explications qui précèdent, l'invention préconise de choisir avantageusement des cristaux dont la pression de vapeur saturante issue de la décomposition de ses composés, est inférieure à 10"8 Pa à 300°C, et selon un mode de réalisation préférentiel, le cristal absorbeur choisi est du PbW040u de BGO, même si l'utilisation d'autres cristaux peut bien entendu également être envisagée. Thus, in view of the foregoing explanations, the invention recommends choosing advantageously crystals whose saturated vapor pressure resulting from the decomposition of its compounds, is less than 10 -8 Pa at 300 ° C., and according to one embodiment Preferably, the chosen absorber crystal is PbW040u from BGO, although the use of other crystals can of course also be considered.
Le détecteur selon l'invention, contrairement aux détecteurs connus (cf. notamment la figure 2) ne comporte pas de fenêtre d'entrée disposée entre le cristal 301 et la couche photoélectrique.  The detector according to the invention, unlike the known detectors (see in particular Figure 2) does not include an input window disposed between the crystal 301 and the photoelectric layer.
De façon connue, le photomultiplicateur 302 comporte, dans le prolongement de la couche photoélectrique 304, préférentiellement une galette à micro-canaux MCP 308.  In known manner, the photomultiplier 302 comprises, in the extension of the photoelectric layer 304, preferably a microchannel wafer MCP 308.
Lorsqu'un photon issu du milieu de détection 301 atteint la couche photoélectrique 304, il excite un électron de la bande de valence, qui est alors éjecté de la couche 304. Un tel électron est appelé « photoélectron ». Le photoélectron est ensuite dirigé vers la galette à micro-canaux MCP (que l'on préférera à l'utilisation de dynodes précédées d'une électrode de focalisation car elle permet une meilleure résolution temporelle) permettant de transformer le photoélectron initial en un paquet d'électrons suffisant pour constituer un signal électrique mesurable sur un plan d'anodes de sortie 309 utilisées pour collecter les électrons multipliés. Plusieurs galettes à microcanaux peuvent être empilées afin d'augmenter le gain global. On pourra également utiliser une chambre gazeuse à la place de la galette à microcanaux, ou des dynodes ou à l'avenir les technologies dites de « Tynodes » ou autres en cours de développement. When a photon coming from the detection medium 301 reaches the photoelectric layer 304, it excites an electron from the valence band, which is then ejected from the layer 304. Such an electron is called a "photoelectron". The photoelectron is then directed to the microchannel wafer MCP (which will be preferable to the use of dynodes preceded by a focusing electrode because it allows a better temporal resolution) to transform the initial photoelectron into a sufficient electron package to form a measurable electrical signal on an output anode plane 309 used to collect the multiplied electrons. Several microchannel slabs can be stacked to increase overall gain. It will also be possible to use a gaseous chamber in place of the microchannel slab, or dynodes or in the future the so-called "Tynodes" or other technologies being developed.
La face 306 du milieu de détection, en regard de la face 305 sur laquelle est déposée la couche photoélectrique 304, est la fenêtre d'entrée du détecteur 300. Elle est avantageusement soigneusement noircie pour être étanche à la lumière et permettre le fonctionnement du détecteur.  The face 306 of the detection medium, facing the face 305 on which the photoelectric layer 304 is deposited, is the input window of the detector 300. It is advantageously carefully blackened to be light-tight and allow the detector to operate. .
La figure 4 représente un détecteur 400 conforme à un second mode de réalisation de l'invention.  Figure 4 shows a detector 400 according to a second embodiment of the invention.
Toutes les caractéristiques communes avec le détecteur 300 de la figure 3 présente les mêmes références.  All the characteristics common to the detector 300 of FIG. 3 have the same references.
Ainsi, ce détecteur 400 comprend :  Thus, this detector 400 comprises:
- un milieu de détection 301 constitué d'un cristal absorbeur comportant des molécules de PbWO40u de BGO,  a detection medium 301 consisting of a crystal absorber comprising PbWO40u molecules of BGO,
- un photomultiplicateur 302 comportant un tube sous vide 303 et une couche photoélectrique 304.  a photomultiplier 302 comprising a vacuum tube 303 and a photoelectric layer 304.
Le milieu de détection 301 comporte ainsi au moins une face 305 directement en contact avec la couche photoélectrique 304.  The detection medium 301 thus comprises at least one face 305 directly in contact with the photoelectric layer 304.
Le cristal absorbeur est ici un cristal scintillant tel que du PbWO40u de BGO. The absorber crystal here is a scintillating crystal such as PbWO40u BGO.
La couche photoélectrique est par exemple une couche bialkali ou multialkali telle que du Rb2Te, SbRbCs, K2CsSb, ou NaKSbCs. The photoelectric layer is for example a bialkali or multialkali layer such as Rb2Te, SbRbCs, K2CsSb, or NaKSbCs.
Le photomultiplicateur 302 comporte, dans le prolongement de la couche photoélectrique 304, suivi d'une galette à micro-canaux MCP 308 et d'un plan d'anodes de sortie 309.  The photomultiplier 302 comprises, in the extension of the photoelectric layer 304, followed by a microchannel wafer MCP 308 and an output anode plane 309.
Le détecteur 400 se différencie du détecteur 300 de la figure 3 en ce que la face 406 du milieu de détection, en regard de la face 305 sur laquelle est déposée la couche photoélectrique 304, est également instrumentée.  The detector 400 differs from the detector 300 of FIG. 3 in that the face 406 of the detection medium, facing the face 305 on which the photoelectric layer 304 is deposited, is also instrumented.
Cette instrumentation est ici identique à celle qui instrumente la face 305. Ainsi, le détecteur 400 comprend un second photomultiplicateur 302' comportant un tube sous vide 303' et une couche photoélectrique 304'. This instrumentation is here identical to that which instrumentalizes the face 305. Thus, the detector 400 comprises a second photomultiplier 302 'comprising a vacuum tube 303' and a photoelectric layer 304 '.
Dans ce cas, la face 406 est directement en contact avec la couche photoélectrique 304'.  In this case, the face 406 is in direct contact with the photoelectric layer 304 '.
Comme la couche photoélectrique 304, la couche photoélectrique 304' est par exemple une couche bialkali ou multialkali telle que du Rb2Ïe, SbRbCs, K2CsSb, ou NaKSbCs.  Like the photoelectric layer 304, the photoelectric layer 304 'is for example a bialkali or multialkali layer such as Rb2Ie, SbRbCs, K2CsSb, or NaKSbCs.
Le second photomultiplicateur 302' comporte, dans le prolongement de la couche photoélectrique 304', suivi d'une galette à micro-canaux MCP 308' et d'un plan d'anodes de sortie 309'.  The second photomultiplier 302 'comprises, in the extension of the photoelectric layer 304', followed by a microchannel wafer MCP 308 'and an output anode plane 309'.
La figure 5 représente un détecteur 500 conforme à un troisième mode de réalisation de l'invention.  FIG. 5 represents a detector 500 according to a third embodiment of the invention.
Toutes les caractéristiques communes avec le détecteur 300 de la figure 3 présente les mêmes références.  All the characteristics common to the detector 300 of FIG. 3 have the same references.
Ainsi, ce détecteur 500 comprend :  Thus, this detector 500 comprises:
- un milieu de détection 301 constitué d'un cristal absorbeur comportant des molécules de PbWCu ou de BGO,  a detection medium 301 consisting of a crystal absorber comprising PbWCu or BGO molecules,
- un photomultiplicateur 302 comportant un tube sous vide 303 et une couche photoélectrique 304.  a photomultiplier 302 comprising a vacuum tube 303 and a photoelectric layer 304.
Le milieu de détection 301 comporte ainsi au moins une face 305 directement en contact avec la couche photoélectrique 304.  The detection medium 301 thus comprises at least one face 305 directly in contact with the photoelectric layer 304.
Le cristal absorbeur est ici un cristal scintillant tel que du PDWCM OU de BGO. La couche photoélectrique est par exemple une couche bialkali ou multialkali telle que du Rb2Te, SbRbCs, K2CsSb, ou NaKSbCs.  The absorber crystal here is a scintillating crystal such as PDWCM OR BGO. The photoelectric layer is for example a bialkali or multialkali layer such as Rb2Te, SbRbCs, K2CsSb, or NaKSbCs.
Le photomultiplicateur 302 comporte, dans le prolongement de la couche photoélectrique 304, suivi d'une galette à micro-canaux MCP 308 et d'un plan d'anodes de sortie 309.  The photomultiplier 302 comprises, in the extension of the photoelectric layer 304, followed by a microchannel wafer MCP 308 and an output anode plane 309.
Le détecteur 500 se différencie du détecteur 300 de la figure 3 en ce que la face 506 du milieu de détection, en regard de la face 305 sur laquelle est déposée la couche photoélectrique 304, est également instrumentée.  The detector 500 differs from the detector 300 of FIG. 3 in that the face 506 of the detection medium, opposite the face 305 on which the photoelectric layer 304 is deposited, is also instrumented.
Cette instrumentation est ici différente de celle qui instrumente la face 305. Ainsi, le détecteur 400 comprend un second photomultiplicateur 502 formé par exemple par une matrice de photomultiplicateurs semiconducteurs notamment de type SiPM (« Silicon Photomultipliers » selon la terminologie anglaise) qu'ils soient lus de manière analogique ou digitale This instrumentation is here different from that which instrumentalizes the face 305. Thus, the detector 400 comprises a second photomultiplier 502 formed for example by a matrix of semiconductor photomultipliers including type SiPM ("Silicon Photomultipliers" according to English terminology) whether read analogically or digitally
Dans ce cas, la face 506 du milieu de détection 301 est assemblée avec le second photomultiplicateur 502 au moyen d'un matériel de contact optique tel qu'un gel, une colle ou une huile optique par exemple.  In this case, the face 506 of the detection medium 301 is assembled with the second photomultiplier 502 by means of an optical contact material such as a gel, an adhesive or an optical oil for example.
Grâce au détecteur selon l'invention, le gain en couplage optique et la présence de scintillation à faible rendement permet de produire une « carte d'impacts » constituée des photons détectés sur chaque face instrumentée (et non plus la mesure de flux sur chaque pixels, numérisée durant la monté et décroissance du signal de scintillation) ou plus précisément des photoélectrons produits à la surface soit de la couche photoélectrique soit de la matrice de photomultiplicateurs. Cette information est beaucoup plus compacte que celle produite par les détecteurs basés sur les scintillateurs haut rendement.  With the detector according to the invention, the gain in optical coupling and the presence of low efficiency scintillation makes it possible to produce an "impact map" consisting of the photons detected on each instrumented face (and no longer the flux measurement on each pixel , digitized during the mounting and decay of the scintillation signal) or more precisely photoelectrons produced on the surface of either the photoelectric layer or the matrix of photomultipliers. This information is much more compact than that produced by detectors based on high efficiency scintillators.
La quantification des propriétés de ces cartes d'impacts (Barycentre, dispersion des impacts autour du barycentre, temps de détection des photons) va permettre de remonter aux propriétés spatiales et temporelles de l'interaction du photon gamma dans le cristal, grâce à une modélisation détaillée des propriétés optiques des constituants du détecteur.  The quantification of the properties of these impact maps (Barycentre, dispersion of the impacts around the barycentre, detection time of the photons) will allow to go back to the spatial and temporal properties of the interaction of the gamma photon in the crystal, thanks to a modeling detailed optical properties of the components of the detector.
Nous allons illustrer la façon de remonter aux propriétés spatiales et temporelles du photon gamma dans le cristal à travers une simulation Monte-Carlo des propriétés optiques des différentes configurations d'un détecteur selon l'invention tel que représenté en figure 5 (i.e. dans une configuration avec un cristal présentant deux faces instrumentées, l'une directement par une couche photoélectrique et l'autre par une matrice de SiPM avec un gel optique de contact).  We will illustrate how to go back to the spatial and temporal properties of the gamma photon in the crystal through a Monte Carlo simulation of the optical properties of the different configurations of a detector according to the invention as represented in FIG. 5 (ie in a configuration with a crystal having two instrumented faces, one directly by a photoelectric layer and the other by a SiPM matrix with an optical contact gel).
Nous prendrons comme référence suivant l'axe des x (x=0mm - cf. point O sur la figure 5) la face du cristal recouverte de la matrice de SiPM. Avec un milieu de détection d'épaisseur 20 mm (i.e. suivant l'axe x), la couche photoélectrique couvre donc la face du cristal de coordonnées X=20 mm.  We will take as reference along the axis of x (x = 0mm - see point O in Figure 5) the face of the crystal covered with the SiPM matrix. With a detection medium having a thickness of 20 mm (i.e. along the x axis), the photoelectric layer thus covers the face of the crystal with coordinates X = 20 mm.
La figure 6 représente une carte dans le plan xz des points d'interaction des photons gamma dans le milieu de détection. Comme évoqué plus haut, l'origine des axes x et z correspond au point O de la figure 5. Les points marquent le/les point(s) d'interaction du photon gamma dans le cristal, selon les coordonnées des axes x et z. Ici, on observe deux interactions gamma dans le cristal. Ces interactions gamma vont générer des photons optiques (de scintillation et Tcherenkov) qui vont produire des photoélectrons respectivement sur la couche photoélectrique et sur la matrice SiPM. La simulation permet de montrer que les deux interactions gamma ont produit, dans cette réalisation, 153 photons optiques. Figure 6 shows a map in the xz plane of interaction points of the gamma photons in the detection medium. As mentioned above, the origin of the x and z axes corresponds to the point O of FIG. 5. The points mark the interaction point (s) of the gamma photon in the crystal, according to the coordinates of the x and z axes. . Here, we observe two gamma interactions in the crystal. These gamma interactions will generate optical photons (scintillation and Cherenkov) that will produce photoelectrons respectively on the photoelectric layer and on the SiPM matrix. The simulation shows that the two gamma interactions produced, in this embodiment, 153 optical photons.
La figure 7 montre la position des photoélectrons dans le plan yz sur la couche photoélectrique (donc en x=20mm). 25 photoélectrons sont détectés sur cette couche.  Figure 7 shows the position of the photoelectrons in the yz plane on the photoelectric layer (so x = 20mm). 25 photoelectrons are detected on this layer.
La figure 8 montre la position des photoélectrons dans le plan yz sur la matrice SiPM (donc en x=0mm). 6 photoélectrons sont détectés sur cette couche.  FIG. 8 shows the position of the photoelectrons in the yz plane on the SiPM matrix (hence in x = 0mm). 6 photoelectrons are detected on this layer.
Les croix entourées marquent les coordonnées de la détection d'un photoélectron généré par un photon optique sur la face considérée, dans les premiers 500 ps de la détection de l'événement (i.e. la génération du photon gamma dans le cristal). Les photons optiques considérés seront donc en partie des photons Tcherenkov.  The circled crosses mark the coordinates of the detection of a photoelectron generated by an optical photon on the face considered, in the first 500 ps of the detection of the event (i.e. the generation of the gamma photon in the crystal). The optical photons considered will therefore in part be Cherenkov photons.
Les croix non entourées marquent les coordonnées de la détection d'un photoélectron généré par un photon optique sur la face considérée, après les premiers 500 ps de la détection de l'événement.  The non-surrounding crosses mark the coordinates of the detection of a photoelectron generated by an optical photon on the considered face, after the first 500 ps of the detection of the event.
On notera qu'à chaque croix est associé un temps écoulé depuis la détection de l'événement.  It will be noted that each cross is associated with a time elapsed since the detection of the event.
On remarque que pour cet événement, les interactions du photon gamma ont eu lieu dans la seconde partie de l'épaisseur du cristal, proche de la face équipée de la couche photoélectrique. La carte du côté de la couche photoélectrique comporte 4 fois plus d'impacts, répartis sur une grande surface, alors que celle de la matrice de SiPM, comporte moins d'impacts, beaucoup plus resserrés. Ceci est la conséquence des propriétés des interfaces optiques exposées plus haut dans la description.  We note that for this event, the interactions of the gamma photon took place in the second part of the crystal thickness, close to the face equipped with the photoelectric layer. The map on the side of the photoelectric layer has 4 times more impacts, distributed over a large area, while that of the matrix of SiPM, has fewer impacts, much narrower. This is the consequence of the properties of the optical interfaces discussed above in the description.
On va ensuite tirer de ces deux cartographies des informations en temps et en position sur l'interaction gamma dans le cristal.  We will then draw from these two maps information in time and position on the gamma interaction in the crystal.
On va commencer par déterminer le positionnement de l'interaction gamma dans le plan yz. Pour ce faire, on calcule le barycentre de toutes les croix (impacts des photoélectrons) qui peut être considéré comme une très bonne estimation de la position de l'interaction gamma dans le plan yz.  We will begin by determining the positioning of the gamma interaction in the yz plane. To do this, we calculate the center of gravity of all the crosses (photoelectron impacts) which can be considered as a very good estimate of the position of the gamma interaction in the yz plane.
On peut utiliser le barycentre au sens géométrique (valeur moyenne des coordonnées respectivement en y et en z) ou avantageusement le barycentre au sens de Médians (valeur médiane de la distribution des coordonnées respectivement en y et en z) qui donne une meilleure estimation que le barycentre au sens géométrique. Le médian est un estimateur dit « robuste ». We can use the centroid in the geometric sense (average value of the coordinates respectively in y and z) or advantageously the centroid in the sense of Midwayers (median value of the distribution of coordinates respectively in y and in z) which gives a better estimate than the centroid in the geometric sense. The median is a so-called "robust" estimator.
La précision de l'estimateur robuste dépend de la profondeur d'interaction du photon gamma (i.e. suivant l'axe x). Plus l'interaction gamma est éloignée de la face de détection du photoélectron plus l'estimation est imprécise. On peut calculer en simulation l'erreur sur cette estimation. La combinaison des estimations obtenues à partir des deux cartographies, pondérées par les erreurs calculées permet d'obtenir une estimation fiable de la position de l'interaction gamma en yz. En d'autres termes, on utilise la corrélation entre les estimateurs (barycentres) obtenus sur les deux cartographies et les paramètres physiques des interactions gamma dans le cristal pour obtenir une estimation la plus fiable possible de l'interaction gamma en yz dans le cristal.  The accuracy of the robust estimator depends on the interaction depth of the gamma photon (i.e. along the x axis). The further the gamma interaction is from the detection face of the photoelectron, the more inaccurate the estimate. One can compute in simulation the error on this estimate. The combination of the estimates obtained from the two maps, weighted by the calculated errors, makes it possible to obtain a reliable estimate of the position of the gamma interaction in yz. In other words, we use the correlation between the (barycenter) estimators obtained on the two maps and the physical parameters of the gamma interactions in the crystal to obtain a most reliable estimate of the gamma interaction in yz in the crystal.
Dans un second temps, on peut déterminer une estimation de la position de l'interaction gamma suivant l'axe x (i.e. dans l'épaisseur du cristal).  In a second step, we can determine an estimate of the position of the interaction gamma along the x axis (i.e. in the thickness of the crystal).
Pour ce faire, toujours en référence aux cartographies représentées sur les figures 7 et 8, on va déterminer la valeur médiane de la distribution des distances, en y et en z, des photoélectrons détectés par rapport au barycentre médian de ces photoélectrons détectés. Plus l'interaction gamma est éloignée de la face, plus la distribution des distances est large ; on peut donc corréler la position de l'interaction gamma suivant l'axe x à la taille de la dispersion sur chacune des faces instrumentées (i.e. à la valeur médiane de la distribution des distances sur chacune des faces).  To do this, again with reference to the maps shown in FIGS. 7 and 8, the median value of the distribution of the distances, y and z, of the photoelectrons detected with respect to the median centroid of these detected photoelectrons will be determined. The further the gamma interaction is from the face, the wider the distance distribution; we can therefore correlate the position of the x-axis gamma interaction with the size of the dispersion on each of the instrumented faces (i.e. at the median value of the distribution of the distances on each of the faces).
Comme précédemment, l'utilisation d'estimateur statistique robuste en prenant en compte la distribution d'erreurs par rapport à la position suivant l'axe x de l'interaction gamma sur les deux cartographies permet d'obtenir une estimation fiable de la position de l'interaction gamma en x.  As before, the use of a robust statistical estimator by taking into account the error distribution with respect to the position along the x-axis of the gamma interaction on the two maps makes it possible to obtain a reliable estimate of the position of the the gamma interaction in x.
Ainsi, la détermination de la position en trois dimensions de l'interaction gamma est réalisée avantageusement en utilisant des propriétés issues des méthodes statistiques dite « robustes » (calculs de médians à la place de calculs de valeurs moyennes, calculs de la variation de l'écart absolu à la médiane ou MAD « Médian Absolute Déviation » selon la terminologie anglaise à la place du calcul d'écart type, ....) pour quantifier les propriétés des cartes d'impact et les rendre robustes aux impacts de photons réfléchis sur les faces du cristal avant absorption.  Thus, the determination of the three-dimensional position of the gamma interaction is advantageously performed using properties derived from so-called "robust" statistical methods (median calculations instead of average value calculations, calculations of the variation of the absolute deviation to the median or MAD "Median Absolute Deviation" according to the English terminology instead of the standard deviation calculation, ....) to quantify the properties of the impact cards and make them robust to the impacts of photons reflected on the faces of the crystal before absorption.
Les cartographies des figures 7 et 8 vont également permettre de remonter au temps TGam de l'interaction gamma dans le cristal. Comme évoqué plus haut, à chaque croix de la cartographie est associé un temps écoulé depuis la détection de l'événement. The maps of FIGS. 7 and 8 will also make it possible to go back to the TGam time of the gamma interaction in the crystal. As mentioned above, each cross of the map is associated with a time elapsed since the detection of the event.
En désignant par TSiPM le temps du premier photoélectron détecté au niveau de la matrice SiPM et par TPhoCath le temps du premier photoélectron détecté au niveau de la couche photoélectrique, on a :  By denoting by TSiPM the time of the first photoelectron detected at the level of the SiPM matrix and by TPhoCath the time of the first photoelectron detected at the level of the photoelectric layer, we have:
TSiPM = TGam + X*c*nPbWo4 + erreuri  TSiPM = TGam + X * c * nPbWo4 + error
TPhoCath = TGam + (20-X)*c*nPbWO4 + erreur2 TPhoCath = TGam + (20-X) * c * nPbWO4 + error2
c étant la vitesse de la lumière, X la profondeur d'interaction, nPbW04 l'indice optique du cristal de PbWC>4, erreuri et erreur2, les erreurs de mesure sur le temps TSÎPM et Tphotcath. (dépendants des technologies de photomultiplicateurs et de leurs électroniques de lecture). where c is the speed of light, X the interaction depth, nPbW04 the crystal optical index of PbWC> 4, errori and error2, the measurement errors on time TSÎPM and Tphotcath. (dependent on photomultiplier technologies and their reading electronics).
Connaissant la profondeur d'interaction X et les propriétés optiques du PbW04, on en déduit deux mesures de TGam.  Knowing the depth of interaction X and the optical properties of PbW04, two measurements of TGam are deduced.
On combine les deux mesures, pondérées par leurs erreurs, pour estimer le temps d'interaction du photon gamma.  The two measures, weighted by their errors, are combined to estimate the interaction time of the gamma photon.
On pourra également utiliser des méthodes d'analyses multivariées (Réseau de Neurones, Arbres de décision du type « Boosted Décision Tree », ...) pour améliorer encore la reconstruction des événements, et donc la résolution spatiale et temporelle du détecteur.  It will also be possible to use multivariate analysis methods (Neural Network, Boosted Decision Tree, etc.) to further improve the reconstruction of events, and thus the spatial and temporal resolution of the detector.
On pourra également utiliser des méthodes d'apprentissage profond (« Deep Deep learning methods can also be used ("Deep
Learning » en anglais), la modélisation détaillée du détecteur et l'exploitation des cartes d'impact pour s'affranchir des effets de bord dans la reconstruction des interactions gamma. Learning "), the detailed modeling of the detector and the use of impact cards to overcome edge effects in the reconstruction of gamma interactions.
On pourra également utiliser pour la lecture des photodétecteurs des lignes à retard, permettant de réduire le nombre de canaux d'électronique à mettre en œuvre.  It is also possible to use delay lines for reading photodetectors, making it possible to reduce the number of electronic channels to be used.
On notera que pour un milieu de détection de géométrie particulière, par exemple de forme parallélépipèdique (tel que décrit en référence aux figures 4 et 5), la détection peut se faire sur plus de deux faces et donc avec plus de deux photomultiplicateurs (dès lors qu'au moins une des faces est directement en contact avec une couche photoélectrique).  It will be noted that for a particular geometry detection medium, for example of parallelepipedal shape (as described with reference to FIGS. 4 and 5), the detection can be done on more than two faces and therefore with more than two photomultipliers (hence at least one of the faces is directly in contact with a photoelectric layer).

Claims

REVENDICATIONS
1 . Détecteur (300, 400, 500) de photon à haute énergie comprenant : 1. A high energy photon detector (300, 400, 500) comprising:
- un cristal (301 ) destiné à absorber un photon à haute énergie en générant des photons selon un phénomène luminescent, comportant une première (305) et une seconde face (406, 506) en regard l'une de l'autre,  a crystal (301) for absorbing a high-energy photon by generating photons according to a luminescent phenomenon, comprising a first (305) and a second face (406, 506) facing one another,
- un premier photomultiplicateur (302) comportant une couche photoélectrique (304),  a first photomultiplier (302) comprising a photoelectric layer (304),
- un deuxième photomultiplicateur (302', 502) comportant une couche photoélectrique (304') ou une matrice de photomultiplicateurs semiconducteurs, le détecteur (300) étant caractérisé en ce que la couche photoélectrique (304) du premier photomultiplicateur (302) est directement en contact avec la première face (305) du cristal, le premier photomultiplicateur (302) étant configuré pour détecter les photons générés par le cristal (301 ) en incidence sur sa couche photoélectrique (304) et la couche photoélectrique (304') ou la matrice de photomultiplicateurs semiconducteurs du deuxième photomultiplicateur (302', 502) est directement en contact avec la seconde face (406, 506) du cristal (301 ), le deuxième photomultiplicateur (302', 502) étant configuré pour détecter les photons générés par le cristal (301 ) en incidence sur sa couche photoélectrique (304') ou sur sa matrice de photomultiplicateurs semiconducteurs.  a second photomultiplier (302 ', 502) having a photoelectric layer (304') or a matrix of semiconductor photomultipliers, the detector (300) being characterized in that the photoelectric layer (304) of the first photomultiplier (302) is directly contacting the first face (305) of the crystal, the first photomultiplier (302) being configured to detect photons generated by the crystal (301) incident on its photoelectric layer (304) and the photoelectric layer (304 ') or matrix of the semiconductor photomultipliers of the second photomultiplier (302 ', 502) is directly in contact with the second face (406, 506) of the crystal (301), the second photomultiplier (302', 502) being configured to detect the photons generated by the crystal (301) incident on its photoelectric layer (304 ') or on its matrix of semiconductor photomultipliers.
Détecteur (300, 400, 500) de photon selon la revendication précédente, caractérisé en ce que ledit cristal (301 ) est choisi tel que la pression de vapeur saturante de ses composés de décomposition est faible en regard du ou des vides nécessaires lors de la réalisation de la ou des couches photoélectriques (304, 304'), et avantageusement choisi parmi le PDWCM OU du BGO. Photon detector (300, 400, 500) according to the preceding claim, characterized in that said crystal (301) is chosen such that the saturation vapor pressure of its decomposition compounds is low compared to the required vacuum or voids during the producing the photoelectric layer or layers (304, 304 '), and advantageously chosen from PDWCM OR BGO.
Détecteur (300, 400, 500) de photon selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce qu'au moins un des photomultiplicateurs (302, 302', 502) comporte une galette à microcanaux. Photon detector (300, 400, 500) according to one of the preceding claims, characterized in that at least one of the photomultipliers (302, 302 ', 502) comprises a microchannel wafer.
Détecteur (300, 400, 500) de photon selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la matrice de photomultiplicateurs est couplée optiquement avec la seconde face (406, 506) du cristal (301 ) via une interface de couplage optique. Photon detector (300, 400, 500) according to one of the preceding claims, characterized in that the photomultiplier matrix is optically coupled to the second face (406, 506) of the crystal (301) via an optical coupling interface.
5. Détecteur (300, 400, 500) de photon selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce qu'au moins une des couches photoélectriques (304, 304') est une couche bialkali ou multialkali. 5. Detector (300, 400, 500) photon according to one of the preceding claims characterized in that at least one of the photoelectric layers (304, 304 ') is a bialkali or multialkali layer.
6. Détecteur (300, 400, 500) de photon selon l'une des revendications précédentes comportant des moyens pour refroidir ledit détecteur. 6. Detector (300, 400, 500) photon according to one of the preceding claims comprising means for cooling said detector.
7. Détecteur (300, 400, 500) de photon selon l'une des revendications précédentes comportant des moyens d'analyse d'une carte d'impact des photoélectrons obtenue par le ou les photomultiplicateur(s) (302, 302', 502) et des moyens de détermination de la position de l'absorption et du moment d'absorption du photon à haute énergie dans le cristal (301 ), lesdits moyens de détermination mettant en œuvre des méthodes statistiques avantageusement robustes et/ou des méthodes d'analyse avantageusement multivariées. Photon detector (300, 400, 500) according to one of the preceding claims, comprising means for analyzing a photoelectron impact card obtained by the photomultiplier (s) (302, 302 ', 502). ) and means for determining the position of the absorption and the moment of absorption of the high energy photon in the crystal (301), said determination means using advantageous statistical robust methods and / or methods of advantageously multivariate analysis.
8. Dispositif de tomographie par émission de positrons comportant au moins un détecteur (300, 400, 500) de photon selon l'une des revendications précédentes. 8. A positron emission tomography device comprising at least one photon detector (300, 400, 500) according to one of the preceding claims.
9. Spectromètre d'Annihilation de Positrons comportant au moins un détecteur (300, 400, 500) de photon selon l'une des revendications 1 à 7, notamment pour des mesures de type PALS et/ou ACAR. 9. Positron Annihilation Spectrometer comprising at least one photon detector (300, 400, 500) according to one of claims 1 to 7, in particular for PALS and / or ACAR type measurements.
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