WO2021043773A1 - Dosimetre - Google Patents

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WO2021043773A1
WO2021043773A1 PCT/EP2020/074364 EP2020074364W WO2021043773A1 WO 2021043773 A1 WO2021043773 A1 WO 2021043773A1 EP 2020074364 W EP2020074364 W EP 2020074364W WO 2021043773 A1 WO2021043773 A1 WO 2021043773A1
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WO
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dosimeter
layer
ionizing radiation
amplifying
optical fiber
Prior art date
Application number
PCT/EP2020/074364
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English (en)
Inventor
Sree Bash Chandra DEBNATH
Julien DARREON
Carole Fauquet
Didier Tonneau
Agnès TALLET
Original Assignee
Centre National De La Recherche Scientifique
Universite D'aix Marseille
Institut Jean Paoli & Irene Calmettes Centre Regional De Lutte Contre Le Cancer
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Publication date
Application filed by Centre National De La Recherche Scientifique, Universite D'aix Marseille, Institut Jean Paoli & Irene Calmettes Centre Regional De Lutte Contre Le Cancer filed Critical Centre National De La Recherche Scientifique
Priority to US17/639,465 priority Critical patent/US11914083B2/en
Priority to CA3149864A priority patent/CA3149864A1/fr
Priority to EP20761622.8A priority patent/EP4025935A1/fr
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    • G01T1/16—Measuring radiation intensity
    • G01T1/28—Measuring radiation intensity with secondary-emission detectors

Definitions

  • the invention relates to a dosimeter.
  • Such dosimeters are used, for example, in the field of the characterization of materials, such as welds, or in the medical field and, in particular, in radiotherapy or in hadrontherapy.
  • dosimeters are used to adjust the dimensions of ionizing radiation in the treatment of small cancerous tumors.
  • Such a dosimeter is for example described in the following article: Zhihua XIE et Al: "Ultracompact x-ray dosimeter based on scintillators coupled to a nano-optical antenna", Opitics Letters, vol. 42, n ° 7, 04/01/2017, page 1361-1364.
  • This article is hereinafter referred to as "Article A1" in this application.
  • the dosimeter described in this article A1 is particularly advantageous in that it has both:
  • low-energy ionizing radiation denotes ionizing radiation whose energy is less than 100 keV.
  • high energy radiation denotes ionizing radiation with an energy greater than 100 keV and preferably greater than 1 MeV.
  • the dosimeter of article A1 is not suitable for measuring high-energy ionizing radiation because it has too low a sensitivity to this type of ionizing radiation.
  • the invention aims to provide a dosimeter which has improved sensitivity to ionizing radiation and, in particular, to ionizing radiation. high energy. It therefore relates to a dosimeter for measuring the intensity of a primary ionizing radiation in accordance with claim 1.
  • FIG. 1 is a schematic illustration, partially in cross section, of a dosimeter
  • FIG. 2 is a schematic illustration of an optical amplifier used in the dosimeter of Figure 1;
  • Figures 3 and 4 are partial schematic illustrations, in longitudinal section, of other possible embodiments of the dosimeter of Figure 2;
  • FIG. 5 is a schematic illustration of a semiconductor dosimeter.
  • Figure 1 shows a dosimeter 2, known by the term “fiber dosimeter", for measuring the intensity of incident ionizing radiation 3.
  • Ionizing radiation 3 is also called “primary ionizing radiation”.
  • the dosimeter 2 is described in the particular case where the ionizing radiation 3 is an X-ray of high energy.
  • Dosimeter 2 comprises:
  • Optical fiber 4 is a single-mode or multimode optical fiber capable of guiding photons along a propagation axis 12.
  • the axis 12 extends parallel to an X direction of an XYZ orthogonal coordinate system.
  • fiber 4 is a commercial fiber capable of transmitting any wavelength from near ultraviolet to infrared. The bandwidth of the fiber is chosen centered on the luminescence wavelength of the material 30 described later.
  • fiber 4 is here designed to guide light having a wavelength A f between
  • the wavelength A f is equal to 1550 nm.
  • the term “light” is used in a broad sense which designates any electromagnetic wave guided by the optical fiber. In particular, the meaning of the term “light” is not limited to visible light.
  • Fiber 4 comprises in order:
  • the material in which the core 14 is made is a material chosen to have low propagation loss at the wavelength A f .
  • the spatial resolution of the measurement performed with the dosimeter 2 is also linked to the diameter D i4 of the heart 14. For example, for an application of the dosimeter
  • the diameter D i4 of the core 14 is generally less than 110 ⁇ m or 70 ⁇ m and, in the case of a single-mode optical fiber, often less than 20 ⁇ m.
  • the diameter D i4 is generally also greater than 1 ⁇ m or 5 ⁇ m.
  • the diameter D i4 is equal to 50 ⁇ m and the fiber is therefore a multimode fiber.
  • the sheath 16 is made of a material whose refractive index, relative to the refractive index of the core 14, makes it possible to effectively guide and maintain the light inside the core 14.
  • the thickness of the sheath 16 is also chosen to guide and maintain the light inside the core 14. Thus, the light propagates essentially inside the core 14.
  • the thickness of the sheath 16 is conventionally greater than 50 ⁇ m or 100 pm.
  • the outer diameter D i6 of the sheath 16 is usually between 1.5D M and 5D i4 or between 2D i4 and 3D i4 .
  • the diameter D i6 is equal to 125 ⁇ m.
  • the coating 18 serves to protect the sheath 16 and the core 14. It is for example made of polymer.
  • the thickness of the coating 18 is conventionally greater than 50 ⁇ m or 100 ⁇ m.
  • the outer diameter D i8 of the coating 18 is chosen to be less than 500 ⁇ m or 250 ⁇ m.
  • the diameter D i8 is often between 1.5D I6 and 3D I6 .
  • the diameter D i8 is equal to 220 ⁇ m.
  • the fiber 4 extends from a proximal end, attached to an input of the amplifier 8, to a distal end attached to the sensitive part 6.
  • the length of the fiber 4 between its proximal ends and distal is greater than 20 cm or 50 cm and usually less than 10 m or 5 m.
  • the length of fiber 4 is equal to 1.50 m.
  • the distal end of the fiber 4 comprises a light entry face 20 formed in the heart 14.
  • the face 20 is a planar face perpendicular to the X direction and which extends over the entire cross section of the core 14.
  • the face 20 preferably has a large number of symmetries of revolution about the axis 12.
  • a large number of symmetries of revolution denotes a number of symmetries. of revolution greater than 4, 6 or 10 and, preferably, an infinite number.
  • the face 20 is here a circular face, the diameter of which is equal to the diameter of the heart 14.
  • the distal end also includes a face 22 which immediately surrounds the face 20 and which is produced in the sheath 16.
  • this face 22 is a planar annular face which completely surrounds the face 20 and which is located in the same plane as the face 20. This face 22 therefore extends over the entire cross section of the sheath 16.
  • the inner and outer diameters of this face 22 are therefore equal, respectively, to the diameters D i4 and D I6 .
  • the sensitive part 6 comprises a transducer material which generates photons when it is excited by the primary and / or secondary ionizing radiation.
  • this transducer material is a luminescent material 30.
  • This luminescent material 30 is entirely covered with a reflective layer 32, itself entirely covered with an amplifying layer 34.
  • the luminescent material 30 here has the shape of a drop fixed to the distal end of the fiber 4.
  • this drop has a large number of symmetries of revolution about the axis 12.
  • the top of this drop, furthest from face 20, is located on axis 12.
  • the luminescent material 30 directly and entirely covers the face 20. In addition, here, it also covers more than 50% or 70% of the surface of the face 22
  • the luminescent material 30 has, in this embodiment, the shape of a part of an ellipsoid, this ellipsoid part being between: - a section plane perpendicular to its length, and
  • section plane passes through the center of the ellipsoid. This section plane coincides with the plane containing the faces 20 and 22.
  • the maximum thickness of the luminescent material 30 corresponds here to the distance, along the axis 12, between the face 20 and the top of the drop. This maximum thickness is between 0.1D I4 and 3D I6 , where D i4 and D i6 are the diameters, respectively, of the core 14 and of the sheath 16. In this embodiment, the maximum thickness of the luminescent material 30 is for example between D i4 and 2D I6 . The maximum thickness of the luminescent material 30 is therefore between 50 ⁇ m and 250 ⁇ m.
  • the luminescent material 30 is a mixture of a polymer 38 and of scintillator 40.
  • the spatial resolution of the measurement carried out with the dosimeter 2 also depends on the size and the structure of the scintillator used.
  • the scintillator 40 is in the form of an aggregate of scintillator grains.
  • the greatest length of one of these scintillator grains is less than 40 ⁇ m or 10 ⁇ m.
  • the average length of each scintillator grain is 10 ⁇ m.
  • the polymer 38 is here a polymer capable of polymerizing and thus bonding the luminescent material 30 on the distal end of the fiber 4.
  • it is the polymer PMMA (Polymethyl methacrylate), or any other resin photosensitive used in microelectronics, or a polymer glue, or cyanolite.
  • the scintillator 40 is chosen according to the wavelength A f of the light that is to be generated in response to exposure to ionizing radiation 3. For example, in the case of a wavelength At f equal to 1550 nm, the following scintillator 40 is suitable: ln x Ga (ix) As, where the index X is equal to 0.45. This scintillator is sensitive to X-rays and, in particular, to low-energy X-rays.
  • Layer 32 is able to reflect the light emitted by the luminescent material 30 to return it, as much as possible, to the face 20.
  • the layer 32 is made of a material reflecting the light generated by the material. luminescent 30.
  • ⁇ reflecting the light is meant the fact that the layer in question reflects at least Z% of the light at the wavelength A f , where Z is a number greater than 50 and, of preferably greater than or equal to 90 or 95.
  • the layer 32 is made of a material transparent to radiation. ionizer which excites the luminescent material.
  • the term “transparent to ionizing radiation” denotes the fact that the layer in question allows at least Y% of the incident ionizing radiation to pass through, where Y is a number strictly greater than 50 and, preferably, greater than or equal to 80, 90. or 95.
  • the layer 32 is made of aluminum.
  • the thickness of the layer 32 is small, that is to say less than 10 ⁇ m and, preferably, less than 1 ⁇ m or 300 nm.
  • the thickness of layer 32 is also generally greater than 20nm or 50nm.
  • the thickness of the layer 32 is between 100nm and 300nm.
  • the thickness of the layer 32 is equal to 150 nm.
  • the layer 32 is deposited on the luminescent material 30 by a conventional deposition process such as by spraying or by evaporation. Depending on the deposition process used, a very thin bond layer is first deposited on the luminescent material 30. This bond layer is generally less than 20 nm thick.
  • the grip layer is made of titanium or chrome. Such a tie layer has not been shown in the figures to simplify them.
  • Layer 34 is able to interact with the primary ionizing radiation 3 to, in response, generate secondary ionizing radiation of lower energy.
  • the primary radiation 3 is of high energy
  • the secondary ionizing radiation is composed mainly of electron-positron pairs or of high energy X-rays emitted by the Compton effect.
  • this phenomenon is known as X-ray fluorescence and even better known by the acronym XRF ("X-Ray Fluorescence").
  • the luminescent material 30 is exposed, in addition to the ionizing radiation 3, to the secondary ionizing radiation generated by the layer 34.
  • luminescent material 30 generates more photons than if layer 34 were omitted.
  • Layer 34 therefore amplifies the number of photons generated, which increases the sensitivity of dosimeter 2.
  • the thickness e 3 4 must be greater than 15 ⁇ m and, preferably, greater than 30 ⁇ m or 50 ⁇ m.
  • the thickness e 3 4 is chosen so that the outer diameter of the sensitive part 6 in any plane perpendicular to the axis 12 does not much exceed the diameter D I8 .
  • the thickness e 34 is here chosen less than (Dis - D I4 ) / 2.
  • the thickness of the layer 34 is therefore chosen in this embodiment to be less than 85 ⁇ m.
  • the thickness e 34 is chosen to be less than 60 ⁇ m. In the figures, to improve their readability, the thicknesses of the different layers have not been shown to scale.
  • the atomic number from which the increase in the number of photons generated by the luminescent and significant material is No. 29, that is, the one corresponding to copper.
  • the term "heavy” denotes any material whose atomic number is greater than or equal to 29.
  • the atomic number of the material which makes up the layer 34 is preferably greater than or equal to 79, that is to say to that corresponding to gold.
  • the material chosen to make the layer 34 should allow deposition in the form of a layer as simple as possible to achieve.
  • the layer 34 is therefore made of gold or of lead or of silver or of an alloy of these metals.
  • the expression “an element made of material X” means that material X represents at least 70% or 90% or 95% of the mass of this element. Thus at least 70% and, preferably at least 90% or 95%, of the mass of the layer 34 is formed from these heavy materials.
  • the layer 34 is made of gold and its thickness e 34 is equal to 50 ⁇ m.
  • Layer 34 is deposited directly on layer 32, for example, by the same deposition methods as those described in the particular case of layer 32. It can also be deposited by other faster deposition methods and less expensive like electrolysis or an "electroless" deposit. So, possibly, a very thin bond layer, less than 20 nm thick, is interposed between layer 32 and layer 34.
  • the wavelength A f used corresponds to a wavelength conventionally used in the telecommunications industry.
  • the amplifier 8 is preferably an optical amplifier conventionally used in the telecommunications industry to amplify and repeat the light which propagates inside the optical fibers without having for this to transform the light to be amplified into a electrical signal.
  • An exemplary embodiment of such an amplifier is illustrated in FIG. 2.
  • the amplified optical signal is sent to the sensor 10 via an optical fiber 40.
  • the sensor 10 is able to transform the light intensity received into an electrical signal processed by the processing unit 12.
  • the sensor 10 is for example a photodiode or a photon sensor.
  • Unit 12 receives the electrical signal generated by sensor 10 and, in response, controls one or more electrical devices.
  • the controlled electrical device is a screen which displays the intensity of the ionizing radiation 3 measured by the dosimeter 2.
  • the controlled electrical device can also be the source of the ionizing radiation 3, which makes it possible, for example, to slaving the intensity of this ionizing radiation 3 to an intensity setpoint recorded in the unit 12.
  • FIG. 2 represents an exemplary embodiment of the optical amplifier 8.
  • the amplifier 8 is an erbium doped fiber amplifier. Such an amplifier performs optical pump amplification using EDFA ("Erbium Doped Fiber Amplifier") technology.
  • amplifier 8 includes:
  • an input port 50 connected to a laser source which generates an optical pumping signal at a wavelength A e equal, here, to 980 nm,
  • the amplifier 8 also comprises an optical coupler 58 comprising an input 60 connected to the port 50, an input 62 connected to the port 52 and an output 64 connected to a first end of a fiber 66 doped with erbium.
  • the coupler 58 combines the optical signals received on its inputs 60 and 62 and restores, on the output 64, an optical signal combining the two optical signals received at its inputs.
  • the second end of the fiber 66 is connected to an input 68 of an optical divider 70 which restores on an output 72 the optical pumping signal and on an output 74 the amplified optical signal.
  • the outputs 72 and 74 are connected, respectively, to the output ports 54 and 56.
  • FIG. 3 represents an optical fiber 80 and a sensitive part 82 which can be used instead, respectively, of the optical fiber 4 and of the sensitive part 6.
  • the optical fiber 80 is identical to the fiber 4 except that the entry face 20 is replaced by a conical entry face 84 and the face 22 is replaced by a frustoconical face 86.
  • the face 84 is, in this embodiment, identical to the face 20 except that it has the shape of a cone of revolution, the base of which is circular and the top is centered on the axis 12.
  • the face 84 therefore always has a very large number of symmetries of revolution around axis 12.
  • the distance along the axis 12 between the base of the cone and its apex is typically greater than or equal to 0.5D I4 or greater than or equal to D i4 or greater than or equal to 2D i4 . This distance is also typically less than 5D M OR 10D I4 . Here, this distance is equal to 150 ⁇ m.
  • the frustoconical face 86 is typically located in the extension, in a straight line, of the face 84 going in the X direction. Here, the face 86 therefore extends, by widening gradually, from the base of the cone. from the face 84 to the interface between the sheath 16 and the coating 18.
  • the heart 14 and at least part of the sheath 16 are cut to form a point.
  • a tip shape is for example obtained by chemical attack.
  • the end of the fiber 80 is dipped in a first bath, for example of sulfuric acid, which removes the coating 18 and bares the sheath 16. Then, the end exposed. bare of the sheath 16 is dipped in a second bath which dissolves the sheath 16 and the core 14 then gradually withdrawn from this second bath to obtain the desired tip shape.
  • the sensitive part 82 is identical to the sensitive part 6 except that the luminescent material 30, the reflective layer 32 and the amplifying layer 34 are replaced, respectively, by a luminescent material 90, a reflective layer 92 and an amplifying layer 94.
  • the luminescent material 90 is identical to the luminescent material 30 except that it covers the whole of the entry face 84 and, a part, of the frustoconical face 86.
  • the part of the frustoconical face 86 covered by the luminescent material 90 may represent less than 50% or less than 70% of the surface of the frustoconical face 86.
  • the reflective layer 92 is identical to the reflective layer 32 except that the latter completely covers the luminescent material 90.
  • the layer 92 also covers the portion of the frustoconical face 86 which is not covered by the luminescent material 90.
  • the amplifying layer 94 is identical to the amplifying layer 34 except that it completely covers the reflective layer 92 and not the reflective layer 32.
  • its thickness e 94 is adjusted so that, at the level of the distal end of the fiber 80, the outside diameter of the sensitive part 82 is equal to the diameter D i8 of the coating 18.
  • FIG. 4 shows an optical fiber 100 and a sensitive part 102 that can be used instead, respectively, of the optical fiber 4 and of the sensitive part 6.
  • the optical fiber 100 is identical to the fiber 4 except that the entry face 20 and the face 22 are replaced, respectively, by an entry face 104 and a face 106.
  • the sensitive part 102 is not located at the level of the distal end of the fiber 100 but at a non-zero distance from this end in the X direction. For example, this distance is included between 1 mm and 10 cm from the distal end.
  • a trench is dug in the outer periphery of the fiber 100. The bottom of this trench opens out inside the core 14 of the fiber 100 and forms the inlet face 104.
  • the cross section of the bottom of this trench in a plane containing the axis 12 and parallel to the X and Z directions, has a triangular profile.
  • the vertex of this triangle is the point of the bottom of the trench closest to the axis 12.
  • the sides of this triangle located to the right and to the left of the vertex form inclined faces which extend to the interface between the sheath 16 and coating 18.
  • the sensitive part 102 is identical to the sensitive part 6 except that the luminescent material 30, the reflective layer 32 and the amplifying layer 34 are replaced, respectively, by a luminescent material 110, a reflective layer 112 and an amplifying layer 114 .
  • the luminescent material 110 is identical to the luminescent material 30 except that it completely covers the entry face 104. In addition, here, the luminescent material 110 fills the bottom of the trench up to the level of the interface between the sheath 16 and the coating 18.
  • the reflective layer 112 and the amplifying layer 114 are identical, respectively, to the reflective layer 32 and to the amplifying layer 34 except that they cover, respectively, the luminescent material 110 and the reflective layer 112.
  • the thickness of the amplifying layer 114 is adjusted so that on the side opposite to the axis 12, it is flush with the outer periphery of the coating 18.
  • the teaching given in the previous embodiments can also be applied to dosimeters in which the sensitive part comprises a transducer material which generates electric charges when it is excited by the secondary ionizing radiation instead of photons.
  • Such dosimeters are referred to herein as "semiconductor dosimeters". They are also known by the term “electronic sensor” or “electronic detector” of the PIN or transistor or Schottky junction type.
  • FIG. 5 represents a possible example of an arrangement of such a dosimeter 160.
  • the architecture of the dosimeter 160 differs from that described with reference to FIG. 2 of application WO2017198630. mainly by the fact that it additionally comprises an amplifying layer.
  • the reader can consult this request.
  • the dosimeter 160 is a semiconductor sensor. More precisely, the dosimeter 160 comprises a sensitive part 170 situated on an axis 171 along which the primary ionizing radiation propagates. Here, it is centered on the axis 171. More precisely, in this embodiment, the sensitive part 170 is a cylinder of revolution whose axis of revolution coincides with the axis 171.
  • the sensitive part 170 has an input face 172 located in a vertical plane parallel to the X and Y directions of an orthogonal reference mark XYZ, where the Z direction is parallel to the axis 171.
  • the face 172 is directly exposed to primary ionizing radiation 166 incident.
  • the sensitive part 170 also comprises an exit face 174 situated in another vertical plane perpendicular to the axis 171. The portion of the beam 166 which has not interacted with the sensitive part 170, emerges from the dosimeter 160 via the face 174 and forms a beam 168.
  • the sensitive part 170 comprises a transducer material capable of generating electrical charges when it is traversed by the primary ionizing radiation.
  • the transducer material is a depletion region 176 also referred to as a "space charge zone". This region 176 produces charge carriers of a first type and charge carriers of a second type when it is crossed by the ionizing radiation 166. This region 176 is located between the face 172 and a boundary represented by a line. dotted line parallel to the Y direction in Figure 5.
  • the region 176 comprises a semiconductor layer 178 and a conductive layer 180 deposited directly on the face of the layer 178 facing the incident ionizing radiation 166.
  • the face 172 is here formed by the outer face of the layer 180 facing the incident ionizing radiation 166.
  • the face 174 of the sensitive part 170 is formed by the face of the layer 178 turned on the side opposite to the face 172.
  • Region 176 is located in the region of layer 178 in contact with conductive layer 180.
  • the combination of layers 178 and 180 forms a rectifying junction and more specifically a Schottky diode in this embodiment.
  • the semiconductor material used to make the layer 178 comprises two energy bands known by the terms, respectively, of "valence band” and "conduction band". In the case of semiconductor materials, these two energy bands are separated from each other by a forbidden band better known as the "gap".
  • the semiconductor material used to produce the layer 178 is a large-gap semiconductor material, that is to say a semiconductor material having a gap whose value is at least twice greater than the silicon gap value. Typically, the gap of the semiconductor material used for the layer 178 is therefore greater than 2.3 eV.
  • the layer 178 is made of silicon carbide SiC-4H.
  • the semiconductor layer 178 is additionally doped.
  • a P doping can be obtained. by implantation of boron atoms and, alternatively, an N doping can be obtained by implantation of nitrogen atoms.
  • the layers 178 and 180 extend transversely beyond the sensitive part 170 to form a peripheral part 184 which completely surrounds the sensitive part 170. Unlike the sensitive part 170, the peripheral part 184 is not crossed by the primary radiation 166.
  • the portion 186 of the conductive layer 180 which extends beyond the sensitive part 170 forms a first electrode which collects the charge carriers of the first type produced by the region 176. .
  • the thickness of the semiconductor layer 178 in the peripheral part forms the side walls of a blind hole 188, the bottom of which coincides with the face 174.
  • the face of the semiconductor layer 178 located on the side opposite to the face 172 is covered with a conductive layer 190.
  • the conductive layer 190 forms a second electrode which collects the carriers. charge of the second type produced by region 176.
  • the conductive layer 180 also acts as an amplifying layer.
  • it is composed of at least 70%, by mass, of conductive material whose atomic number is greater than or equal to twenty nine and its thickness is greater than 15 ⁇ m and, preferably, greater than 30 ⁇ m or 50. pm.
  • the conductive layer 180 is for example made of metal such as copper, zinc or gold. Its operation and design can be deduced from the explanations given in the previous embodiments.
  • the layer 180 is formed by stacking one on top of the other of several sub-layers each made of a different heavy material.
  • the thickness of each of these sublayers is, for example, greater than 15 ⁇ m or 30 ⁇ m or 50 ⁇ m.
  • the sublayers are stacked on top of each other in increasing order of the atomic numbers of the heavy materials of which they are made.
  • the sublayer composed of the heavy material with the lowest atomic number is closest to the transducer material.
  • the amplifying layer 180 comprises, in order, a sublayer 200 of gold then a sublayer 202 of copper.
  • this sublayer 200 absorbs the primary ionizing radiation and re-emits a secondary ionizing radiation of lower energy than primary ionizing radiation.
  • This secondary radiation is better suited to excite the next sublayer 202.
  • the next sublayer 202 When the next sublayer 202 is energized, it in turn generates secondary ionizing radiation of even lower energy. The energy of the secondary ionizing radiation and thus gradually reduced before reaching the transducer material. This makes it possible to increase the sensitivity of the dosimeter to the incident primary radiation 166.
  • the entry face can be frustoconical.
  • the entry face is not necessarily a cone of revolution either.
  • the entry face is a pyramidal cone.
  • the entry face can also have other shapes than a conical or frustoconical shape.
  • the entry face may have the shape of a cylinder of revolution, the end of which is intersected by a plane inclined with respect to the axis 12.
  • the axis of the cylinder of revolution. coincides with the axis 12.
  • Other embodiments for the coating 18 are possible. In particular, it will be noted that the smaller the diameter D i8 , the more it is possible to reduce the size of the sensitive part.
  • the outer diameter of the coating 18 is less than 100 ⁇ m or 80 ⁇ m or 60 ⁇ m.
  • the shape of the entry face and the thicknesses of the luminescent material, of the reflecting layer and of the amplifying layer are adapted so that the maximum outside diameter of the sensitive part remains less than or close to the diameter Dis.
  • the luminescent material also covers part of the sheath 16.
  • the luminescent material covers only part of the light entry face.
  • the luminescent material is a graft of luminescent material only deposited on the tip of the entry face 84 as described, for example, in article A1.
  • the luminescent material does not cover the entire face 82 and does not cover the sheath 16. It is possible to use other luminescent materials generating light at wavelengths A f other than those between 1360 nm and 1625 nm. In this case, the optical fiber must be adapted to have propagation losses that are as low as possible at the chosen wavelength A f.
  • the maximum thickness of the luminescent material 30, in the embodiment of FIG. 1, is between D i4 and D I6 .
  • the maximum thickness of the luminescent material 30 is less than diameter D i4 and greater than 1 ⁇ m.
  • scintillators 40 are known and can be used in place of scintillator 40.
  • the scintillator chosen depends in particular on the desired wavelength A f.
  • other scintillators which can be used with X-rays include barium platinocyanide, ZnS alloy doped with silver (Ag), Ag 2 S alloy doped with Europium (Eu ), the Gd 2 0 2 S alloy doped with Europium (Eu), the ZnWOs alloy, the Csl alloy doped with Europium (Eu), quantum dots ... etc.
  • the luminescent material is integrated inside the heart 14 of the optical fiber.
  • the distal end of the core 14 of the optical fiber is doped with a dopant which converts secondary ionizing radiation into light.
  • this dopant is Erbium.
  • the reflective layer is directly deposited on this distal end doped and the amplifying layer is deposited on the reflective layer.
  • the outer face of the doped distal end of the core 14 is exposed and the reflecting and amplifying layers are deposited on this exposed face.
  • the optical fiber does not have a light entry face since the light is directly generated by the dopant inside the core of the optical fiber.
  • the dosimeter thus obtained maintains excellent spatial resolution along the X and Y directions perpendicular to the incident ionizing radiation 3. It will be noted that what has been described above concerning the amplification using layer 34 remains valid. .
  • the addition of the amplifying layer increases the signal emitted by the doped end of the optical fiber.
  • the entire core 14 is doped with a dopant such as Erbium.
  • a dopant such as Erbium.
  • the reflecting and amplifying layers are deposited, for example, on a portion of the doped core 14. For example, this portion corresponds to the distal end of the heart 14. This latter embodiment makes it possible to obtain excellent spatial resolution but mainly in the Y direction.
  • the layer 32 can also be made from another metal or even using a stack of thin dielectric layers sized to reflect light.
  • the dosimeter comprises only an amplifying layer of lead or gold or copper or silver with a thickness greater than 15 ⁇ m.
  • the amplifying layer when the amplifying layer sufficiently reflects the light generated by the luminescent material, then in this case too, the reflective layer can be omitted.
  • the amplifying layer is made of metal.
  • a single layer of gold, silver or copper, with a thickness greater than 15 ⁇ m, fulfills both the functions of the amplifier and reflector layers.
  • the amplifying layer can be formed from other heavy materials than gold and lead.
  • the amplifying layer is made by a heavy metal selected from the group consisting of silver (Ag), tungsten (W), titanium (Ti), cobalt (Co), chromium (Cr), gold (Gold) and lead (Pb) .
  • the amplifying layer can also be made from any other heavy material commonly deposited in the electronics industry even if it is not a metal.
  • the amplifying layer is made from an alloy of several heavy materials and, for example, from an alloy of several heavy metals.
  • the amplifying layer is not necessarily formed from a single layer of heavy material.
  • the heavy metal of the sublayer closest to the scintillator comprises an element of the scintillator.
  • the scintillator is ZnS
  • the sublayer closest to this scintillator is made of Zinc. This allows the ultimate metallic layer closest to the scintillator to generate X photons that resonate with the scintillator's absorption.
  • Layer 34 is mainly made of heavy materials, that is to say that at least 70% and, preferably, at least 80% or 90% or 95%, of the mass of this layer 34 is formed of heavy materials.
  • the remaining proportion of layer 34 may, however, be formed by other materials with atomic number less than 29.
  • the thickness e 3 4 of the amplifying layer 34 can be chosen to be much greater than the limit (D I8 - D I4 ) / 2.
  • the thickness e 34 can be chosen to be greater than 250 ⁇ m or 500 ⁇ m or 1 millimeter.
  • the amplifying layer covers only a part of the reflective layer 32.
  • the amplifying layer covers only the tip of the layer 32.
  • the ionizing radiation 3 is an X-ray
  • any type of ionizing radiation can be adapted to the gamma ray or to charged particle radiation.
  • Radiation from charged particles is, for example, radiation from alpha, beta +, beta particles, carbon ions or protons.
  • the material of the amplifying layer 34 and / or the luminescent material 30 must be adapted to the incident ionizing radiation. More precisely, the material of the layer 34 must generate, in response to the incident ionizing radiation, a secondary radiation capable of exciting the luminescent material. Thus, it is not necessary for the luminescent material itself to be directly excitable by the incident ionizing radiation.
  • the incident ionizing radiation is a gamma ray of high energy
  • the material of the layer 34 is a material which generates lower energy rays when exposed to the high energy gamma ray. This latter embodiment is even advantageous in the case where several sensitive parts of several dosimeters are located next to each other because it limits the interference between these different sensitive parts.
  • the depletion region 176 can also be formed as a PN diode or a PiN diode or by the depletion region of a field effect transistor.
  • the addition of an amplifying layer in a semiconductor dosimeter applies to the different architectures of such a semiconductor dosimeter described in application WO2017198630A1.
  • the secondary ionizing radiation is generally an X-ray of lower energy, such as a low energy x-ray.
  • amplifier 8 is an SOA ("Semiconductor Optical Amplifer") amplifier.
  • measuring the intensity of ionizing radiation simply consists of detecting that the intensity of the ionizing radiation exceeds a predetermined threshold.
  • the sensitive parts of several identical dosimeters are grouped together in rows and columns to form a matrix of several sensitive parts.
  • each sensitive part measures the intensity of a pixel of an image of the spatial distribution of the intensity of the primary ionizing radiation.
  • the amplifying layer of the semiconductor dosimeter comprises a single amplifying layer. In this case, the amplifying layer of the semiconductor dosimeter does not include a stack of several amplifying sublayers.
  • Incident ionizing radiation especially when it is of high energy, reacts with the atoms of the material of the amplifying layer 34 to generate secondary ionizing radiation of lower energy.
  • the secondary ionizing radiation then in turn reacts with the transducer material to generate light or electrical charges.
  • the transducer material is exposed to a greater amount of low energy ionizing radiation than in the absence of the amplifying layer. It therefore produces a greater quantity of light or electric charges for the same intensity of the incident ionizing radiation than in the absence of this amplifying layer. The sensitivity of the dosimeter is therefore increased.
  • the amplifying layer is itself formed by a stack of several amplifying sublayers of decreasing atomic numbers as one gets closer to the transducer material makes it possible to further increase the sensitivity of the dosimeter compared to the case of a single-layer amplifying layer.
  • the principle of the amplifying layer is to adapt the primary ionizing radiation by transforming it into secondary ionizing radiation of lower energy which is more absorbed by the transducer material.
  • the dosimeter thus provides a stronger signal.
  • This principle of amplification using an amplifying layer made of heavy materials can therefore be used to increase the signal of any type of dosimeter sensitive to ionizing radiation such as a beam of electrons, positrons, X photons of high or low energy.
  • the combination of the amplifying layer with a reflective layer makes it possible to further increase the sensitivity of the dosimeter.
  • the fact of using an aluminum layer less than 300 nm thick as a reflective layer makes it possible to substantially increase the sensitivity of the dosimeter without substantially increasing the size of its sensitive part.
  • the fact that the thickness of the amplifying layer is less than 50 ⁇ m or 100 ⁇ m makes it possible to keep a very small space requirement for the fiber dosimeter. Under these conditions, in particular, the dimensions of the sensitive part remain compatible with endoscopy techniques. For example, it is then possible to place the sensitive part of the fiber dosimeter directly inside the tumor to be irradiated. This therefore makes it possible to better control the doses of radiation applied to the tumor.
  • the sensitive part of the dosimeter practically does not attenuate the ionizing radiation which must touch the tumor to be irradiated.
  • a small size of the sensitive part and of the distal end of the optical fiber makes it possible to practically not disturb the treatment.
  • the luminescent material is uniformly distributed around the axis 12 of the optical fiber makes it possible to obtain a fiber dosimeter which is not very sensitive to the angular position of its sensitive part around this axis 12.

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Abstract

Ce dosimètre comporte : - un matériau transducteur (30) apte, lorsqu'il est excité par un rayonnement ionisant secondaire, à générer des photons ou des charges électriques, - une couche amplificatrice (34) apte, en réponse à son excitation par le rayonnement ionisant primaire, à générer le rayonnement ionisant secondaire. Cette couche amplificatrice (34) comporte une première et une seconde sous- couches amplificatrices empilées l'une sur l'autre. La première et la seconde sous- couches amplificatrices sont composées d'au moins 70%, en masse, respectivement, d'au moins un premier et un second matériaux dont les numéros atomiques sont supérieurs ou égal à vingt neuf. Le numéro atomique du premier matériau étant inférieur au numéro atomique du second matériau. La première sous- couche est interposée entre la seconde sous-couche et le matériau transducteur.

Description

DOSIMETRE
[001] L’invention concerne un dosimètre.
[002] De tels dosimètres sont utilisés, par exemple, dans le domaine de la caractérisation des matériaux, telle que des soudures, ou dans le domaine médical et, en particulier, en radiothérapie ou en hadronthérapie. Par exemple, de tels dosimètres sont utilisés pour ajuster les dimensions du rayonnement ionisant dans le cas des traitements de petites tumeurs cancéreuses.
[003] Un tel dosimètre est par exemple décrit dans l’article suivant : Zhihua XIE et Al : "Ultracompact x-ray dosimeter based on scintillators coupled to a nano-optical antenna", Opitics Letters, vol. 42, n°7, 01/04/2017, page 1361-1364. Cet article est par la suite appelé "Article Al" dans cette demande.
[004] Le dosimètre décrit dans cet article Al est particulièrement avantageux en qu’il présente à la fois :
- un très faible encombrement, et
- une bonne sensibilité pour des rayonnements ionisants de faible énergie.
[005] Dans cette demande, on désigne par rayonnement ionisant de faible énergie un rayonnement ionisant dont l’énergie est inférieure à 100 keV. À l’inverse, on désigne par «· rayonnement de forte énergie », un rayonnement ionisant dont l’énergie est supérieure à 100 keV et, de préférence, supérieure à 1 MeV.
[006] Par contre, le dosimètre de l'article Al n'est pas adapté à la mesure des rayonnements ionisants de forte énergie car il présente une sensibilité trop faible à ce type de rayonnement ionisant.
[007] De l'état de la technique est également connu de :
- EP0851242A2,
- EP0703469A2,
- Zhihua Xie et Al : "Ultracompact x-ray dosimeter based on scintillators coupled to a nano-optical antenna", Optics Letters, vol. 42, n°7, 28/03/2017,
- JP2019028034A,
- W002/14904A1.
[008] L’invention vise à proposer un dosimètre qui présente une sensibilité améliorée aux rayonnements ionisants et, en particulier, aux rayonnements ionisants de forte énergie. Elle a donc pour objet un dosimètre pour la mesure de l’intensité d’un rayonnement ionisant primaire conforme à la revendication 1.
[009] L’invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d’exemple non limitatif et faite en se référant aux dessins sur lesquels :
- la figure 1 est une illustration schématique, partiellement en coupe transversale, d’un dosimètre ;
- la figure 2 est une illustration schématique d’un amplificateur optique utilisé dans le dosimètre de la figure 1 ;
- les figures 3 et 4 sont des illustrations schématiques partielles, en coupe longitudinale, d’autres modes de réalisation possibles du dosimètre de la figure 2;
- la figure 5 est une illustration schématique d'un dosimètre à semi-conducteur.
[0010] Dans ces figures, les mêmes références sont utilisées pour désigner les mêmes éléments. Dans la suite de cette description, les caractéristiques et fonctions bien connues de l’homme du métier ne sont pas décrites en détail.
[0011] Chapitre I : Exemples de modes de réalisation :
[0012] La figure 1 représente un dosimètre 2, connu sous le terme de "dosimètre fibré", pour mesurer l’intensité d’un rayonnement ionisant incident 3. Le rayonnement ionisant 3 est également appelé "rayonnement ionisant primaire". Ici, le dosimètre 2 est décrit dans le cas particulier où le rayonnement ionisant 3 est un rayon X de forte énergie. Le dosimètre 2 comporte :
- une fibre optique 4,
- une partie sensible 6 au rayonnement 3 située au niveau de l’extrémité distale de la fibre optique 4,
- un amplificateur optique 8 raccordé à l’extrémité opposée de la fibre 4,
- un capteur 10 de photons raccordé à une sortie de l’amplificateur 8, et
- une unité 12 de traitement des signaux mesurés par le capteur 10.
[0013] La fibre optique 4 est une fibre optique monomode ou multimode apte à guider des photons le long d’un axe 12 de propagation. Ici, l’axe 12 s’étend parallèlement à une direction X d’un repère orthogonal XYZ. Ici, la fibre 4 est une fibre commerciale pouvant transmettre toute longueur d’onde du proche ultraviolet à l’infrarouge. La bande passante de la fibre est choisie centrée sur la longueur d’onde de luminescence du matériau 30 décrit plus loin. Par exemple, la fibre 4 est ici conçue pour guider de la lumière présentant une longueur d’onde Af comprise entre
1 360 nm et 1 625 nm. Par exemple, dans ce mode de réalisation, la longueur d’onde Af est égale à 1 550 nm. Dans cette description, comme il est d'usage dans le domaine technique des fibres optiques, le terme "lumière" est utilisé dans un sens large qui désigne toute onde électromagnétique guidée par la fibre optique. En particulier, le sens du terme "lumière" n'est pas limité à la lumière visible.
[0014] La fibre 4 comporte dans l’ordre :
- un cœur 14 à l’intérieur duquel se propage la lumière,
- une gaine 16 qui enveloppe le cœur 14, et
- un revêtement 18 de protection qui enveloppe la gaine 16.
[0015] Ici, le matériau dans lequel est réalisé le cœur 14 est un matériau choisi pour présenter de faible perte par propagation à la longueur d’onde Af.
[0016] La résolution spatiale de la mesure effectuée avec le dosimètre 2 est liée, en outre, au diamètre Di4 du cœur 14. Par exemple, pour une application du dosimètre
2 en radiothérapie, une résolution spatiale de 100 pm est considérée comme suffisante à l’heure actuelle. Le diamètre Di4 du cœur 14 est généralement inférieur à 110 pm ou 70 pm et, dans le cas d’une fibre optique monomode, souvent inférieur à 20 pm. Le diamètre Di4 est généralement aussi supérieur à 1 pm ou 5 pm. Ici, le diamètre Di4 est égal à 50 pm et la fibre est de ce fait une fibre multimode.
[0017] La gaine 16 est réalisée dans un matériau dont l’indice de réfraction, par rapport à l’indice de réfraction du cœur 14, permet de guider et de maintenir efficacement la lumière à l’intérieur du cœur 14. L’épaisseur de la gaine 16 est aussi choisie pour guider et maintenir la lumière à l’intérieur du cœur 14. Ainsi, la lumière se propage essentiellement à l’intérieur du cœur 14. L'épaisseur de la gaine 16 est classiquement supérieure à 50 pm ou 100 pm. Le diamètre extérieur Di6 de la gaine 16 est habituellement compris entre 1,5DM et 5Di4 ou entre 2Di4 et 3Di4. Ici, le diamètre Di6 est égal à 125 pm.
[0018] Le revêtement 18 sert à protéger la gaine 16 et le cœur 14. Il est par exemple réalisé en polymère. L'épaisseur du revêtement 18 est classiquement supérieure à 50 pm ou 100 pm. Pour obtenir un faible encombrement de la partie sensible 6 du dosimètre 2, le diamètre Di8 extérieur du revêtement 18 est choisi inférieur à 500 pm ou à 250 pm. Le diamètre Di8 est souvent compris entre 1,5DI6 et 3DI6. Ici, le diamètre Di8 est égal à 220 pm. [0019] La fibre 4 s’étend depuis une extrémité proximale, fixée à une entrée de l’amplificateur 8, jusqu’à une extrémité distale fixée à la partie sensible 6. Typiquement, la longueur de la fibre 4 entre ses extrémités proximale et distale est supérieure à 20 cm ou 50 cm et habituellement inférieure à 10 m ou 5 m. Par exemple, la longueur de la fibre 4 est égale à 1,50 m.
[0020] L’extrémité distale de la fibre 4 comporte une face 20 d’entrée de lumière réalisée dans le cœur 14. Dans ce premier mode de réalisation, la face 20 est une face plane perpendiculaire à la direction X et qui s’étend sur la totalité de la section transversale du cœur 14. La face 20 présente de préférence un grand nombre de symétries de révolution autour de l’axe 12. Dans cette demande, par un grand nombre de symétries de révolution, on désigne un nombre de symétrie de révolution supérieur à 4, 6 ou 10 et, de préférence, un nombre infini.
[0021] La face 20 est ici une face circulaire dont le diamètre est égal au diamètre du cœur 14.
[0022] En plus de la face 20, l’extrémité distale comporte aussi une face 22 qui entoure immédiatement la face 20 et qui est réalisée dans la gaine 16. Ici, cette face 22 est une face annulaire plane qui entoure complètement la face 20 et qui est située dans le même plan que la face 20. Cette face 22 s’étend donc sur la totalité de la section transversale de la gaine 16. Les diamètres intérieur et extérieur de cette face 22 sont donc égaux, respectivement, aux diamètres Di4 et DI6.
[0023] La partie sensible 6 comporte un matériau transducteur qui génère des photons lorsqu’il est excité par le rayonnement ionisant primaire et/ou secondaire. Ici, ce matériau transducteur est un matériau luminescent 30. Ce matériau luminescent 30 est entièrement recouvert d’une couche réflectrice 32, elle-même entièrement recouverte d’une couche amplificatrice 34.
[0024] Le matériau luminescent 30 a ici la forme d’une goutte fixée sur l’extrémité distale de la fibre 4. De préférence, cette goutte présente un grand nombre de symétries de révolution autour de l’axe 12. Le sommet de cette goutte, le plus éloigné de la face 20, est situé sur l’axe 12.
[0025] Ici, le matériau luminescent 30 recouvre directement et entièrement la face 20. De plus, ici, il recouvre également plus de 50 % ou 70 % de la surface de la face 22
[0026] Le matériau luminescent 30 présente, dans ce mode de réalisation, la forme d’une partie d’un ellipsoïde, cette partie d’ellipsoïde étant comprise entre : - un plan de coupe perpendiculaire à sa longueur, et
- son sommet le plus éloigné de ce plan de coupe.
Sur l’illustration de la figure 1, le plan de coupe passe par le centre de l’ellipsoïde. Ce plan de coupe est confondu avec le plan contenant les faces 20 et 22.
[0027] L’épaisseur maximale du matériau luminescent 30 correspond ici à la distance, le long de l’axe 12, entre la face 20 et le sommet de la goutte. Cette épaisseur maximale est comprise entre 0,1DI4 et 3DI6, où Di4 et Di6 sont les diamètres, respectivement, du cœur 14 et de la gaine 16. Dans ce mode de réalisation, l’épaisseur maximale du matériau luminescent 30 est par exemple comprise entre Di4 et 2DI6. L’épaisseur maximale du matériau luminescent 30 est donc comprise entre 50 pm et 250 pm.
[0028] Ici, le matériau luminescent 30 est un mélange d’un polymère 38 et de scintillateur 40. La résolution spatiale de la mesure effectuée avec le dosimètre 2 dépend aussi de la taille et de la structure du scintillateur utilisé. Par exemple, ici, le scintillateur 40 se présente sous la forme d’un agrégat de grains scintillateurs. Par exemple, la plus grande longueur d'un de ces grains scintillateur est inférieure à 40 pm ou 10 pm. Ici, la longueur moyenne de chaque grains scintillateur est égale à 10 pm.
[0029] Le polymère 38 est ici un polymère apte à polymériser et ainsi coller le matériau luminescent 30 sur l’extrémité distale de la fibre 4. Par exemple, il s’agit du polymère PMMA (Polyméthacrylate de méthyle), ou toute autre résine photosensible utilisée en microélectronique, ou une colle polymère, ou cyanolite.
[0030] Le scintillateur 40 est choisi en fonction de la longueur d’onde Af de la lumière que l’on souhaite générer en réponse à une exposition au rayonnement ionisant 3. Par exemple, dans le cas d’une longueur d’onde Af égale à 1 550 nm, le scintillateur 40 suivant convient : lnxGa(i-x)As, où l’indice X est égal à 0,45. Ce scintillateur est sensible aux rayons X et, en particulier, aux rayons X de faible énergie.
[0031] La couche 32 est apte à réfléchir la lumière émise par le matériau luminescent 30 pour la renvoyer, autant que possible, vers la face 20. À cet effet, la couche 32 est réalisée dans un matériau réfléchissant la lumière générée par le matériau luminescent 30. Ici, par «· réfléchissant la lumière », on désigne le fait que la couche en question réfléchit au moins Z% de la lumière à la longueur d’onde Af, où Z est un nombre supérieur à 50 et, de préférence, supérieur ou égal à 90 ou 95. De plus, la couche 32 est réalisée dans un matériau transparent au rayonnement ionisant qui excite le matériau luminescent. Ici, par « transparent au rayonnement ionisant », on désigne le fait que la couche en question laisse passer au moins Y% du rayonnement ionisant incident, où Y est nombre strictement supérieur à 50 et, de préférence, supérieur ou égal à 80, 90 ou 95. Par exemple, la couche 32 est réalisée en aluminium.
[0032] L’épaisseur de la couche 32 est faible, c’est-à-dire inférieure à 10 pm et, de préférence, inférieure à 1 pm ou 300 nm. L’épaisseur de la couche 32 est également généralement supérieure à 20 nm ou 50 nm. Ici, l’épaisseur de la couche 32 est comprise entre 100 nm et 300 nm. Par exemple, l’épaisseur de la couche 32 est égale à 150 nm.
[0033] La couche 32 est déposée sur le matériau luminescent 30 par un procédé conventionnel de dépôt comme par pulvérisation ou par évaporation. Selon le procédé de dépôt mis en œuvre, une très fine couche d’accroche est d’abord déposée sur le matériau luminescent 30. Cette couche d’accroche a généralement une épaisseur inférieure à 20 nm. Par exemple, la couche d’accroche est réalisée en titane ou en chrome. Une telle couche d’accroche n’a pas été représentée sur les figures pour les simplifier.
[0034] La couche 34 est apte à interagir avec le rayonnement ionisant primaire 3 pour, en réponse, générer un rayonnement ionisant secondaire de plus faible énergie. Si le rayonnement primaire 3 est de forte énergie, le rayonnement ionisant secondaire est composé principalement de paires électrons-positrons ou de rayons X de forte énergie émis par effet Compton. Dans le cas où le rayonnement secondaire est un rayon X, ce phénomène est connu sous le terme de fluorescence à rayon X et encore plus connu sous l’acronyme XRF {«X-Ray Fluorescence »). [0035] À cause de la présence de la couche 34, le matériau luminescent 30 est exposé, en plus du rayonnement ionisant 3, au rayonnement ionisant secondaire généré par la couche 34. Ainsi, en réponse à la même intensité du rayonnement ionisant 3, le matériau luminescent 30 génère plus de photons que si la couche 34 était omise. La couche 34 amplifie donc le nombre de photons générés, ce qui accroît la sensibilité du dosimètre 2.
[0036] Il est admis que le rayonnement ionisant secondaire généré par la couche 34 augmente :
- en fonction du numéro atomique des atomes du matériau qui la compose, et
- de l’épaisseur e3 de cette couche 34. [0037] Pour augmenter de façon significative le nombre de photons générés par le matériau luminescent 30, il a été déterminé que l’épaisseur e34 doit être supérieure à 15 pm et, de préférence, supérieure à 30 pm ou 50 pm.
[0038] Par ailleurs, dans ce mode de réalisation, pour minimiser l’encombrement de la partie sensible 6, l’épaisseur e34 est choisie de manière à ce que le diamètre extérieur de la partie sensible 6 dans n’importe quel plan perpendiculaire à l’axe 12 ne dépasse pas beaucoup le diamètre DI8. Ainsi, l’épaisseur e34 est ici choisie inférieure à (Dis - DI4)/2. Par exemple, l’épaisseur de la couche 34 est donc choisie dans ce mode de réalisation inférieure à 85 pm. Ici, l'épaisseur e34 est choisie inférieure à 60 pm. Sur les figures, pour améliorer leur lisibilité, les épaisseurs des différentes couches n'ont pas été représentées à l'échelle.
[0039] Il a aussi été déterminé que le numéro atomique à partir duquel l’augmentation du nombre de photons générés par le matériau luminescent et significatif, est le n°29, c’est-à-dire celui correspondant au cuivre. Par la suite, on désigne par le terme "lourds" tout matériau dont le numéro atomique est supérieur ou égal à 29. Ici, puisque le phénomène de fluorescence par rayon X est généralement plus important dans les matériaux lourds que dans d’autres matériaux, le numéro atomique du matériau qui compose la couche 34 est, de préférence, supérieur ou égale à 79, c'est-à-dire à celui correspondant à l'or.
[0040] Enfin, de préférence, le matériau choisi pour réaliser la couche 34 doit permettre un dépôt sous forme de couche aussi simple que possible à réaliser.
[0041] Par exemple, le cuivre, l'argent, l’or et le plomb sont des métaux qui satisfont aux différentes contraintes exposées ci-dessus. Ici, à titre d’illustration, la couche 34 est donc réalisée en or ou en plomb ou en argent ou dans un alliage de ces métaux. Dans cette description, l’expression « un élément réalisé en matériau X » signifie que le matériau X représente au moins 70% ou 90 % ou 95% de la masse de cet élément. Ainsi au moins 70% et, de préférence au moins 90% ou 95%, de la masse de la couche 34 est formée de ces matériaux lourds. Ici la couche 34 est réalisée en or et son épaisseur e34 est égale à 50 pm.
[0042] La couche 34 est déposée directement sur la couche 32, par exemple, par les mêmes procédés de dépôt que ceux décrits dans le cas particulier de la couche 32. Elle peut aussi être déposée par d'autres procédés de dépôt plus rapides et moins coûteux comme l’électrolyse ou un dépôt "électroless". Ainsi, éventuellement, une très fine couche d’accroche, de moins de 20 nm d’épaisseur est interposée entre la couche 32 et la couche 34.
[0043] Ici, la longueur d’onde Af utilisée correspond à une longueur d’onde classiquement utilisée dans l’industrie des télécommunications. Ainsi, l’amplificateur 8 est, de préférence, un amplificateur optique classiquement utilisé dans l’industrie des télécommunications pour amplifier et répéter la lumière qui se propage à l’intérieur des fibres optiques sans avoir pour cela à transformer la lumière à amplifier en un signal électrique. Un exemple de réalisation d’un tel amplificateur est illustré sur la figure 2.
[0044] Le signal optique amplifié est envoyé au capteur 10 par l’intermédiaire d’une fibre optique 40. Le capteur 10 est apte à transformer l’intensité lumineuse reçue en un signal électrique traité par l’unité 12 de traitement. Le capteur 10 est par exemple une photodiode ou un capteur de photons.
[0045] L’unité 12 reçoit le signal électrique généré par le capteur 10 et, en réponse, commande un ou plusieurs appareils électriques. Par exemple, l’appareil électrique commandé est un écran qui affiche l’intensité du rayonnement ionisant 3 mesurée par le dosimètre 2. L’appareil électrique commandé peut aussi être la source du rayonnement ionisant 3, ce qui permet, par exemple, d’asservir l’intensité de ce rayonnement ionisant 3 sur une consigne d’intensité enregistrée dans l’unité 12. [0046] La figure 2 représente un exemple de mode de réalisation de l’amplificateur optique 8. Dans ce mode de réalisation, l’amplificateur 8 est un amplificateur à fibre dopée à l’erbium. Un tel amplificateur réalise une amplification par pompage optique à l’aide de la technologie EDFA (« Erbium Doped Fiber Amplifier »). Pour cela, l’amplificateur 8 comporte :
- un port d’entrée 50 raccordé à une source laser qui génère un signal optique de pompage à une longueur d’onde Ae égale, ici, à 980 nm,
- un port d’entrée 52 raccordé à l’extrémité proximale de la fibre 4 pour recevoir la lumière à amplifier,
- un port de sortie 54 par l’intermédiaire duquel le signal de pompage est évacué, et
- un port de sortie 56 directement raccordé à l’entrée du capteur 10.
[0047] L’amplificateur 8 comporte aussi un coupleur optique 58 comportant une entrée 60 raccordée au port 50, une entrée 62 raccordée au port 52 et une sortie 64 raccordée à une première extrémité d’une fibre 66 dopée à l’erbium. Le coupleur 58 combine les signaux optiques reçus sur ses entrées 60 et 62 et restitue, sur la sortie 64, un signal optique combinant les deux signaux optiques reçus sur ses entrées.
[0048] La seconde extrémité de la fibre 66 est raccordée à une entrée 68 d’un diviseur optique 70 qui restitue sur une sortie 72 le signal optique de pompage et sur une sortie 74 le signal optique amplifié. Les sorties 72 et 74 sont raccordées, respectivement, aux ports de sortie 54 et 56.
[0049] La figure 3 représente une fibre optique 80 et une partie sensible 82 susceptibles d’être utilisées à la place, respectivement, de la fibre optique 4 et de la partie sensible 6. La fibre optique 80 est identique à la fibre 4 sauf que la face d’entrée 20 est remplacée par une face d’entrée conique 84 et la face 22 est remplacée par une face tronconique 86.
[0050] La face 84 est, dans ce mode de réalisation, identique à la face 20 sauf qu’elle présente la forme d’un cône de révolution dont la base est circulaire et le sommet est centré sur l’axe 12. La face 84 présente donc toujours un très grand nombre de symétries de révolution autour de l’axe 12.
[0051] La distance le long de l’axe 12 entre la base du cône et son sommet est typiquement supérieure ou égale à 0,5DI4 ou supérieure ou égale à Di4 ou supérieure ou égale à 2Di4. Cette distance est également typiquement inférieure à 5DM OU 10DI4. Ici, cette distance est égale à 150 pm.
[0052] La face tronconique 86 se situe typiquement dans le prolongement, en ligne droite, de la face 84 en allant dans la direction X. Ici, la face 86 s’étend donc, en s’évasant progressivement, depuis la base du cône de la face 84 jusqu’à l’interface entre la gaine 16 et le revêtement 18.
[0053] Pour fabriquer la face 84, le cœur 14 et au moins une partie de la gaine 16 sont taillés pour former une pointe. Une telle forme de pointe est par exemple obtenue par attaque chimique. Par exemple, pour obtenir une telle pointe, l’extrémité de la fibre 80 est trempée dans un premier bain, par exemple d’acide sulfurique, qui élimine le revêtement 18 et met à nu la gaine 16. Ensuite, l’extrémité mise à nu de la gaine 16 est trempée dans un second bain qui dissout la gaine 16 et le cœur 14 puis retirée progressivement de ce second bain pour obtenir la forme de pointe souhaitée.
[0054] La partie sensible 82 est identique à la partie sensible 6 sauf que le matériau luminescent 30, la couche réflectrice 32 et la couche amplificatrice 34 sont remplacés, respectivement, par un matériau luminescent 90, une couche réflectrice 92 et une couche amplificatrice 94. Le matériau luminescent 90 est identique au matériau luminescent 30 sauf qu’il recouvre la totalité de la face d’entrée 84 et, une partie, de la face tronconique 86. Ici, la partie de la face tronconique 86 recouverte par le matériau luminescent 90 peut représenter moins de 50 % ou moins de 70 % de la surface de la face tronconique 86.
[0055] La couche réflectrice 92 est identique à la couche réflectrice 32 sauf que celle-ci recouvre complètement le matériau luminescent 90. Ici, la couche 92 recouvre aussi la portion de la face tronconique 86 qui n’est pas recouverte par le matériau luminescent 90.
[0056] La couche amplificatrice 94 est identique à la couche amplificatrice 34 sauf qu’elle recouvre totalement la couche réflectrice 92 et non pas la couche réflectrice 32. De plus, dans ce mode de réalisation, son épaisseur e94 est ajustée pour que, au niveau de l’extrémité distale de la fibre 80, le diamètre extérieur de la partie sensible 82 soit égal au diamètre Di8 du revêtement 18.
[0057] La figure 4 représente une fibre optique 100 et une partie sensible 102 susceptibles d’être utilisées à la place, respectivement, de la fibre optique 4 et de la partie sensible 6. La fibre optique 100 est identique à la fibre 4 sauf que la face d’entrée 20 et la face 22 sont remplacées, respectivement, par une face d’entrée 104 et une face 106.
[0058] Dans ce mode de réalisation, la partie sensible 102 n’est pas située au niveau de l’extrémité distale de la fibre 100 mais à une distance non nulle de cette extrémité dans la direction X. Par exemple, cette distance est comprise entre 1 mm et 10 cm de l’extrémité distale. Pour cela, une tranchée est creusée dans la périphérie extérieure de la fibre 100. Le fond de cette tranchée débouche à l’intérieur du cœur 14 de la fibre 100 et forme la face d’entrée 104. La section transversale du fond de cette tranchée, dans un plan contenant l’axe 12 et parallèle aux directions X et Z, présente un profil triangulaire. Le sommet de ce triangle est le point du fond de la tranchée le plus proche de l’axe 12. Les côtés de ce triangle situés à droite et à gauche du sommet forment des pans inclinés qui se prolongent jusqu’à l’interface entre la gaine 16 et le revêtement 18.
[0059] La partie sensible 102 est identique à la partie sensible 6 sauf que le matériau luminescent 30, la couche réflectrice 32 et la couche amplificatrice 34 sont remplacés, respectivement, par un matériau luminescent 110, une couche réflectrice 112 et une couche amplificatrice 114. [0060] Le matériau luminescent 110 est identique au matériau luminescent 30 sauf qu’il recouvre complètement la face d’entrée 104. De plus, ici, le matériau luminescent 110 remplit le fond de la tranchée jusqu’au niveau de l’interface entre la gaine 16 et le revêtement 18.
[0061] La couche réflectrice 112 et la couche amplificatrice 114 sont identiques, respectivement, à la couche réflectrice 32 et à la couche amplificatrice 34 sauf qu’elles recouvrent, respectivement, le matériau luminescent 110 et la couche réflectrice 112. Ici, l’épaisseur de la couche amplificatrice 114 est ajustée pour que du côté opposé à l’axe 12, elle affleure avec la périphérie extérieure du revêtement 18.
[0062] L'enseignement donné dans les modes de réalisation précédents peut aussi être appliqué aux dosimètres dans lesquels la partie sensible comporte un matériau transducteur qui génère des charges électriques lorsqu'il est excité par le rayonnement ionisant secondaire à la place de photons. De tels dosimètres sont appelés ici "dosimètre à semi-conducteur". Ils sont également connus sous le terme de "capteur électronique" ou "détecteur électronique" de type PIN ou transistor ou jonction Schottky. A titre d'illustration, la figure 5 représente un exemple possible d’agencement d'un tel dosimètre 160. Dans cet exemple de réalisation, l’architecture du dosimètre 160 se distingue de celle décrite en référence à la figure 2 de la demande WO2017198630 principalement par le fait qu'il comporte en plus une couche amplificatrice. Ainsi, pour plus de détail sur l’architecture du dosimètre 160 ou les différentes variantes d'une telle architecture, le lecteur peut consulter cette demande.
[0063] Le dosimètre 160 est un capteur à semi-conducteur. Plus précisément, le dosimètre 160 comporte une partie sensible 170 située sur un axe 171 le long duquel se propage le rayonnement ionisant primaire. Ici, elle est centrée sur l’axe 171. Plus précisément, dans ce mode de réalisation, la partie sensible 170 est un cylindre de révolution dont l’axe de révolution est confondu avec l’axe 171.
[0064] La partie sensible 170 présente une face 172 d’entrée située dans un plan vertical parallèle à des directions X et Y d'un repère orthogonal XYZ, où la direction Z est parallèle à l'axe 171. La face 172 est directement exposée au rayonnement ionisant primaire 166 incident. La partie sensible 170 comporte aussi une face 174 de sortie située dans un autre plan vertical perpendiculaire à l’axe 171. La portion du faisceau 166 qui n'a pas interagi avec la partie sensible 170, ressort du dosimètre 160 par la face 174 et forme un faisceau 168.
[0065] La partie sensible 170 comporte un matériau transducteur apte à générer des charges électriques lorsqu’il est traversé par le rayonnement ionisant primaire. Dans ce mode de réalisation, le matériau transducteur est une région 176 de déplétion également appelée « zone de charge d’espace ». Cette région 176 produit des porteurs de charge d’un premier type et des porteurs de charge d’un second type lorsqu’elle est traversée par le rayonnement ionisant 166. Cette région 176 est située entre la face 172 et une limite représentée par un trait en pointillés parallèle à la direction Y dans la figure 5.
[0066] Dans cet exemple, la région 176 comporte une couche semi-conductrice 178 et une couche conductrice 180 directement déposées sur la face de la couche 178 tournée vers le rayonnement ionisant 166 incident. La face 172 est ici formée par la face extérieure de la couche 180 tournée vers le rayonnement ionisant 166 incident. La face 174 de la partie sensible 170 est formée par la face de la couche 178 tournée du côté opposé à la face 172.
[0067] La région 176 est située dans la région de la couche 178 en contact avec la couche conductrice 180. L’association des couches 178 et 180 forme une jonction à effet redresseur et plus précisément une diode Schottky dans ce mode de réalisation.
[0068] Le matériau semi-conducteur utilisé pour réaliser la couche 178 comporte deux bandes d’énergie connues sous les termes, respectivement, de « bande de valence » et « bande de conduction ». Dans le cas des matériaux semi-conducteurs, ces deux bandes d’énergie sont séparées l’une de l’autre par une bande interdite plus connue sous le terme anglais de « gap ». De préférence, le matériau semi- conducteur utilisé pour réaliser la couche 178 est un matériau semi-conducteur à grand gap, c’est-à-dire un matériau semi-conducteur présentant un gap dont la valeur est au moins deux fois supérieure à la valeur du gap du silicium. Typiquement, le gap du matériau semi-conducteur utilisé pour la couche 178 est donc supérieur à 2,3 eV.
[0069] Ici, la couche 178 est réalisée en carbure de silicium SiC-4H. Ici, la couche semi-conductrice 178 est en plus dopée. Par exemple, lorsque la couche semi- conductrice 178 est réalisée en carbure de silicium, un dopage P peut être obtenu par implantation d’atomes de bore et, alternativement, un dopage N peut être obtenu par implantation d’atomes d’azote.
[0070] Dans ce mode de réalisation, les couches 178 et 180 s’étendent transversalement au-delà de la partie sensible 170 pour former une partie périphérique 184 qui entoure complètement la partie sensible 170. Contrairement à la partie sensible 170, la partie périphérique 184 n’est pas traversée par le rayonnement primaire 166. La portion 186 de la couche conductrice 180 qui s’étend au-delà de la partie sensible 170 forme une première électrode qui collecte les porteurs de charge du premier type produit par la région 176.
[0071] Ici, l’épaisseur de la couche semi-conductrice 178 dans la partie périphérique forme les parois latérales d’un trou borgne 188 dont le fond est confondu avec la face 174.
[0072] Enfin, uniquement dans la partie périphérique 184, la face de la couche semi- conductrice 178 située du côté opposé à la face 172 est recouverte d’une couche conductrice 190. La couche conductrice 190 forme une seconde électrode qui collecte les porteurs de charge du second type produit par la région 176.
[0073] Dans ce mode de réalisation, la couche conductrice 180 joue également le rôle de couche amplificatrice. A cet effet, elle est composée d'au moins 70%, en masse, de matériau conducteur dont le numéro atomique est supérieur ou égal à vingt neuf et son épaisseur est supérieure à 15 pm et, de préférence, supérieure à 30 pm ou 50 pm. La couche conductrice 180 est par exemple réalisée en métal telle que du cuivre, du zinc ou de l’or. Son fonctionnement et sa conception se déduit des explications données dans les modes de réalisation précédents.
[0074] De plus, dans ce mode de réalisation, la couche 180 est formée par un empilement les unes sur les autres de plusieurs sous-couches chacune réalisée dans un matériau lourd différent. L'épaisseur de chacune des ces sous-couches est, par exemple, supérieure à 15 pm ou 30 pm ou 50 pm. Dans ce cas, de préférence, les sous-couches sont empilées les unes sur les autres dans l'ordre croissant des numéros atomiques des matériaux lourds qui les composent. La sous-couche composée du matériau lourd de plus petit numéro atomique est la plus proche du matériau transducteur. Par exemple, la couche amplificatrice 180 comporte, dans l'ordre, une sous-couche 200 d'or puis une sous-couche 202 de cuivre. Dans ce cas, lorsque le rayonnement ionisant primaire arrive sur la sous-couche externe 200, cette sous-couche 200 absorbe le rayonnement ionisant primaire et réémet un rayonnement ionisant secondaire de plus faible énergie que le rayonnement ionisant primaire. Ce rayonnement secondaire est mieux adapté pour exciter la sous-couche 202 suivante. Lorsque la sous-couche 202 suivante est excitée, elle génère à son tour un rayonnement ionisant secondaire d'énergie encore plus faible. L'énergie du rayonnement ionisant secondaire et ainsi progressivement réduite avant d'atteindre le matériau transducteur. Cela permet d'augmenter la sensibilité du dosimètre au rayonnement primaire incident 166.
[0075] Chapitre II : Variantes :
[0076] Variantes de la fibre optique :
[0077] D’autres formes sont possibles pour la face d’entrée. Par exemple, la face d’entrée peut être tronconique. La face d’entrée n’est pas non plus nécessairement un cône de révolution. Par exemple, en variante, la face d’entrée est un cône pyramidal. La face d’entrée peut aussi avoir d’autres formes qu’une forme conique ou tronconique. Par exemple, la face d'entrée peut avoir la forme d’un cylindre de révolution dont l’extrémité est coupée par un plan incliné par rapport à l’axe 12. De préférence, dans ce cas, l’axe du cylindre de révolution est confondu avec l’axe 12. [0078] D’autres modes de réalisation pour le revêtement 18 sont possibles. En particulier, on notera que plus le diamètre Di8 est petit, plus il est possible de réduire l’encombrement de la partie sensible. Ainsi, en variantes, le diamètre extérieur du revêtement 18 est inférieur à 100 pm ou 80 pm ou 60 pm. Dans ce cas, la forme de la face d’entrée et les épaisseurs du matériau luminescent, de la couche réflectrice et de la couche amplificatrice sont adaptés pour que le diamètre extérieur maximal de la partie sensible reste inférieur ou proche du diamètre Dis.
[0079] Ce qui a été décrit ici permet de fabriquer des dosimètres ayant une résolution spatiale allant de 50 nm à 300 pm. Par exemple, pour des applications où les contraintes en terme d’encombrement sont relâchées, il est possible d’utiliser des fibres optiques, dans lesquelles le diamètre extérieur de la gaine 18 est supérieur à 250 pm ou 500 pm. De façon similaire, pour ces applications où les contraintes en terme d’encombrement sont relâchées, le diamètre du cœur 14 peut être augmenté et par exemple être supérieur à 120 pm ou 150 pm.
[0080] Variantes de la partie sensible :
[0081] Dans ce chapitre, les variantes sont principalement décrites dans le cas particulier d'un dosimètre fibré. Toutefois, les enseignements donnés dans ce cas particulier sont transposables sans difficulté particulière au cas d'un dosimètre à semi-conducteur.
[0082] En variantes, le matériau luminescent recouvre aussi une partie de la gaine 16.
[0083] En variantes, le matériau luminescent ne recouvre qu’une partie seulement de la face d’entrée de lumière. Par exemple, le matériau luminescent est un greffon de matériau luminescent seulement déposé sur la pointe de la face d’entrée 84 comme décrit, par exemple, dans l’article Al. Ainsi, dans ce mode de réalisation, le matériau luminescent ne recouvre pas la totalité de la face 82 et ne recouvre pas la gaine 16. [0084] Il est possible d’utiliser d’autres matériaux luminescents générant de la lumière à d’autres longueurs d’onde Af que celles comprises entre 1 360 nm et 1 625 nm. Dans ce cas, la fibre optique doit être adaptée pour présenter des pertes de propagation aussi faibles que possibles à la longueur d’onde Af choisie. Par exemple, ce qui a été décrit dans cette demande peut être appliqué au cas des matériaux luminescents générant de la lumière à une longueur d’onde comprise entre 350 nm et 2000 nm ou même en dehors de cette plage de longueurs d’onde. [0085] D’autres formes sont possibles pour la matériau luminescent 30. Par exemple, dans le mode de réalisation de la figure 1, la forme du matériau luminescent est une demi-sphère centrée sur l’axe 12. Dans un autre mode de réalisation, l’épaisseur maximale du matériau luminescent 30, dans le mode de réalisation de la figure 1, est comprise entre Di4 et DI6. Dans un autre mode de réalisation, l’épaisseur maximale du matériau luminescent 30 est inférieure au diamètre Di4 et supérieure à 1 pm.
[0086] D’autres scintillateurs 40 sont connus et utilisables à la place du scintillateur 40. Le scintillateur choisi dépend notamment de la longueur d’onde Af souhaitée. À titre d’exemple, d’autres scintillateurs utilisables avec des rayons X, on peut citer le platinocyanure de baryum, l'alliage ZnS dopé à l'argent (Ag), l'alliage Ag2S dopé à l'Europium (Eu), l'alliage Gd202S dopé à l'Europium (Eu), l'alliage ZnWOs, l'alliage Csl dopé à l'Europium (Eu), les quantum dots... etc.
[0087] Dans un mode de réalisation particulier, le matériau luminescent est intégré à l'intérieur du cœur 14 de la fibre optique. Par exemple, l'extrémité distale du cœur 14 de la fibre optique est dopée avec un dopant qui transforme le rayonnement ionisant secondaire en lumière. Par exemple, ce dopant est de l’Erbium. Dans ce mode de réalisation, la couche réflectrice est directement déposée sur cette extrémité distale dopée et la couche amplificatrice est déposée sur la couche réflectrice. Par exemple, pour cela, la face extérieure de l'extrémité distale dopée du cœur 14 est mise à nue et les couches réflectrice et amplificatrice sont déposées sur cette face mise à nue. Dans ce cas, la fibre optique ne comporte pas de face d'entrée de lumière puisque la lumière est directement générée par le dopant à l'intérieur du cœur de la fibre optique. Le dosimètre ainsi obtenu garde une excellente résolution spatiale le long des directions X et Y perpendiculaires au rayonnement ionisant incident 3. On notera que ce qui a été décrit ci-dessus au sujet de l’amplification à l’aide de la couche 34 reste valable. L'ajout de la couche amplificatrice augmente le signal émis par l'extrémité dopée de la fibre optique. Dans un autre mode de réalisation, c'est la totalité du cœur 14 qui est dopée avec un dopant tel que l'Erbium. Une telle fibre est alors connue sous le terme de "fibre dopée". Dans cette configuration, les couches réflectrice et amplificatrice sont déposées, par exemple, sur une portion du cœur 14 dopé. Par exemple, cette portion correspond à l'extrémité distale du cœur 14. Ce dernier mode de réalisation permet d'obtenir une excellente résolution spatiale mais principalement suivant la direction Y.
[0088] D'autres matériaux sont utilisables pour réaliser la couche réflectrice 32. Par exemple, la couche 32 peut aussi être réalisée dans un autre métal ou encore à l'aide d'un empilement de fines couches diélectriques dimensionnées pour réfléchir la lumière.
[0089] Lorsque la couche amplificatrice suffit à elle-seule pour provoquer la génération d'une quantité suffisante de photons qui pénètrent à l’intérieur du cœur 14, alors la couche réflectrice 32 est omise. Par exemple, en variante, le dosimètre comporte seulement un couche amplificatrice en plomb ou en or ou en cuivre ou en argent d'épaisseur supérieure à 15 pm.
[0090] Dans un autre mode de réalisation, lorsque la couche amplificatrice réfléchit suffisamment la lumière générée par le matériau luminescent, alors dans ce cas là aussi, la couche réflectrice peut être omise. C'est par exemple le cas lorsque la couche amplificatrice est réalisée en métal. Par exemple, dans un mode de réalisation simplifié, une seule couche en or, en argent ou en cuivre, d'épaisseur supérieur à 15 pm, remplit à la fois les fonctions des couches amplificatrice et réflectrice.
[0091] La couche amplificatrice peut être formée d’autres matériaux lourds que l’or et le plomb. Par exemple, la couche amplificatrice est réalisée par un métal lourds choisi dans le groupe constitué de l'argent (Ag), du tungstène (W), du titane (Ti), du cobalt (Co), du chrome (Cr), de l'or (Or) et du plomb (Pb). La couche amplificatrice peut aussi être réalisée dans tout autre matériau lourd couramment déposé dans l’industrie de l’électronique même s'il ne s'agit pas d'un métal.
[0092] Dans un autre mode de réalisation, la couche amplificatrice est réalisée dans un alliage de plusieurs matériaux lourds et, par exemple, dans un alliage de plusieurs métaux lourds.
[0093] Comme illustré dans le cas particulier du mode de réalisation de la figure 5, la couche amplificatrice n'est pas nécessairement formée d'une seule couche de matériau lourd. Cela s'applique aussi au cas des dosimètres fibrés. De préférence, dans le cas des dosimètres fibrés, le métal lourd de la sous-couche la plus proche du scintillateur comporte un élément du scintillateur. Par exemple, si le scintillateur est du ZnS, alors la sous-couche la plus proche de ce scintillateur est réalisée en Zinc. Ceci permet à l’ultime couche métallique la plus proche du scintillateur de générer des photons X en résonance avec l’absorption du scintillateur.
[0094] La couche 34 est principalement réalisée en matériaux lourds, c'est-à-dire qu'au moins 70% et, de préférence, au moins 80% ou 90% ou 95%, de la masse de cette couche 34 est formée de matériaux lourds. La proportion restante de la couche 34 peut cependant être formée par d'autres matériaux dont le numéro atomique est inférieur à 29.
[0095] S’il n’existe pas de contrainte particulière d’encombrement, l’épaisseur e34 de la couche amplificatrice 34 peut être choisie beaucoup plus grande que la limite (DI8 - DI4)/2. Par exemple, l’épaisseur e34 peut être choisie supérieure à 250 pm ou 500 pm ou 1 millimètre.
[0096] Dans un autre mode de réalisation, la couche amplificatrice ne recouvre qu’une partie seulement de la couche réflectrice 32. Par exemple, la couche amplificatrice recouvre uniquement la pointe de la couche 32.
[0097] Ce qui a été décrit dans le cas particulier où le rayonnement ionisant 3 est un rayon X, s’applique à tout type de rayonnement ionisant. Par exemple, ce qui a été décrit ici peut être adapté au rayon gamma ou aux rayonnements de particules chargées. Les rayonnements de particules chargées sont par exemple les rayonnements de particule alpha, beta+, beta-, d’ions carbones ou de proton. Dans ces cas, le matériau de la couche amplificatrice 34 et/ou le matériau luminescent 30 doivent être adaptés au rayonnement ionisant incident. Plus précisément, le matériau de la couche 34 doit générer, en réponse au rayonnement ionisant incident, un rayonnement secondaire apte à exciter le matériau luminescent. Ainsi, il n'est pas nécessaire que le matériau luminescent soit lui-même directement excitable par le rayonnement ionisant incident. En fait, il suffit qu'il soit sensible au rayonnement ionisant secondaire généré par la couche amplificatrice 34. A titre d'illustration, dans le cas où le rayonnement ionisant incident est un rayon gamma de forte énergie, il est possible de choisir un matériau luminescent uniquement sensible aux rayons X. Dans ce cas, le matériau de la couche 34 est un matériau qui génère des rayons de plus faibles énergies lorsqu'il est exposé au rayon gamma de forte énergie. Ce dernier mode de réalisation est même avantageux dans le cas où plusieurs parties sensibles de plusieurs dosimètres sont situées les unes à côté des autres car il limite les interférences entre ces différentes parties sensibles.
[0098] Autres variantes :
[0099] De nombreux autres modes de réalisation du dosimètre 160 sont possibles. Par exemple, la région 176 de déplétion peut aussi être formée sous la forme d’une diode PN ou d’une diode PiN ou par la région de déplétion d’un transistor à effet de champ. En particulier, l'ajout d'une couche amplificatrice dans un dosimètre à semi- conducteur s'applique aux différentes architectures d’un tel dosimètre à semi- conducteur décrites dans la demande WO2017198630A1.
[00100] Ce qui a été décrit ici s'applique aussi au cas où le rayonnement ionisant primaire est un rayonnement ionisant de faible énergie, Dans ce dernier cas, le rayonnement ionisant secondaire est généralement un rayon X de plus faible énergie, tel qu'un rayon X de faible énergie.
[00101] D’autres modes de réalisation de l’amplificateur 8 sont possibles. Par exemple, en variantes, l’amplificateur 8 est un amplificateur SOA (« Semiconductor Optical Amplifer »).
[00102] En variantes, la mesure de l’intensité du rayonnement ionisant consiste simplement à détecter que l’intensité du rayonnement ionisant dépasse un seuil prédéterminé.
[00103] Dans un mode de réalisation particulier, les parties sensibles de plusieurs dosimètres identiques sont regroupés en lignes et en colonnes pour former une matrices de plusieurs parties sensibles. Dans ce cas, chaque partie sensible mesure l'intensité d'un pixel d'une image de la répartition spatiale de l'intensité du rayonnement ionisant primaire. [00104] Dans un mode de réalisation particulier, la couche amplificatrice du dosimètre à semi-conducteur comporte une seule couche amplificatrice. Dans ce cas, la couche amplificatrice du dosimètre à semi-conducteur ne comporte pas un empilement de plusieurs sous-couches amplificatrices.
[00105] Chapitre III : Avantages des modes de réalisation décrits :
[00106] Un rayonnement ionisant incident, surtout lorsqu’il est de forte d’énergie, réagit avec les atomes du matériau de la couche amplificatrice 34 pour générer un rayonnement ionisant secondaire d’énergie plus faible. Le rayonnement ionisant secondaire réagit alors à son tour avec le matériau transducteur pour générer de la lumière ou des charges électriques. Ainsi, à cause de la présence de la couche amplificatrice, le matériau transducteur est exposé à une quantité de rayonnement ionisant de faible énergie plus importante qu’en absence de la couche amplificatrice. Il produit donc une quantité de lumière ou de charges électriques plus importante pour la même intensité du rayonnement ionisant incident qu’en absence de cette couche amplificatrice. La sensibilité du dosimètre est donc accrue.
[00107] Le fait que la couche amplificatrice soit elle même formée par un empilement de plusieurs sous-couches amplificatrices de numéros atomiques décroissants au fur et à mesure que l'on se rapproche du matériau transducteur permet d'augmenter encore plus la sensibilité du dosimètre par rapport au cas d'une couche amplificatrice monocouche.
[00108] Le principe de la couche amplificatrice est d’adapter le rayonnement ionisant primaire en le transformant en un rayonnement ionisant secondaire de plus faible énergie qui est davantage absorbé par le matériau transducteur. Le dosimètre fournit ainsi un signal plus important. Ce principe d’amplification à l'aide d'une couche amplificatrice réalisée en matériaux lourds peut donc être utilisé pour augmenter le signal de tout type de dosimètres sensibles à un rayonnement ionisant comme un faisceau d'électrons, de positrons, de photons X de haute ou basse énergie.
[00109] La combinaison de la couche amplificatrice avec une couche réflectrice permet d'augmenter encore plus la sensibilité du dosimètre.
[00110] Le fait d'utiliser une couche d'aluminium de moins de 300 nm d'épaisseur en tant que couche réflectrice, permet d'augmenter substantiellement la sensibilité du dosimètre sans augmenter de façon substantielle l'encombrement de sa partie sensible. [00111] Le fait que l’épaisseur de la couche amplificatrice soit inférieure à 50 pm ou 100 pm permet de conserver un très faible encombrement du dosimètre fibré. Dans ces conditions, en particulier, les dimensions de la partie sensible restent compatibles avec les techniques de l’endoscopie. Par exemple, il est alors possible de placer la partie sensible du dosimètre fibré directement à l’intérieur de la tumeur à irradier. Cela permet donc de mieux maîtriser les doses de radiation appliquées sur la tumeur. De plus, la partie sensible du dosimètre n’atténue pratiquement pas le rayonnement ionisant qui doit toucher la tumeur à irradier. Ainsi, un tel faible encombrement de la partie sensible et de l’extrémité distale de la fibre optique permet de ne pratiquement pas perturber le traitement.
[00112] L’utilisation d’or ou de plomb pour réaliser la couche amplificatrice simplifie la fabrication du dosimètre car ces deux métaux peuvent facilement être déposés en couches successives par des procédés conventionnels de fabrication. [00113] Le fait que le matériau luminescent recouvre la totalité de la face d’entrée accroît la sensibilité du dosimètre fibré.
[00114] Le fait que la face d’entrée s’étend sur plus de 20 pm ou 100 pm dans la direction X permet également d’augmenter la sensibilité du dosimètre fibré.
[00115] Le fait de conformer la face d’entrée pour qu’au moins 50 % des photons générés par le matériau luminescent pénètre à l'intérieur du cœur de la fibre optique permet encore d’accroître encore plus la sensibilité du dosimètre fibré. [00116] Le fait que la face d’entrée adopte la forme d’un cône ou d’un tronc de cône augmente la proportion de photons qui pénètrent dans le cœur de la fibre optique par rapport à la quantité de photons générés par le matériau luminescent. De plus, puisqu’il s’agit d’un cône ou d’un tronc de cône présentant un grand nombre de symétrie de révolution, la sensibilité du dosimètre fibré est pratiquement indépendante de la position angulaire de sa partie sensible autour de l’axe 12.
[00117] Le fait que le matériau luminescent soit uniformément réparti autour de l'axe 12 de la fibre optique permet d'obtenir un dosimètre fibré peu sensible à la position angulaire de sa partie sensible autour de cet axe 12.

Claims

REVENDICATIONS
1. Dosimètre pour la mesure de l’intensité d’un rayonnement ionisant primaire, ce dosimètre comportant :
- un matériau transducteur (30; ; 90; 110; 176) apte, lorsqu’il est excité par un rayonnement ionisant secondaire, à générer des photons ou des charges électriques, le nombre de photons ou de charges générés étant représentatif de l'intensité du rayonnement primaire,
- une couche amplificatrice (34; 94; 114; 180) apte, en réponse à son excitation par le rayonnement ionisant primaire, à générer le rayonnement ionisant secondaire qui excite le matériau transducteur, cette couche amplificatrice :
- étant déposée sur le matériau transducteur,
- étant composée d'au moins 70%, en masse, de matériau dont le numéro atomique est supérieur ou égal à vingt neuf, caractérisé en ce que :
- l’épaisseur de cette couche amplificatrice est supérieure à 15 pm,
- la couche amplificatrice comporte au moins une première et une seconde sous- couches amplificatrices empilées l'une sur l'autre,
- la première et la seconde sous-couches amplificatrices sont composées d'au moins 70%, en masse, respectivement, d'au moins un premier et un second matériaux dont les numéros atomiques sont supérieurs ou égal à vingt neuf, le numéro atomique du premier matériau étant inférieur au numéro atomique du second matériau, et
- la première sous-couche est interposée entre la seconde sous-couche et le matériau transducteur.
2. Dosimètre selon la revendication 1, dans lequel le dosimètre comporte :
- une fibre optique (4; 80; 100) comportant un cœur (14) apte à guider de la lumière, et
- le matériau transducteur est un matériau luminescent (30; 90; 110) apte, lorsqu’il est excité par le rayonnement ionisant secondaire, à générer la lumière guidée par le cœur de la fibre optique.
3. Dosimètre selon la revendication 2, dans lequel le dosimètre comporte une couche réflectrice (32; 92; 112) interposée entre le matériau luminescent et la couche amplificatrice, cette couche réflectrice :
- recouvrant le matériau luminescent,
- étant réalisée dans un matériau dont le numéro atomique est inférieur au numéro atomique du matériau utilisé pour réaliser la couche amplificatrice,
- étant apte à réfléchir la lumière générée par le matériau luminescent vers le cœur de la fibre optique, et
- étant transparente au rayonnement ionisant secondaire.
4. Dosimètre selon la revendication 3, dans lequel la couche réflectrice est réalisée en aluminium et son épaisseur maximale est inférieure à 300 nm.
5. Dosimètre selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l’épaisseur de la couche amplificatrice (34; 94; 114) est inférieure à 100 pm ou 50 pm.
6. Dosimètre selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la seconde sous-couche amplificatrice (34; 94; 114) est réalisée en or ou en plomb ou dans un alliage composé à plus de 90 %, en masse, par ces deux métaux.
7. Dosimètre selon la revendication 2, dans lequel la fibre optique présente une face (20; 84; 104) d’entrée de lumière à l'intérieur du cœur (14) de cette fibre optique et le matériau luminescent (30; 90; 110) recouvre au moins une partie de cette face d’entrée.
8. Dosimètre selon la revendication 7, dans lequel le matériau luminescent (30; 90; 110) recouvre la totalité de la face d’entrée de lumière.
9. Dosimètre selon la revendication 8, dans lequel la face d’entrée (80; 100) s’étend, dans une direction parallèle à l’axe de la fibre optique, sur une distance supérieure à 20 pm ou 100 pm.
10. Dosimètre selon l’une quelconque des revendications 7 à 9, dans lequel la face d’entrée (80; 100) est conformée de manière à ce que plus de 50 % des photons générés par le matériau luminescent pénètrent dans le cœur de la fibre optique.
11. Dosimètre selon la revendication 10, dans lequel la face d’entrée (80) de la lumière comporte une face conique ou tronconique présentant au moins quatre symétries de révolution autour de l’axe de la fibre optique et située dans le prolongement du cœur de la fibre optique.
12. Dosimètre selon l’une quelconque des revendications 7 à 11, dans lequel le matériau luminescent (30; 90; 110) présente plus de dix symétries de révolution autour de l’axe de la fibre optique.
13. Dosimètre selon l’une quelconque des revendications 7 à 12, dans lequel le diamètre extérieur de la fibre optique est inférieur à 500 pm.
14. Dosimètre selon l’une quelconque des revendications 7 à 13, dans lequel le dosimètre comporte un amplificateur optique (8) raccordé à une extrémité de la fibre optique (4) et apte à amplifier la lumière générée par le matériau luminescent.
15. Dosimètre selon la revendication 1, dans lequel :
- le matériau transducteur est un matériau semi-conducteur (176) apte, lorsqu’il est excité par le rayonnement ionisant secondaire, à générer des charges électriques, et
- le dosimètre comporte des électrodes (186, 190) pour capter les charges électriques produites par le matériau semi-conducteur, l'intensité du courant entre ces électrodes étant représentative de l'intensité du rayonnement ionisant primaire qui traverse ce matériau semi-conducteur.
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