La présente invention concerne la détection et la localisation de rayonnements neutres, et notamment de rayonnements gamma mous et de rayonnements , cette application n'étant toutefois par limitative.

On connaît déjà de nombreux dispositifs destinés à localiser les sources de rayonnements et a en four¬ nir une image visible. Ces dispositifs ont trouvé une application importante dans le domaine médical où ils sont notamment utilisés pour déterminer in vivo la répartition dans un organe d'un élément qui est soit un radio-isotope, soit un élément émettant des rayon¬ nements X provoqués par fluorescence X. La présente invention vise à fournir un procédé et un dispositif de localisation de rayonnements neu¬ tres fournissant une résolution spatiale satisfaisante pour la plupart des applications médicales, et une réso¬ lution en énergie qui ne peut être atteinte par les dé- tecteυrs à gaz basés sur les compteurs proportionnels, ou par les compteurs à scintillation. Seuls les détec¬ teurs à état solide peuvent rivaliser en résolution en énergie, mais le détecteur décrit permet la réalisation de grandes surfaces qui ne peuvent être atteintes à des prix accessibles par les scintillateurs solides, tels que ceux des "gamma caméras". _.

Dans ce but, l'invention propose notamment un pro¬ cédé de détection et de localisation de rayonnements neutres incidents, en particulier de rayonnements gamma mous et de rayonnements X, suivant lequel on provoque la formation de photoélectrons par action du rayonne¬ ment incident sur des atomes de gaz contenus dans une enceinte, on fait dériver les électrons, à l'aide d'un champ électrique, vers un espace soumis à un champ électrique de valeur suffisante pour qu'il y ait créa¬ tion de photons par excitation d'atomes du gaz et re-

OMPI

2 tour de ces atomes à l'état désexcité; on recueille les photons, à travers une fenêtre transparente, sur une couche d'un matériau de conversion desdits photons en scintillations dans le spectre UV proche ou visible, et on localise le barycentre des scintillatiç s sur la couche, par exemple au moyen de photomultiplicateurs ou de détecteurs à ionisation.

L'invention propose un dispositif de détection et de localisation comprenant (généralement en aval d'un collimateur présentant un réseau de trous d'entrée) une enceinte étanche munie d'une fenêtre d'entrée transparente aux rayonnements incidents, . occupée par un gaz fournissant, par interaction avec le rayonnement incident, des photoélectrons, et munie d*électrodes de création d'un champ électrique de dérive des électrons vers un espace de création de photons secondaires. Cet espace sera en général délimité, dans ladite en¬ ceinte, par des électrodes de création d'un champ élec¬ trique de valeur suffisante pour provoquer la formation de photons secondaires, en général dans l'ultra-violet lointain, par excitation des atomes du gaz qui occupe l'enceinte et retour de ces atomes à l'état désexcité.

Les photons secondaires traversent une fenêtre de sortie associée à des moyens permettant de localiser l'origine de ces photons secondaires. Ces moyens de localisation d'origine peuvent être constitués par une couche de matériau de conversion des photons en scin¬ tillations dans le spectre ultra-violet proche ou dans le visible et des photomultiplicateurs disposés suivant un réseau régulier face à la couche, associés à un cir¬ cuit de calcul analogique ou numérique mettant par exem¬ ple en oeuvre des microprocesseurs.

Pour les énergies de rayonnement γ .supérieures à 20 eV, la scintillation primaire, créée par le photo- électron produit lors de l'absorption du rayonnement γ , est suffisamment intense pour être détectée par les photomultiplicateurs.

On dispose alors de deux signaux : le signal pri¬ maire instantané et le signal différé produit lors du - passage des électrons d'ionisation dans l'espace de création de photons secondaires. Le temps qui sépare ces deux signaux est proportionnel à la distance par¬ courue par les électrons d'ionisation et donne donc la profondeur du point d'absorption du rayonnement neutre.

Ceci est très important pour les applications où la source d'émission des rayonnements neutres est ponctuelle; ce cas est celui des caméras dites à sté- nopée, fréquemment désignées par le terme anglo-saxon de "pinhole caméra" ou de la diffraction de rayonne¬ ments γ ou de neutrons, par exemple par des cristaux de faible dimension. Dans le cas de sources de neutrons lents,- le gaz pourrait être constitué d'hélium 3 qui se prête bien, comme tous les gaz nobles, au phénomène d'émission stimulée par le champ électrique. Dans ce cas, la scin¬ tillation primaire serait particulièrement facile à détecter en raison de l'énergie élevée des noyaux de recul produits par l'absorption du neutron. La mesure du temps séparant la scintillation primaire de la scintillation stimulée différée rend inutile la pré¬ sence d'électrodes produisant des potentiels cylindri- ques ou sphériques.

Les espaces- de création des photoélectrons, de dérive et de formation des photons secondaires, seront en général occupés par au moins un gaz noble, la com¬ position et la pression de l'atmosphère des espaces étant choisies en fonction de l'énergie des rayonne¬ ments incidents. A titre d'exemple, on pourra utiliser, dans l'ensemble d'enceintes, du xénon à une pression de 1 atmosphère pour détecter des rayonnements X de 6 à 50 keV; du xénon à 5 atmosphères si l'énergie est comprise entre 1 et 30 keV. L'épaisseur de l'espace de formation de photoélectrons joue évidemment un rôle dans l'absorption des rayonnements incidents. Dans la

pratique, on choisira en général une valeur comprise entre 5 et 20 cm.

L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit d'un dispositif qui en cons- titue un mode particulier de réalisation donné à titre d'exemple non limitatif. La description se réfère aux dessinsqui l'accompagne, dans lequel-:

- la figure 1 est un schéma de principe du dispositif, en coupe suivant un plan passant par son axe; - la figure 2 est un schéma de principe à grande échel¬ le destiné à faire apparaître le fonctionnement du dis¬ positif;

- la figure 3 montre sché atiquement la variation d'in¬ tensité I du rayonnement dû à deux radio-isotopes en fonction de l'énergie E, à proximité de pics d'émis¬ sion;

- la figure 4, ^" similaire à la figure 1, montre une variante de réalisation;

- la figure 5 montre schématiquement (l'échelle n'étant pas respectée) l'échelonnement dans le temps des scin¬ tillations primaire et secondaire dues à un même rayon¬ nement.

Le dispositif montré en figure 1 peut être re¬ gardé comme constitué de deux parties .distinctes, la première étant destinée à la formation des photons se¬ condaires et la seconde partie à la localisation des points de formation.

La première partie comporte une enceinte étan- che 10 qui, dans le mode ^" - ^" de réalisation illustré, comporte une paroi latérale constituée d'anneaux em¬ pilés et fixés les uns aux autres de façon étanche, une fenêtre d'entrée 11 et une fenêtre de sortie 12. La fenêtre d'entrée 11 est en matériau opaque à la lumière, d'épaisseur et de nombre atomique suffisam- ment faibles pour être transparent aux rayonnements incidents (rayonnements X par exemple) . Cette fenêtre d'entrée pourra être en matière plastique (mylar par

exemple) ou en alliage léger. Si l'enceinte est occupée par un gaz sous pression, la fenêtre d'entrée 11 devra - évidemment avoir une épaisseur suffisante pour résister aux forces qui s'exercent sur elle. Dans la pratique toutefois, on peut éviter l'apparition de contraintes excessives dans la fenêtre d'entrée 11 en la plaçant en appui contre le collimateur 13, constitué par une plaque épaisse percée de trous parallèles ou conver¬ gents, qui est de toute façon nécessaire dans la plu- part des cas.

Lors du fonctionnement, on doit maintenir dans l'enceinte une atmosphère sèche de gaz noble dont la composition et la pression sont choisies en fonction de l'énergie des rayonnements à détecter. Dans ce but, l'un des anneaux constituant la paroi latérale- de l'en¬ ceinte est muni de raccords 14 de liaison avec un cir¬ cuit fermé (non représenté) comportant un four chauffé à une température entre 400°C et 700°C, un échangeur de refroidissement du gaz à la sortie du four et une pompe de circulation. Le four est occupé par un réduc¬ teur (calcium en copeaux par exemple) et maintenu à une température suffisante pour réaliser la purification nécessaire. A ce circuit fermé est associée une bou¬ teille de gaz de réserve. L'enceinte est divisée, par des électrodes de transparence élevée aux rayonnements neutres et aux électrons, en trois espaces successifs.

Un premier espace constitue chambre de création de photoélectrons et chambre de dérive. Ce premier es- pace, désigné par 15 sur la figure 2, a une épaisseur suffisante pour convertir une fraction importante du rayonnement neutre incident en photoélectrons. Dans la pratique, son épaisseur sera en général de quelques centimètres. Il est soumis à un champ électrique faible, de 1 à quelques centaines de volts par centimètre, destiné à provoquer la dérive des photoélectrons et des électrons supplémentaires qu'ils produisent par

_0MP1_ Λ, W1P0 ^v

δ ionisation, vers le second espace. Dans le mode de réa¬ lisation illustré en figure 1, ces électrodes compren- - nent une première électrode constituée par la fenêtre d'entrée 11 elle-même (dont la face arrière est métal- lisée si elle est en matériau isolant), portée à la masse, puis'des électrodes annulaires 16 portées à des potentiels successifs échelonnés et, enfin, une grille à taux de vide élevé 17.

Le second espace, désigné par 18 sur la figure 2, est destiné à provoquer la création de rayonnements dans le spectre ultra-violet lointain par excitation des atomes neutres du gaz qui occupe l'ensemble de l'enceinte 10, puis désexcitation de ces atomes. Le champ électrique, établi entre les électrodes 17 et 20 qui délimitent le second espace, doit être suffisant pour qu'il y ait excitation des atomes neutres, mais suffisamment faible pour éviter l'apparition d'une ionisation permanente. Dans la pratique, on utilisera un champ électrique de quelques kilovolts par centi- mètre.

Enfin, un troisième espace (21 sur la figure 2) est délimité par l'électrode 20 et la fenêtre de sor¬ tie 12. L'espace 21 est avantageusement soumis a un champ électrique faible, de sens opposé à celui qui règne dans l'espace 18, pour éviter que des électrons ayant traversé l'espace 18 ne puissent venir frapper la fenêtre 12. Ce champ électrique peut être créé entre l'électrode 20 et un revêtement métallique transparent de la face interne de la fenêtre 12. La fenêtre 12 est en matériau transparent aux rayonnements UV lointain créés dans l'espace 18, en quartz en général. Les photons UV provenant de l'espace 18 et qui ont traversé l'espace 20, frappent une cou¬ che mince de matériau convertisseur de fréquence 22 revêtant la face externe de la fenêtre. Ce matériau, constitué en général par une substance aromatique telle que le P-terphényl ou le P-quaterphényl convertit les

photons UV lointain en photons dans l'UV proche ou le visible. Dans la variante de réalisation montrée en figure 2, la couche est placée sur la face externe de la fenêtre. Il faut noter au passage que cette fenêtre 5 de sortie peut être beaucoup plus mince que le cristal scintillateur d'une caméra gamma et qu'elle ne provo¬ que donc pas une perte de résolution comparable.

La couche de matériau convertisseur peut être regardée comme l'organe d'entrée de la seconde partie

10 du dispositif, destinée à la localisation. Cette se¬ conde partie comprend plusieurs tubes photomultipli¬ cateurs répartis régulièrement face à la _. fenêtre de sortie, de façon a observer les scintillations dans la couche de matériau convertisseur. Dans le mode de réa-

15 lisation illustré sur la figure 1, il est prévu un tube photomultiplicateur central 23 entouré par une couronne de photomultiplicateurs 24, au nombre de six par exemple. Si l'on utilise une enceinte de grand diamètre, on peut être amené à utiliser une couronne

20 supplémentaire externe. Dans chaque cas, le nombre de couronnes de photomultiplicateurs sera choisi pour per¬ mettre une évaluation du barycentre des rayonnements émis avec une précision suffisante.

Les photomultiplicateurs sont associés à un cir-

25. cuit permettant d'évaluer l'emplacement d'émission du rayonnement neutre incident. La localisation peut s'ef¬ fectuer par calcul du rapport des signaux fournis par les différents tubes photomultiplicateurs 23 et 24. Il n'est pas nécessaire de décrire ici un cir-

30 cuit permettant d'effectuer la localisation. En effet, il peut s'agir d'un circuit analogique du type large¬ ment utilisé à l'heure actuelle dans les caméras gamma. Dans la plupart des cas, il sera utile d'évaluer également l'énergie du rayonnement neutre incident. Il

35 suffit pour cela de sommer les impulsions fournies par tous les photomultiplicateurs en réponse à un même événement. La résolution en énergie que l'on

obtenir, et qui permet d'effectuer une discrimination, est bien meilleure que celle obtenue dans un compteur " à fil ou dans un appareil utilisant un cristal scin- tillateur. Les avantages apportés par cette sélectivité en énergie améliorée apparaissent sur la figure 3 ^' sur laquelle 30, 31 et 32 désignent respectivement les cour¬ bes représentatives des pics d'émission pour un premier et un second radio-isotopes et du spectre. de diffusion Comp on dû à ces isotopes, contenus dans la source à étudier.

On peut notamment discriminer l'image due a la radiation monochromatique issue du premier radio-iso ope^ d'énergie E. , de l'image provenant du spectre de diffu- sion Compton. On peut ainsi avoir une représentation moins floue et plus contrastée de la répartition du radio-isotope dans la source.

Pour cela, il suffit d'appliquer les signaux ^' de sortie du sommateur ^' à un analyseur ulticanaux compor- tant une fenêtre de simulation E. . Le signal de sortie de l'analyseur est appliqué à l'entrée de commande d'une porte associée au circuit de localisation et seules sont prises en compte les informations correspondant à la fenêtre d'énergie. On peut également former simultanément les ima¬ ges provenant de 'deux radio-isotopes dont les rayonne¬ ments ont des pics E^ et E ₂ voisins. Pour cela, on uti¬ lisera encore des analyseurs multi-canaux de fenêtre (figure 3). Une application importante de ce _. dernier mode de mise en oeuvre de l'invention consiste dans la forma¬ tion simultanée de l'image de deux organes voisins ayant fixé des radio-isotopes distincts (foie et pancréas par exemple) . Les avantages apportés par l'invention apparais¬ sent immédiatement si l'on compare la quantité de lumiè¬ re obtenue par ionisation du gaz noble dans .l'espace 15

à celle qui est obtenue dans un cristal scintillateur. . A perte d'énergie égale, la quantité de lumière obtenue- est environ 100 fois plus grande.

De plus, on arrive à une résolution en plan qui peut aisément atteindre 2 mm, alors qu'on ne dépasse guère 10 mm dans le cas d'une caméra utilisant un cris¬ tal scintillateur épais.

A titre d'exemple, on peut indiquer les caracté¬ ristiques suivantes, qui sont celles d'un dispositif destiné à la détection et à la localisation de rayonne¬ ments X provenant d'un radio-isotope ou d'un élément excité par fluorescence. L'espace 15 avait une épaisseur de 5 cm et était soumis à un champ électrique de l'or¬ dre de 500 V/cm. L'espace 18, de 7 mm d'épaisseur, était délimité par des électrodes entre lesquelles régnait une différence de potentiel de 4000 volts. La couche de matériau convertisseur était constituée par un dépôt de

100θΛg/cm 2 d'épaisseur de P-terphényl.

Le mode de réalisation de l'invention illustré en figure 1 comporte un collimateur multi-trou 13 grâce auquel seuls les rayonnements X ou ^' gamma sensible¬ ment parallèles à l'axe peuvent pénétrer dans la chambre de création des photoélectrons. Pour une direction de rayonnement donnée, les coordonnées x_, PL ^ ^u point où apparaîtra une scintillation sur la couche de conver¬ tisseur 22 ne dépendront pas de la longueur du parcours du rayonnement incident dans là chambre de création des photoélectrons avant absorption.

Il n'en est pas de même lorsqu'on utilise, au lieu d'un collimateur multi-trou, un collimateur sténo- péique, dit "pin-hole". Un dispositif incorporant un tel collimateur est montré sur la figure 4, où les or¬ ganes correspondant à ceux de la figure 1 portent le même numéro de référence, affecté de l'indice _a_. Selon que la conversion du rayonnement X incident aura lieu en M ou en M', les coordonnées en plan et _y_ du point N où apparaîtra la scintillation seront différentes.^..-—— _* -_ _^^

L'invention permet d'effectuer une correction de normalisation par détermination de _z, puis application - à 1 et _y_ d'un facteur d'échelle fonction de _z. Pour cela il est nécessaire de mesurer _z. Cette mesure cs possi- ble sans adjonction d'organes de détection supplémen¬ taires, dans la mesure où le rayonnement X provenant de la source (créé soit par fluorescence, soit par radio-activité) présente une énergie supérieure à un seuil de l'ordre de 10 keV et surtout 20 keV. Au point M, le rayonnement X donne naissance à un photoélectron qui produit, par ionisation du gaz noble, un paquet d'électrons qui dérivent le long des lignes de force du champ électrique e^ , jusqu'à l'espace 18_a de création du rayonnement secondaire, puis, sous l'ef- fet du champ e ₂ , jusqu'au point P. Dès l'instant de création du paquet d'électrons en M, il se produit une luminescence ou scintillation primaire dans le gaz noble. En réponse à cette luminescence, les photo- multiplicateurs 23_a et 24ja fournissent un signal à l'ins- tant t . Lorsque le paquet d'électrons arrive au point P, il produit une luminescence secondaire d'intensité directement proportionnelle au champ électrique e ₂ , à un instant t^ (figure 5), P sera dans la majeure partie des cas pratiquement confondu avec le plan de la grille 17_a. La distance _z sera la somme de l'épaisseur entre 17. et 22_a et du produit de (t^-t ) par la vitesse de dérive des électrons dans l'espace où règne le champ électrique e..

La mesure de ^ et de _y_ s'effectuera uniquement par traitement du signal de luminescence secondaire apparu à l'instant t . , beaucoup plus intense que le premier. Le calcul de correction s effectuera de façon classique, soit par voie analogique, soit par voie numérique. Connaissant les coordonnées _x _> _y_ et ^_ du point de conversion M par rapport au trou 33 du collimateur 13_§_, on peut reconstituer l'image exacte de la projec

tion de la source à travers le trou 33 sur une surface donnée, plane par exemple, en effectuant :

- la correction de l'efficacité de conversion avec l'inclinaison du rayon incident par rapport à l'axe de l'appareil, due à la différence d'épaisseurs des gaz traversés suivant l'inclinaison,

- la correction de projection de telle sorte qu'un rayonnement X provenant d'un point-objet ne donne qu'un point d'image. L'invention est susceptible de nombreuses variantes de réalisation. En particulier, on peut, au lieu d'uti¬ liser des électrodes planes, utiliser des électrodes de création d'un champprésentant une symétrie cylindrique Ou une symétrie de révolution (comme décrit par exemple dans, la demande de brevet français n° 2 363 117). Les tubes photomultiplicateurs peuvent être associés, non plus à un circuit analogique de calcul, mais à un cir¬ cuit numérique qui a l'avantage, surtout dans le cas d'un dispositif à grand nombre de photomultiplicateurs, de permettre un équilibrage beaucoup plus facile.

Il faut encore noter que la détection de la lumi¬ nescence induite dans le gaz des détecteurs peut se . faire dans tout le spectre électromagnétique depuis l'ultraviolet jusqu'à l'infrarouge, bien que l'on n'ait fait référence ci-dessus qu'à un fonctionnement en ultraviolet. Mais., lorsque l'appareil est occupé par un gaz sous pression élevée (10 à ^' 20 bars), il peut être plus avantageux d'utiliser la lumière produite dans le rouge et l'infrarouge.