La présente invention concerne notamment un dispositif pour la détection et la localisation de particules dans un flux d particules neutres émises par une source, comprenant:

- un convertisseur solide sensiblement plan, propre, sous l'impact de ces particules neutres, à produire des charges électriques, ce convertisseur comprenant des éléments de conversion électriquement autonomes les uns par rapport aux autres;

- des fils anodiques, destinés à être portés à un potentiel électrique différent de celui du convertisseur pour faire appaitre un champ électrique, et à produire une amplificatio des charges par ionisation d'un gaz environnant, stimulée pa ce champ électrique;

- des moyens de collectage de charges, comprenant des éléments conducteurs électriquement autonomes les uns par rapport aux autres, dont certains au moins constituent des éléments de conversion; et,

- une enceinte perméable aux particules neutres, renfermant le convertisseur, les fils anodiques, les moyens de collectage de charges, et le gaz.

Un dispositif de ce type est décrit dans la demande de breve européen publiée sous le numéro 0 000 271.

Bien que ce dispositif antérieur permette la réalisation directe d'images bidi ensionnelles, sa conception repose sur la recherche d'une optimisation de l'efficacité dans certaines applications particulières au détriment d'une optimisation de la résolution.

Le but de la présente invention est au contraire de permettr la réalisation d'images de résolution supérieure et de permettre, à titre secondaire, l'obtention d'un haut

contraste, même dans des conditions a priori défavorables d'irradiation de l'objet à examiner, et plus particulièremen en cas de taux de conversion médiocres et/ou en présence de flux de particules incidentes de faible intensité.

A cette fin, le dispositif de l'invention, est essentiellement caractérisé en ce que lesdits éléments de conversion propres à assurer également le collectage de charges sont constitués de cellules réparties suivant une matrice bidimensionnelle plane disposée au delà des fils anodiques par rapport à la source.

Grâce à cette disposition, les images obtenues par le dispositif de l'invention ont une résolution supérieure à celle des images obtenues par le dispositif antérieur décrit dans le brevet EP 0 000 271, dont la matrice bidimensionnell est formée par deux plans parallèles d'éléments linéaires également parallèles les uns aux autres, les éléments de de plans différents étant cependant croisés.

En effet cette disposition antérieure, en raison de l'espacement des deux plans qui forment ensemble la matrice bidimensionnelle, et de l'erreur de parallaxe qui en résult introduit pour tout rayonnement non perpendiculaire à la matrice des déformations différentes des images partielles récupérées sur les deux plans, dont résulte une altération sensible de la résolution.

Selon un mode de réalisation avantageux de l'invention, le convertisseur comprend une plaque isolante dont une face porte lesdites cellules, cette plaque comportant, pour chaq cellule, une traversée mettant cette cellule en contact électrique avec un conducteur aboutissant sur l'autre face cette plaque.

Selon une disposition en soit connue, il est préférable pour l'invention que les fils anodiques soient disposés dans au moins un plan sensiblement parallèle à celui du convertisseur, et soient sensiblement parallèles les uns aux autres.

Compte tenu de la disposition adoptée dans l'invention, il est préférable, pour obtenir une bonne efficacité, que les cellules comprennent un matériau de conversion choisi dans le groupe comprenant le gadolinium, le bore, et le lithium, dans le cas où les particules neutres utilisées sont des neutrons et que les cellules comprennent un matériau de conversion choisi dans le groupe comprenant le fer, et l'argent dans le cas où les particules neutres utilisées sont des rayons X, en particulier des X mous.

Dans les cas où, quelqu'en soit la cause, le taux de comptage des particules est faible, il est avantageux que le gaz contienne une substance d'extinction présente dans une proportion d'au moins 25 pourcent et que le rapport de la distance "S" entre deux fils anodiques voisins, à la distance "G" entre ces fils et le convertisseur, soit au moins égal à 1.

Ces caractéristiques autorisent le dispositif à fonctionner selon un mode connu de l'homme de l'art sous la dénomination anglo-saxonne de "self-quenching streamer mode", caractérisé par l'apparition d'avalanches électroniques s'empilant jusqu'à une taille critique du nuage de charges, pour laquelle elles s'étouffent.

Les avantages particuliers, que ce mode de fonctionnement par ailleurs connu développe dans l'application spécifique qu'en fait l'invention, seront mieux compris dans la description détaillée de celle-ci.

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De préférence, l'un au moins des éléments de collectage de charges est relié à un potentiel électrique de référence par l'intermédiaire d'une capacité propre à accumuler les charge collectées par cet élément.

Une telle intégration des charges contribue à compenser les effets négatifs associés aux flux de particules à faible ta de comptage.

De préférence, le dispositif comprend aussi une source de tension propre à créer entre la cathode et les fils anodiqu une tension électrique au moins égale à 2000 volts, et les fils anodiques ont un diamètre minimum supérieur à 20 microns.

L'invention concerne aussi un procédé pour détecter et localiser des particules dans un flux de particules neutres émises par une source, comprenant les opérations consistant à:

- recevoir ces particules sur un convertisseur solide sensiblement plan, et produire ainsi des charges électrique à partir de ces particules neutres;

- amplifier ces charges par ionisation stimulée d'un gaz environnant; et

- collecter, sur le convertisseur, en différents emplacemen espacés les uns des autres, les charges présentes dans au moins un plan sensiblement parallèle au convertisseur; ce procédé étant principalement caractérisé en ce que lesdits emplacements constituent une matrice bidimensionnelle plane

Dans le cas de faibles taux de comptage, l'opération d'amplification de charges comprend de préférence l'application d'un champ électrique de valeur suffisante po permettre l'apparition d'avalanches électroniques à taille auto-régulée.

Le procédé peut avantageusement comprendre une autre opération, consistant à accumuler pendant un certain temps les charges électriques collectées.

De préférence, la conversion des particules neutres en charges électriques est assurée avec un taux de conversion tel que le nombre de particules détectées est inférieur à 10 ⁵ particules par seconde et par centimètre carré de surface du convertisseur.

Ce procédé est particulièrement adapté, pour des raisons q seront détaillées dans la suite de la description, à l'utilisation de neutrons thermiques en tant que particule neutres.

D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront clairement de la description qui en est faite ci-après, à titre indicatif et nullement limitatif, en référence aux dessins annexés, parmi lesquels:

- la figure 1 est une vue schématique représentant, en perspective, la mise en oeuvre d'un dispositif conforme à 1'invention;

- la figure 2 est une vue schématique éclatée d'un disposi conforme à l'invention; et

- la figure 3 est une vue en coupe d'un dispositif de détection utilisable dans le système de la figure 1, faite suivant le plan III-III de la figure 2;

La figure 1 représente en 1 une source de particules neutr par exemple une source de rayons X mous, mais plus typiquement une source de neutrons thermiques dans les applications principales de l'invention.

Une partie au moins du flux de particules émis par cette source traverse un objet à examiner 2 et parvient au dispositif 3 sur lequel porte plus particulièrement la présente invention.

Comme le montre plus en détail la figure 2, ce dispositif comprend tout d'abord une enceinte, destinée à renfermer u gaz et formée d'une embase 4a et d'un couvercle 4b rendus solidaires l'un de l'autre de façon étanche vis-à-vis de l'atmosphère, le couvercle 4b étant en revanche perméable particules neutres émises par la source 1, aux neutrons pa exemple.

Le gaz contenu dans l'enceinte est un mélange gazeux autorisant l'apparition d'un mode de fonctionnement "streamer", autrement dit l'apparition d'avalanches d'électrons dont la taille est auto-régulée par étouffemen spontané.

A cette fin, ce gaz comprend une substance d'extinction (quencher) efficace, constituée de molécules carbonées et polyatomiques comportant de nombreux modes de relaxation, que l'isobutane ou le neopentane, en proportion d'au moin pourcent.

Par exemple, ce gaz peut être *un mélange de 50 pourcent d gaz carbonique et de 50 pourcent d'isobutane, soumis à un pression de l'ordre de un à cinq bars.

A l'intérieur de l'enceinte, et parallèlement à l'embase sont disposés:

- un convertisseur solide sensiblement plan 5, propre, so l'impact de ces particules neutres, à produire des charge électriques;

- un réseau plan 6 de fils conducteurs tels que 6a, 6b, disposé parallèlement au convertisseur et à distance de celui-ci;

- et, de préférence, une grille plane de fils conducteurs 7, elle-même disposée à distance du réseau 6.

Le convertisseur 5 et la grille plane sont reliés à un potentiel électrique de référence, et sont par exemple porté à des potentiels voisins du potentiel de la terre régnant à l'extérieur de l'enceinte, l'un et l'autre jouant le rôle de cathodes.

Les fils du réseau plan 6 sont en revanche reliés à une source externe de potentiel électrique qui délivre un potentiel positif + V par rapport aux potentiels moyens du convertisseur 5 et de la grille 7, par exemple de l'ordre de 2000 à 7000 volts.

Le convertisseur 5 comprend une plaque isolante 8, mieux visible sur la figure 3, et une matrice bidimensionnelle de cellules, telles que 9a, 9b, 9c, disposées sur une face de l plaque δ.

Chacune des cellules, telles que 9a, est destinée à fournir un signal représentant un point d'une image bidimensionnelle de 1'objet 2.

Chacune des cellules fonctionne donc indépendamment de ses voisines, et l'image obtenue est constituée d'une matrice de points dont chacun correspond à l'une de ces cellules.

L'intensité lumineuse associée à un point de l'image dépend de la quantité de particules reçues par la cellule correspondante, cette quantité étant elle-même dépendante de l'épaisseur et de la nature du matériau dont est fait l'obje dans l'angle solide délimité par la source d'une part et par la cellule en question d'autre part.

Le fonctionnement du dispositif est illustré sur la figure 3.

Le trajet ondulé Tl représente celui d'une particule neutre, un neutron par exemple, qui, après avoir été émise par la source 1 et traversé l'objet 2, le couvercle 4b du détecteur, la grille 7 et le plan de fils 6, atteint une cellule 9c du convertisseur 5.

Frappée par cette particule neutre, la cellule 9c, constitué d'un matériau adéquat^ émet de façon statistiquement observable et reproductible un électron rapide dont la trajectoire est représentée en T2.

En traversant l'enceinte, cet électron rapide provoque l'ionisation du gaz sur son parcours, et les électrons ainsi produits dérivent vers le fil le plus proche, par exemple 6c du réseau 6 sous l'effet du champ électrique résultant de la différence entre les potentiels du convertisseur 5 et du pla de fils 6. Ce mouvement est repéré par les flèches telles qu T3 sur la figure 3.

Parvenus à quelques diamètres du fil 6c, ces électrons sont très violemment accélérés par le champ électrique, dont la valeur augmente considérablement au voisinage immédiat du fil.

Ils acquièrent alors suffisamment d'énergie pour ioniser le gaz à leur tour, provoquant ainsi une amplification électronique.

Selon une caractéristique de l'invention, cette amplificatio correspond à un mode de fonctionnement dans lequel apparaissent des avalanches d'électrons dont la taille est auto-régulée.

Ce phénomène, dont résulte une augmentation considérable de la charge électrique, représentée par le nombre final d'électrons produit par chaque électron rapide, se poursuit jusqu'à étouffement spontané des avalanches.

Les ions positifs correspondants, représentant un nombre de charges égal à celui des charges de l'ensemble des électrons créés, s'écartent du fil 6c dont ils sont repoussés en raiso de leur charge, et dérivent vers les cathodes les plus proches, constituées par la grille 7 d'une part et par le convertisseur 5 d'autre part.

Les ions positifs créés du côté de la grille sont recueillis par cette dernière tandis que ceux créés du côté du convertisseur 5 sont recueillis par une cellule de celui-ci, la cellule 9c en l'occurrence. Leur mouvement est repéré sur la figure 3 par les flèches en pointillé T4.

Comme le montre la figure 3, le convertisseur 5 présente une structure en couches supportée par une plaque isolante 8, cette dernière étant par exemple contituée par une carte de circuit imprimé en résine époxy, d'une épaisseur de 3.2 millimètres.

La surface supérieure de cette plaque est recouverte d'une couche de cuivre 10, de quelques microns d'épaisseur.

Sur la couche de cuivre 10 est déposée une couche de colle conductrice 11, grâce à laquelle l'ensemble peut être recouvert d'une couche d'un matériau de conversion 12, par exemple une feuille de gadolinium, d'une épaisseur d'un dixième de micron, préalablement dorée pour en éviter l'oxydation.

Cet empilage de couches 10, 11, et 12, déposé sur la plus grande partie au moins de la surface de la plaque 8, est ensuite découpé, par des traits de fraise scie tels que 13 attaquant la face supérieure de cette plaque, en éléments électriquement isolés les uns des autres, qui constituent le cellules 9a, 9b, 9c, etc.

De plus, la plaque isolante 8 comporte, pour chaque cellule telle que 9c, une traversée telle que 14c mettant cette cellule en contact électrique avec un conducteur tel que 15 aboutissant sur l'autre face de la plaque 8.

De préférence, chaque fil tel que 6c est tendu exactement au-dessus d'une rangée de cellules telles que 9c, celles-ci ayant avantageusement une forme rectangulaire ou carrée.

A titre d'exemple, la grille cathodique 7 peut être constituée de fils d'acier inoxydable d'un diamètre de 50 microns chacun, s'entrecroisant à angle droit, suivant un p de 500 microns, le rôle de cette grille étant de permettre une symétrisation du champ électrique sur les fils tels que 6c.

Le plan de fils 6 est réalisé sous la forme d'un tissage su un cadre isolant de fils de tungstène dorés d'un diamètre minimum d'au moins 20 microns, et de préférence de 50 à 100 microns chacun, disposés parallèlement les uns aux autres suivant un pas S de 2.54 millimètres par exemple. L'ensembl des fils est relié à une source de potentiel électrique extérieur à l'enceinte 3, délivrant une tension de 5000 vol par exemple.

La distance G entre le plan de fils 6 et le convertisseur 5 d'une part et la distance entre le plan de fils 6 et la grille 7 d'autre part sont de préférence égales et de l'ord de 3 à 5 millimètres.

Les cellules telles que 9c ont par exemple la forme de carrés de 2 millimètres de côté, réalisés au même pas que les fils, 2.54 millimètres en l'occurence.

Le matériau de conversion 12 utilisé dans les cellules telles que 9c est avantageusement constitué de gadolinium dans le cas où les particules neutres émises par la source 1 sont des neutrons thermiques, et de fer ou d'argent dans le cas où ces particules sont des rayons X, en particulier des X mous.

Les conducteurs tels que 15c sont d'une part reliés au potentiel de terre par l'intermédiaire de capacités respectives telles que 16c, d'autre part reliés, chacun au moins pendant un intervalle de temps donné, à un dispositif électronique 17, de type connu en soi, dont la fonction est de convertir le signal présent sur chacun de ces conducteurs en un point d'une image vidéo et/ou en une information susceptible d'être stockée dans une mémoire optique, électronique, ou autre.

Dans les conditions exposées, les fils tels que 6c jouent le rôle de moyens d'amplification et de collectage de charges négatives, tandis que le convertisseur et ses cellules jouent à la fois le rôle de moyens de conversion, de cathode, et de moyens de collectage de charges positives.

En fait, dans la mesure où le signal utile, pour chaque point de l'image de l'objet, est constitué par le signal électrique présent sur les conducteurs tels que 15c, les cellules telles que 9c constituent plus précisément les éléments utiles des moyens de collectage de charges.

L'invention développe tous ses avantages lorsque le nombre de particules neutres détectées est inférieur à 10 ⁵ particules par seconde et par centimètre carré-de surface du convertisseur, et elle revêt un intérêt particulier lorsque

les particules détectées sont des neutrons thermiques.

Comme mentionné plus haut, l'opération d'amplification de charges comprend l'application d'un champ électrique de valeur suffisante pour permettre l'apparition d'avalanches d'électrons à taille auto-régulée (streamer mode) , et il est avantageux, à cette fin, que le rapport de la distance S (figure 3) entre deux fils anodiques voisins 6b, 6c, à la distance G entre ces fils et la cathode 12, soit au moins égal à l.

L'intérêt du mode de fonctionnement "streamer" pour un détecteur appliqué à l'imagerie conformément à l'invention trouve son origine dans les deux raisons suivantes.

D'une part, ce mode permet la création, pour chaque électro rapide émis par le convertisseur, d'un nombre de charges extrêmement élevé, typiquement de l'ordre de 10 ⁷ à 10 ⁹ , de sorte qu'il est possible, même à partir d'un petit nombr de particules reçues par le convertisseur, ou d'un petit nombre de particules converties par lui, d'obtenir une imag d'un objet irradié tel que 2 (figure 1) . Cette propriété es en outre exploitée au mieux selon le mode de réalisation de l'invention qui comprend une accumulation, pendant un certa temps, des charges électriques* collectées, dans une capacit telle que 16c.

D'autre part et surtout, ce mode de fonctionnement permet d pallier un défaut intrinsèque que présentent les convertisseurs solides dans certaines conditions d'utilisation, notamment pour la détection de neutrons thermiques.

En effet, si le nombre d'électrons rapides créés à partir d'un nombre prédéterminé de neutrons incidents est constant statistiquement au moins, en revanche les électrons rapides

issus du convertisseur solide présentent une très grande dispersion énergétique.

Or, le nombre de charges de première ionisation directement créées par unité de distance par un électron rapide traversant le gaz est une fonction rapidement variable de l'énergie de cet électron rapide, de sorte que les éléments de collectage de charges, les cellules telles que 9c en l'occurrence, risquent de fournir des signaux respectifs représentatifs non plus du nombre de particules neutres que ces éléments ont reçues, mais de l'énergie des électrons rapides auxquels ces particules ont conduit par conversion.

Le mode "streamer", qui a la propriété d'amplifier les charges de façon fortement non linéaire, permet de rétablir ce défaut en donnant naissance, pour chaque électron rapide, à un nombre de charges collectées qui est sensiblement indépendant du nombre de charges de première ionisation directement créées par les électrons rapides. L'utilisation de ce mode de fonctionnement permet ainsi de ramener les fluctuations du signal utile à un niveau proche des fluctuations poissonniennes de la source.