Ensemble détecteur de particules nucléaires La présente invention a pour objet un ensemble détecteur de particules nucléaires.
L'ionisation d'un gaz, sous l'influence de parti cules ionisantes, est un phénomène connu permettant de détecter ces particules. Un dispositif connu per mettant la visualisation de rayonnements nucléaires comporte une chambre à étincelles à grilles paral lèles, associée à un télescope de détecteurs à scin tillations dont la coïncidence de fonctionnement cor respondant à une traversée de la chambre par une particule, provoque l'application d'une impulsion de haute tension sur les électrodes et l'éclatement d'une étincelle le long du parcours ionisé par le passage de la particule.
La présente invention vise à la conception d'un ensemble détecteur de particules nucléaires utilisable pour la localisation de particules (3 et de photons gamma ou X, caractérisé en ce qu'il comprend une chambre à étincelles présentant une enceinte occupée par un gaz et dans laquelle sont disposées une anode et une cathode entre lesquelles est interposée une grille, ces trois électrodes étant parallèles,
des moyens pour établir entre l'anode et la grille une différence de potentiel légèrement inférieure à la tension dis- ruptive et entre la cathode et la grille une tension de collection des électrons vers l'espace grille-anode.
L'invention a aussi pour objet un procédé de mise en action de cet ensemble détecteur, caractérisé en ce qu'on choisit l'intervalle séparant la grille de la cathode selon le rayonnement incident et le gaz de remplissage, mais suffisamment grand pour qu'une proportion élevée du rayonnement constituant les particules incidentes ou du rayonnement induit par celles-ci sur la cathode et dans cet intervalle y perde la plus grande partie de son énergie par l'ionisation provoquant la libération d'électrons et en ce qu'on choisit la tension anodique suffisamment faible et la maille de la grille suffisamment grande,
pour que seule une proportion négligeable desdits électrons soit recueillie par la grille à la traversée de celle-ci.
L'ensemble détecteur de particules ainsi équipé comprend de préférence, un dispositif de déclenche ment de la chambre à étincelle permettant la visuali- sation de l'impact de particules chargées, caractérisé en ce que l'impulsion qui apparaît à l'anode de la chambre,
sans éclatement d'étincelles lors du pas sage d'une particule chargée est appliquée à un am plificateur rapide à grand gain et que les signaux produits par cet amplificateur sont transmis d'une part à un circuit qui bloque l'amplificateur pendant une durée égale au temps mort du détecteur ainsi que d'autre part à l'organe de déclenchement d'un générateur d'impulsions dont la borne de sortie est réunie à la cathode dudit détecteur.
Suivant une autre forme de réalisation, l'ensemble détecteur comprend un amplificateur, réuni au circuit de blocage par un discriminateur supprimant une forte proportion des impulsions indésirables produites par le détecteur, la pression du gaz dans celui-ci étant comprise entre 104 et 105 pascals.
Suivant une autre forme de réalisation, l'en semble détecteur de particules nucléaires comprend un amplificateur, réuni au dispositif de blocage et au générateur d'impulsions, par un discriminateur éli minant une partie des impulsions produites par le détecteur et un dispositif à retard réglable est placé entre le discriminateur et le générateur d'impulsions.
Dans ce cas particulier, 1a valeur du retard peut être déterminée pour que l'impulsion soit appliquée à la cathode, quand les ions, crées lors de la multi- plication électronique, atteignent cette cathode, la valeur de la pression du gaz dans le détecteur étant alors comprise entre 10 et 103 pascals.
Dans un mode de mise en aeuvre préféré du pro cédé que comprend l'invention, on utilise une grille de pas 75 microns constituée de fils de 30 microns de diamètre, la tension de collection présente une valeur telle que le champ électrique dans l'espace entre la cathode et la grille soit compris entre 10 et 100 volts/cm, le gaz occupant l'enceinte étant à la pression atmosphérique.
Le dessin annexé illustre, à titre d'exemple, diverses formes de réalisation de l'appareil selon l'invention.
La fig. 1 représente une forme de réalisation d'un ensemble détecteur équipé d'une chambre à étincelles et d'un circuit déclencheur.
La fig. 2 .est un graphique représentant les va riations de l'amplitude d'une impulsion électrique (ordonnées) produite par une chambre à étincelles de la fig. 1, en fonction du temps (abscisses).
La fig. 3 représente une variante possible de la chambre à étincelles représentée sur la fig. 1.
La fig. 4 montre une variante du détecteur re présenté schématiquement en coupe suivant un plan passant par son axe, ainsi que les circuits électriques qui lui sont associés.
Le dispositif représenté (fig. 1) comprend une chambre à étincelles 1 dont l'anode 2 est reliée d'une part à une source 3 de potentiel continu constant, d'autre part à l'entrée d'un amplificateur rapide de grand gain 4 par l'intermédiaire d'une capacité de liaison 5.
La valeur de la tension produite par la source 3 est choisie telle qu'une particule nucléaire traversant la cathode 6 et pénétrant dans la chambre 1 provoque une multiplication des électrons dans le gaz de ladite chambre et par suite l'apparition d'une impulsion électronique sur l'anode 2. Cependant l'in tensité du champ élecrique entre anode 2 et cathode 5 est insuffisante pour permettre l'amorçage d'une étin- celle entre ces électrodes.
La fig. 2 représente l'amplitude de l'impulsion électronique 7 en fonction du temps. Cette impulsion 7 très brève, est suivie d'un palier 8 de durée notable ment supérieure (de l'ordre d'une dizaine de micro secondes).
Lors de l'ionisation du gaz contenu dans la chambre 1, sur le trajet d'une particule (3 et d'un photon X ou y ayant pénétré dans la chambre, le déplacement des électrons, beaucoup plus rapide que celui des ions, explique la brièveté de l'impulsion 7 comparée à la durée du palier 8 lequel est dû au mouvement lent des ions. Un générateur de tension 9 déclenché par impulsion électronique sur l'anode 2, applique à la cathode de la chambre une impulsion de tension négative.
Un discri_minateur d'amplitude 11, relié à la sortie de l'amplificateur, délivre en sa sortie 12 une impulsion électrique qu'il transmet simultanément au générateur 9 et à un circuit de blocage 13 si la valeur maximale de l'amplitude des impulsions reçues par ce discriminateur est com- prise entre deux seuils réglables séparément.
Le choix de la valeur correspondant à chaque seuil permet au discriminateur 1 d'éliminer une partie des impul sions électroniques délivrées par la chambre 1.
Le circuit de blocage 13 recevant une impulsion de ce discriminateur 11 délivre, par exemple, une impul sion paralysant l'amplificateur 4 pendant une durée égale au temps mort de la chambre 1, soit de l'ordre de quelques millisecondes. Pour que le retard de l'impulsion appliquée à la cathode, par rapport à l'impulsion apparaissant à l'anode soit compris entre 200 et 1000 nanosecondes, il n'y a pas lieu d'utiliser un dispositif à retard spécial les organes 4 et 11 créant un retard suffisant,
mais si l'on désire que l'impulsion de haute tension délivrée par le gé nérateur 9 soit appliquée sur la cathode 6 avec un retard supérieur, en simultanéité par exemple avec l'arrivée sur cette dernière des ions créés lors de la multiplication électronique, on dispose un dispositif à retard 10 entre le point commun 12 au discrimi.- nateur 11 et au dispositif de blocage et le généra teur 9.
L'impulsion de haute tension appliquée sur la cathode 6 accroft l'intensité du champ électrique existant préalablement entre cette cathode et l'anode 2 jusqu'à une valeur telle qu'une étincelle, localisée au point d'impact de la particule nucléaire sur la cathode, éclate alors entre cathode et anode,
selon le trajet préférentiel ionisé lors de la traversée de la chambre à étincelles 1 par ladite particule. Après un intervalle de temps égal au temps mort du dispositif 1, le circuit de blocage 13 cesse son action sur l'am- plificateur 4 qui devient alors de nouveau sensible aux impulsions électroniques délivrées par l'anode 2 de la chambre à étincelles 1.
La présence de ce cir cuit de blocage et du discriminateur 11 garantit que l'éclatement d'une étincelle dans la chambre 1 cor respond uniquement à la réception d'une impulsion électronique d'amplitude convenable par l'amplifi cateur 4. La. fig. 3 représente une variant de la chambre à étincelles de la fig. 1.
Cette chambre à étincelles est de révolution au tour d'un axe vertical. Elle comporte une enceinte métallique 14 rendue étanche à sa partie supérieure par un disque de verre 15 transparent et pressé sur les bords de l'enceinte 14, avec interposition d'un joint toroïdal élastique 16, par un anneau métallique 17.
La partie inférieure de l'enceinte 14 est fermée par une cathode métallique mince 18, en forme de disque, coaxiale à ladite enceinte, et isolée électrique ment de celle-ci par un anneau 19. Une anode 20, ou grille, constituée de fils métalliques tendus dans un plan selon deux directions perpendiculaires, est disposée en regard de la cathode 18,à une distance de l'ordre de trois à dix millimètres. La cathode 18 et l'anode 20 ont des diamètres égaux,
de l'ordre de quinze à vingt centimètres. Un support 21, isolé électriquement de l'enceinte 14 et s'appuyant sur un manchon 22 en matière isolante, maintient l'anode 20. Le rendement de détection des particules nuclé aires traversant la chambre 1 est le rapport entre le nombre de particules détectées et le nombre de particules réellement reçues par le détecteur.
Ce ren dement est augmenté si on remplace la cathode mé tallique 18 par l'association d'une part d'une photo cathode 23 à laquelle est accolé un scintillateur, no tamment un cristal d'iodure de sodium activé au thallium de forme analogue à la cathode 18, et d'autre part d'une grille de commande 24, analogue à la grille d'anode 20, et disposée en regard de la photocathode 23.
Cette grille 24 est portée à un potentiel continu positif dont la valeur est supérieure de quelques volts à celle du potentiel de même na ture auquel est portée la photocathode 23.
L'anode 20 est portée à un potentiel continu positif inférieur de 50 à 100 V au potentiel disrnptif. Le champ continu existant entre la photocathode 23 et la grille 24 est inférieur au potentiel d'ionisation du gaz con tenu dans la chambre à étincelles mais permet la canalisation des électrons émis par la photocathode dans le champ multiplicateur existant entre la grille 24 et l'anode 20.
La grille 24 permet en outre le blocage des électrons émis par la photocathode, l'im pulsion de haute tension délivrée par le générateur 9 étant alors appliquée sur l'anode 20.
L'atmosphère de l'enceinte 14 est constituée par un gaz rare, ou un mélange de gaz rares, sous une pression comprise soit entre 104 et 105 Pa si le dé clenchement du détecteur 1 s'effectue avec un retard minimal, soit entre 10 et 103 Pa si le déclenchement dudit détecteur s'effectue au contraire avec un cer tain retard. La cathode ou le scintillateur 18 reçoit le rayonnement nucléaire par sa partie inférieure et le disque de verre 15 permet l'observation optique ou la photographie des étincelles.
Le présent ensemble détecteur, associé à un col limateur, soit sténopéique soit percé de nombreux trous, permet la restitution d'une image traduisant la répartition d'un émetteur radioactif in vivo. Son emploi concerne notamment les applications de la gammascintigraphie à usage médical.
La chambre à étincelles comprend une enceinte étanche constituée par un manchon cylindrique en verre 32 dont l'extrémité supérieure est fermée par une glace transparente 34 et dont l'extrémité infé rieure est fermée par une cathode métallique mince 36.
Lorsque le détecteur est destiné à l'étude du rayonnement gamma mou d'un échantillon placé sous la cathode, celle-ci peut être constituée par une lame mylar de 0,5 mm d'épaisseur revêtue in térieurement par une feuille d'aluminium de 10 à 20 microns d'épaisseur constituant source d'élec trons. La lame de mylar 38 est supportée par une plaque 42 située à l'extérieur de l'enceinte percée d'orifices parallèles rapprochés tels que 44.
Cette plaque peut jouer le rôle de collimateur, comme on le verra plus loin.
L'étanchéité des jonctions entre le manchon 32 d'une part, la lame de mylar 38 et la glace 34 d'autre part, est assurée par des joints toriques en indium 46 et 48. La rigidité de l'assemblage est assurée par deux rondelles de laiton 50 et 52 reliées par des boulons de serrage répartis autour de la chambre à étincelles et dont un seul 54 est re présenté.
L'enceinte est occupée par un gaz ionisable par le passage de particules. On peut notamment utiliser pour la détection des photons mous un mélange à 90 % d'argon et 10 % de méthane sous pression atmosphérique. Un orifice 56 permet éventuellement de modifier l'atmosphère de l'enceinte.
A l'intérieur de l'enceinte sont disposées, au- dessus de la cathode 36 et parallèlement à elle, une grille 58 et une anode 60. Ces deux électrodes sont par exemple constituées l'une et l'autre par une grille en fil de bronze phosphoreux de 36 microns de diamètre délimitant un réseau carré présentant un pas de 75 microns. La grille 58 délimite avec la cathode 36 un espace de collection tandis que la grille et l'anode définissent un espace <RTI
ID="0003.0091"> d'étincelle. L'écartement et la parallélisme des électrons sont assurés par des rondelles en matériau isolant, en polyméthacrylate de méthyle connu sous le nom de Plexiglas (marque déposée) par exemple.
La grille étant reliée à la masse, l'anode est reliée à une source de haute tension positive par un con ducteur 62 comportant une résistance élevée, à tra vers un joint d'araldite 64. La cathode est portée par un conducteur 66, qui traverse le manchon à travers un autre joint d'araldite 68 à un potentiel continu négatif de polarisation. La haute tension est légère ment inférieure (de 100 à 150 V) à la tension dis- ruptive.
La dispersion décrite jusqu'ici est comparable à celle de la chambre à étincelles 1 de la fig. 1. Mais d'une part, aucun circuit de création d'impulsions de haute tension n'est prévu entre la grille et l'anode et, d'autre part, la tension de polarisation de la grille par rapport à la cathode présente une valeur plus faible.
Les inventeurs ont en .effet constaté que pour une valeur optimum du champ électrique dans l'espace de collection, on favorise le passage des électrons dans l'espace d'étincelles et celles-ci jail- lissent spontanément sans qu'il soit nécessaire d'ap pliquer une impulsion.
Le fonctionnement de la chambre exige que l'in tensité du champ électrique dans l'espace de collec- tion soit compris dans un domaine restreint: si en effet la tension négative de polarisation est trop éle vée, les électrons formés dans l'espace d'accéléra tion sont absorbés par la grille et le rendement en étincelles sera faible ou même celles-ci cesseront de se produire, si au contraire cette tension est trop faible,
il n'y aura pas d'accélération des électrons apparus lors de l'impact d'une particule à détecter.
Par exemple, un détecteur rempli d'un mélange de 90 % d'argon et 10 % de méthane à la pression normale, a fonctionné avec une haute tension de 6000 V, une polarisation de cathode de -30 V, un espace d'étincelle (entre grille et anode)
de 5 mm et un espace d'accélération (entre cathode et grille) de 10 mm ; à titre de comparaison, la tension de polari sation pour le régime de fonctionnement suivant la fig. 1 est de l'ordre de -300 V.
Le fonctionnement de la chambre à étincelles lors de la réalisation d'une gammascintigraphie d'un échantillon déposé sous le bloc sera décrit maintenant. Des photons émis par l'échantillon suivant une direc- tion sensiblement normale à la plaque 42 traversent les orifices 44 de celle-ci et viennent frapper la ca thode 36 et l'atmosphère de l'espace de détection et d'accélération.
L'absorption de ces photons provoque l'apparition de rayons beta ionisant le gaz. Les élec trons ainsi libérés sont accélérés vers la grille 58 et passent dans l'espace d'étincelle en provoquant un amorçage, s'ils sont en nombre suffisant. Les étin celles sont enregistrées par un appareil photogra phique 70, représenté en traits mixtes sur la figure, fonctionnant en pause pendant un temps suffisant.
Le rendement de la chambre à étincelles dépend de nombreux paramètres, notamment du rendement des photons en rayonnement beta et du temps mort de la chambre. Ce dernier variant avec la valeur de la résistance de charge interposée sur le conducteur <B>32:</B> Une résistance de 20 MQ conduit à un temps mort de l'ordre de 50 ms, donc à un débit maximal d'étincelles de 20 par seconde<B>:
</B> ce taux est en général suffisant, les échantillons mesurés constituant en gé néral des sources peu actives.
La limite inférieure de 1a résistance de charge est fixée par la chambre, celle-ci pouvant redéclen- cher une étincelle au même endroit si la tension est rétablie trop tôt sur les électrodes. La nature des électrodes et celle du gaz influencent nettement cette valeur.
A titre d'exemple, on a utilisé une chambre à étincelle pour réaliser une gammascintigraphie de fantômes d'organes chargés en iode 125 dont l'émis sion X s'effectue sur 27,3 KeV :
:les rendements théo- riques d'absorption sont alors de l'ordre de 0,64 % dans l'espace de détection et d'accélération (atmos- phère argonméthane), de 0,
2 % dans la cathode d'aluminium et de 0,2 % dans l'espace d'étincelle le rendement théorique total s'établit à environ 1 Vo.
Avec un fantôme présentant une radioactivité de 100 #tC placé à 3 cm du collimateur et une chambre utilisant une résistance de 20 MQ (conduisant à cinq étincelles par seconde au maximum) on a obtenu pour quelques minutes de pause des photographies parfaitement lisibles et comparables à celles obtenues précédemment avec des échantillons présentant une radioactivité plusieurs fois plus élevée.
La constitution de la cathode et de l'atmosphère de la chambre à étincelles seront avantageusement adaptées au rayonnement à détecter. L'emploi du xénon à la place du méthane permet d'augmenter le rendement de détection- du gaz. Ce rendement est amélioré si la pression est accrue. Un revêtement d'or sur la cathode permet également d'augmenter le rendement de détection des photons X ou y grâce à l'effet de paroi.
Mais dans tous les cas la simplicité du dispositif reste remarquable puisqu'il suffit d'une seule haute tension.