WO2015197947A1 - Materiau luminescent a couche photonique texturee - Google Patents

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WO2015197947A1
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textured layer
scintillator
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Sébastien LE ROY
Emmanuel Mimoun
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Saint Gobain Cristaux and Detecteurs SAS
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    • C09K11/00—Luminescent materials, e.g. electroluminescent or chemiluminescent
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F21V9/00—Elements for modifying spectral properties, polarisation or intensity of the light emitted, e.g. filters
    • F21V9/30—Elements containing photoluminescent material distinct from or spaced from the light source
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B32B—LAYERED PRODUCTS, i.e. PRODUCTS BUILT-UP OF STRATA OF FLAT OR NON-FLAT, e.g. CELLULAR OR HONEYCOMB, FORM
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F21V—FUNCTIONAL FEATURES OR DETAILS OF LIGHTING DEVICES OR SYSTEMS THEREOF; STRUCTURAL COMBINATIONS OF LIGHTING DEVICES WITH OTHER ARTICLES, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • F21V13/08—Combinations of only two kinds of elements the elements being filters or photoluminescent elements and reflectors
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    • F21V9/00—Elements for modifying spectral properties, polarisation or intensity of the light emitted, e.g. filters
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01T—MEASUREMENT OF NUCLEAR OR X-RADIATION
    • G01T1/00—Measuring X-radiation, gamma radiation, corpuscular radiation, or cosmic radiation
    • G01T1/16—Measuring radiation intensity
    • G01T1/20—Measuring radiation intensity with scintillation detectors
    • G01T1/2002—Optical details, e.g. reflecting or diffusing layers
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    • G01T1/202—Measuring radiation intensity with scintillation detectors the detector being a crystal
    • G01T1/2023—Selection of materials
    • G—PHYSICS
    • G21—NUCLEAR PHYSICS; NUCLEAR ENGINEERING
    • G21K—HANDLING OF PARTICLES OR IONISING RADIATION NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; IRRADIATION DEVICES; GAMMA RAY OR X-RAY MICROSCOPES
    • G21K4/00—Conversion screens for the conversion of the spatial distribution of X-rays or particle radiation into visible images, e.g. fluoroscopic screens

Definitions

  • the invention relates to the field of luminescent materials, in particular of the scintillator type, for the detection of ionizing radiation, and also of the wavelength converter type.
  • Ionizing radiation (including ionizing particles such as protons, neutrons, electrons, alpha particles, ions, and X or gamma radiation) is usually detected by means of scintillators, often monocrystalline, which convert incident radiation into light, which is then transformed into an electrical signal using a photoreceptor such as a photomultiplier.
  • the scintillators used may in particular be monocrystal of sodium iodide doped with thallium (hereinafter denoted Nal (TI)), of cesium iodide doped with thallium or sodium, of lanthanum halide doped with cerium or praseodymium. .
  • the lanthanum halide based crystals have been the subject of recent work such as those published under US7067815, US7067816, US2005 / 188914, US2006 / 104880, US2007 / 241284. These crystals are promising in terms of light intensity and resolution.
  • luminescent materials such as YAG (cerium-doped yttrium and aluminum oxide) are used in projection lamps to convert non-visible light, especially in the UV, into visible light and thus increase the amount of light. light projected into the visible. This intensity increase can be used to increase the contrast of an image.
  • YAG ceramic-doped yttrium and aluminum oxide
  • the light emitted by a scintillator is received by a photodetector which can be of the photomultiplier, photodiode, CCD, etc. type.
  • the photodetector is optically coupled to the scintillator by direct contact or through a very thin window that can be a simple thin layer of fat.
  • the exit angle of the scintillator light is often less important.
  • the angle may be of some importance: 1) for spatial detectors (line or pixel), a perpendicular angle of incidence decreases the "cross-talk" and increases the sharpness of the image, 2) the silicon photodetectors have high indices and decrease a perpendicular incidence decreases the Fresnel reflection and improves the efficiency, 3) for a photomultiplier tube, an incidence perpendicular gives a lower dispersion of the energy of the photoelectrons and therefore a better resolution.
  • the light generally comes out of the scintillator in a quasi-lambertian manner, which means that the angular distribution of the light coming out of the exit face of the scintillator is very wide. The light is, however, often satisfactorily recovered by the photodetector.
  • Some applications such as high-energy radiography with an electron accelerator, PET-MRI, reactor core imaging, imaging in the human body, however, make use of a more optical coupling. remote between the scintillator light exit face and the photodetector.
  • These applications use an optical system to move the photodetector away from the scintillator such as an optical fiber or a lens.
  • it is particularly important to reduce the exit angle of light from the scintillator exit face. By reducing this angular distribution, the amount of light detected is increased.
  • the photodetector is inherently sensitive to the angle of incidence of the light
  • the reduction of the angular distribution of the light leaving the scintillator results in a better homogeneity of the response of the photodetector.
  • it is in principle not recommended to use means that reinforce the random nature of the light paths in the crystal, such as in particular the production of light. a roughness on the outer surface of the crystal.
  • a textured photonic crystal on the exit surface of a luminescent light-emitting material in order to channel the light emerging from said luminescent material into a narrower corner cone.
  • the function of the photonic crystal is to collimate the light so that the coupling with the photodetector is more efficient and homogeneous over the entire exit surface of the scintillator / photonic crystal system.
  • the light is better directed towards a target, such as an image.
  • the invention relates in the first place to a luminescent material, in particular of the scintillator type, comprising a surface coated with a textured layer, the texture of said layer comprising identical patterns uniformly distributed. on said face, said layer reducing the angle of the extraction cone of the light emitted by said luminescent material and passing through said face.
  • the light emerging from the luminescent material is narrower in a smaller cone angle at the top, which improves its collection.
  • the texture of the photonic crystal is a periodic structure whose period is close to the wavelength of the light emitted by the scintillator.
  • the photonic layer consists of a set of identical studs or holes arranged evenly at the light exit surface of the luminescent material.
  • These patterns may be of any shape, but generally have the shape of a cylinder whose axis is perpendicular to the exit surface.
  • D the characteristic size corresponding to their largest dimension parallel to the exit surface. This characteristic size is called "D". If the pattern is of square or rectangular section parallel to the exit surface, D corresponds to a diagonal of said square or rectangle. If the pattern is a cylinder whose axis is perpendicular to the exit surface, then D is the diameter of the cylinder.
  • the patterns are repeated regularly over the entire surface of the material by successive and possibly combinatorial translation along two vectors v and w in the plane of the exit surface.
  • the angle between the vectors is between 0 ° and 90 °.
  • a square organization corresponds to vectors v and w of the same length forming an angle of 90 ° with each other while a hexagonal organization corresponds to vectors v and w of the same length forming an angle of 60 ° between them.
  • the distance "a" between two neighboring patterns is called the smallest length of the vectors v and w.
  • a sc is the maximum emission wavelength (corresponding to the maximum of the emission peak) of the light emerging from a luminescent material
  • a sc / a is within the range of 0.5 at 1, 5 and preferably from 0.8 to 1.3, and more preferably from 0.85 to 1.1.
  • D / a is in the range of 0.2 to 0.8.
  • the thickness H of the layer is in the range of 10 nm to 1000 nm and preferably between 100 and 500 nm.
  • the coated phosphor material according to the invention is particularly suitable for optical systems of coupling angle of acceptance ("angle of acceptance" in English) weak, especially less than 45 ° and even less than 20 ° and even less than 10 °.
  • the invention also relates to a device comprising a scintillator material according to the invention, coupled to at least one photodetector by the coated surface of the textured layer by an optical coupling system with angles of admission of less than 45 °, and even less than 20 ° and even less than 10 °.
  • a sc / a approaches 1. Thanks to the layer according to the invention, a gain in light extraction (measured in watts) greater than 50% and even greater than 100%, and even greater than 150% can be obtained.
  • This gain can be measured by measuring the output wattage of an imaging system with a given admission angle constituted for example by a lens of focal length and known diameter. The measurement is then made at the focus of the lens. It may be desired that the exit angle be small because of the low angle of admission of an optical coupling system, especially in the case of a coupling between a scintillator material and a photodetector.
  • the textured layer is applied to the light exit surface of the luminescent material, in particular of the scintillator type.
  • it may be the light output side of a scintillator to be coupled to a photodetector via an optical system having a given admission angle, for example 20 ° for an optical fiber.
  • the manner in which the other surfaces of the luminescent material are treated also influences the amount of light extracted. Surprisingly, especially in the case of a scintillator material, it has been found that the best results are obtained if the other surfaces are roughened and covered with a light reflector. Indeed, the roughness makes the angle and the position of the light at the exit interface of the totally random scintillator. Yet this type of surface treatment has led to the best results.
  • the roughness of the surfaces is obtained in a known manner by scraping for example with sandpaper (especially of type P200 to P1000).
  • the light reflector is preferably white and can be applied to the rough surface by application of a strip of reflective material such as polytetrafluoroethylene ("PTFE"), especially sold under the trademark Teflon.
  • PTFE polytetrafluoroethylene
  • Teflon polytetrafluoroethylene
  • Teflon polytetrafluoroethylene
  • the application of a strip of reflective material on the rough surface of the scintillator traps air between the strip and the scintillator, which is favorable.
  • the faces of the material according to the invention not coated by the textured layer are rough and coated with a reflective material, in particular PTFE leaving air between the scintillator and itself.
  • the material of the textured layer has a refractive index close to that of the luminescent material, and preferably in the range from 0.8 to 1.2 times and preferably from 0.9 to 1.1 times the index of refraction of the luminescent material.
  • This layer is made of a material transparent to the wavelength of the light emerging from the luminescent material.
  • the material of the textured layer is first selected for its compatibility with the luminescent material in terms of its refractive index.
  • the textured layer may be silicon nitride or titanium oxide.
  • the texture can be achieved by lithography, by e-beam etching, by embossing a sol-gel layer.
  • a luminescent material of the scintillator type may especially be of the type
  • the scintillator-type luminescent material may also be BGO (Bi 4 Ge 3 O 2 ), CDO (CdWO 4 ), PWO (PbWO 4 ) or CsI.
  • a scintillator emits at a precise wavelength with a peak of emission more or less wide according to its nature.
  • An LYSO usually emits around 420 nm.
  • a CLYC (family of Cs2LiYCl6) generally emits around 365 nm.
  • the wavelength ⁇ sc referred to above is the wavelength corresponding to the peak of the light emission peak characteristic of the scintillator.
  • the scintillator is generally monocrystalline.
  • a luminescent material of the wave-converter type may be of the YAG type, that is to say a garnet of the aluminum oxide and yttrium type generally doped with cerium (YAG: Ce).
  • YAG Ce
  • Ce cerium
  • Y2.99 AI 5 Ceo.oi Oi 2 This material converts from UV to visible.
  • the luminescent material of the wave converter type can also be
  • the light-emitting material of the wave-converter type may be of the YAG or GAG or GYGAG type, in particular of the YAG: Ce or GAG: Ce or GYGAG: Ce type.
  • the luminescent material in particular of the scintillator type, may be monocrystalline or poly-crystalline.
  • a powder of the material is compressed to form a pellet.
  • the luminescent material is used in the form of a thin film, generally between 0.05 and 0.2 mm thick.
  • the blade receives incident light from one side, is traversed by this light and emits emerging light from the other side.
  • the emergent light is of greater intensity in the visible, since the luminescent material has converted some of the incident non-visible UV light into emerging visible light.
  • the invention also relates to a projection lamp comprising a light source and a lamina of the luminescent material according to the invention, said luminescent material being of the wave-converter type, the light source emitting light towards a first face of the blade, the second face of the blade being coated with the textured layer.
  • the luminescent material advantageously converts non-visible incident light (towards the first face) into visible emerging light (of the second face). The light emitted by the luminescent material passes through the textured layer and then emerges from the textured layer, said textured layer reducing the angle of the extraction cone of the emitted light compared to the same device without a textured layer.
  • a scintillator-type luminescent material coated with the photonic layer according to the invention is of particular interest for detection devices requiring an optical system involving a large distance between the scintillator and the photodetector.
  • the invention particularly relates to a device comprising a scintillator material according to the invention coupled to a photodetector by the coated surface of the textured layer, said detector being removed from the material by a distance of at least 5 cm, or at least 1 m.
  • this type may be made of the following two uses of this type: a) Imaging, in particular medical imaging, using areas of scintillator material pixel matrices, with a camera directed on said area.
  • the camera can be a CCD camera or a motion picture camera or a high speed digital movie camera. This can be used for radiography in the case where the photodetector must be far from the radiation source or electromagnetic noise. High energy radiography using electron accelerators is a concrete example.
  • optical fibers are coupled to scintillator pixels in order to place the photodetector at a sufficient distance from the radiation source or to reduce the size of the instrument near the pixels.
  • a narrow light emission cone means that more light is in the critical angle for total internal reflection. Specific examples using this technique are imaging in high magnetic fields such as fields
  • MRI Magnetic resonance Imaging
  • MRI-PET magnetic resonance imaging
  • imaging in reactor cores imaging in the human or animal body (eg colon imaging).
  • the material according to the invention is coupled to a plurality of photo-detectors by the coated side of the textured layer.
  • the invention provides an advantage not only because of the large distance between the material and the photodetector, but also because of the plurality of photodetectors in view of the need to separate the radiation intended for each photodetector.
  • the invention is also of interest for certain devices for which the photodetector is very close to the scintillator, which is a more traditional configuration.
  • the following four uses can be mentioned:
  • Linear pixel arrays are used in computed tomography imaging. Crosstalk can occur between photodiodes when light from a neighboring pixel enters a photodiode. This causes a blur in the reconstruction of the image.
  • the invention makes it possible to reduce this crosstalk by pass the light more directly into the nearest photodiode.
  • silicon photodetectors are not 100% effective for photon detection.
  • silicon has a high refractive index and is too reflective. Photons that are closer to silicon perpendicular to it are less subject to Fresnel reflection. Thus, scintillation light that is more concentrated in the narrow cone perpendicular to the silicon surface will have a greater chance of being transmitted. Thus, silicon photodetectors will have a stronger signal.
  • the multi-anode photomultiplier tubes (PMT) benefit, thanks to the invention, from a greater percentage of photons close to the perpendicular. These photons diffuse less in the glass window and the crosstalk is reduced and the spatial resolution is increased. These multi-anode PMTs are used in medical imaging such as PET and SPECT.
  • the material is coupled to a plurality of photodetectors by the coated side of the textured layer.
  • the power response of the photodetector to incident radiation varies by more than 10% when the angle of incidence from the normal to the receiving surface
  • the photodetector varies from 0 to 80 °.
  • FIG. 1 represents a scintillator material 1 whose outlet face is coated with the layer 2 according to the invention.
  • the other faces of the scintillator are rough and coated with a material 3 reflecting light.
  • the textured exit face of the light is in contact with an optical coupler 4.
  • the other face of the optical coupler transmits the light to a photodetector 5.
  • FIG. 2 represents a projection lamp using as a light source a diode 20. This emits light in the volume 21, generally under vacuum. The lateral internal walls 22 reflect the light. A blade 23 of YAG receives the light by a first face directed towards the inside of the volume 21. The second face of the outwardly directed blade 23 is provided with a textured layer 24 which channels the light into a cone of reduced angle. Depending on the luminescent material used, non-visible light emitted by the light source may be converted during the passage of the blade in visible light.
  • the angle alpha represents the angle within which light from the scintillator is collimated.
  • FIG. 4 represents a part of the face of a scintillator 40 coated with a textured layer 41 according to the invention comprising a plurality of identical cylindrical studs juxtaposed regularly on the surface of the scintillator.
  • the angle alpha represents the angle within which light from the scintillator is collimated.
  • Si3N 4 a layer of Si3N 4
  • results are expressed relative to the same crystal without a textured layer which gives a horizontal line passing through the value 1 on the ordinate. We see that the best results are obtained for values of "a" closest to 420 nm. The results are better when the angle (in degree) of the extraction cone is smaller and are even exceptional below 20 °.
  • the crystal was cylindrical with a diameter of 63.2 mm and a height of 76.2 mm.

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Abstract

L'invention concerne un matériau luminescent comprenant une face revêtue d'une couche texturée, la texture de ladite couche comprenant des motifs identiques répartis uniformément sur ladite face, ladite couche réduisant l'angle du cône d'extraction de la lumière émise par ledit matériau luminescent et passant par ladite face. Le matériau luminescent peut être du type scintillateur ou du type convertisseur d'onde.

Description

MATERIAU LUMINESCENT A COUCHE PHOTONIQUE TEXTUREE
L'invention concerne le domaine des matériaux luminescents, notamment du type scintillateurs, pour la détection des radiations ionisantes, et aussi du type convertisseur de longueur d'onde.
Les radiations ionisantes (ce qui inclut les particules ionisantes comme notamment les protons, neutrons, électrons, particules alpha, ions, et les rayonnements X ou gamma) sont habituellement détectées à l'aide de scintillateurs, souvent monocristallins, qui convertissent les radiations incidentes en lumière, laquelle est alors transformée en un signal électrique à l'aide d'un photorécepteur comme un photomultiplicateur. Les scintillateurs utilisés peuvent notamment être en monocristal d'iodure de sodium dopé au thallium (noté dans la suite Nal(TI)), d'iodure de césium dopé au thallium ou au sodium, d'halogénure de Lanthane dopé au cérium ou au praséodyme. Les cristaux à base d'halogénure de lanthane ont fait l'objet de travaux récents tels que ceux publiés sous US7067815, US7067816, US2005/188914, US2006/104880, US2007/241284. Ces cristaux sont prometteurs en termes d'intensité lumineuse et de résolution.
Certains matériaux luminescents tel le YAG (oxyde d'aluminium et d'yttrium dopé au cérium) sont utilisés dans des lampes de projection afin de convertir de la lumière non visible, notamment dans l'UV, en lumière visible et augmenter ainsi la quantité de lumière projetée dans le visible. Cette augmentation d'intensité peut être mise à profit pour augmenter le contraste d'une image.
La lumière émise par un scintillateur est reçue par un photodétecteur pouvant être du type photomultiplicateur, photodiode, CCD, etc. Dans nombre d'applications le photodétecteur est couplé optiquement au scintillateur par contact direct ou par l'intermédiaire d'une fenêtre très mince pouvant être une simple fine couche de graisse. Pour ce type de couplage, compte tenu de la proximité immédiate entre le scintillateur et le photodétecteur, l'angle de sortie de la lumière du scintillateur présente souvent moins d'importance. Cependant, même dans ce cas, l'angle peut revêtir une certaine importance : 1 ) pour les détecteurs spatiaux (ligne ou pixel), un angle d'incidence perpendiculaire diminue le « cross-talk » et augmente la netteté de l'image, 2) les photodétecteurs au silicium ont des indices élevés et diminuer une incidence perpendiculaire diminue la réflexion de Fresnel et améliore l'efficacité, 3) pour un tube photomultiplicateur, une incidence perpendiculaire donne une dispersion plus faible de l'énergie des photoélectrons et donc une meilleure résolution. La lumière sort généralement du scintillateur de façon quasi-lambertienne, ce qui signifie que la distribution angulaire de la lumière sortant de la face de sortie du scintillateur est très large. La lumière est cependant souvent récupérée de façon satisfaisante par le photodétecteur.
Certaines applications, telles que la radiographie à haute énergie avec un accélérateur d'électron, l'IRM-PET, l'imagerie du cœur d'un réacteur, l'imagerie dans le corps humain, font cependant usage d'un couplage optique plus éloigné entre la face de sortie de la lumière du scintillateur et le photodétecteur. Ces applications font appel à un système optique éloignant le photodétecteur du scintillateur tel qu'une fibre optique ou une lentille. Pour ces applications, il est particulièrement important de réduire l'angle de sortie de la lumière de la face de sortie du scintillateur. En réduisant cette distribution angulaire, on augmente la quantité de lumière détectée. De plus, pour le cas où le photodétecteur est par nature sensible à l'angle d'incidence de la lumière, la réduction de la distribution angulaire de la lumière sortant du scintillateur se traduit par une meilleure homogénéité de la réponse du photodétecteur. Lorsque l'on souhaite réduire la distribution angulaire de la lumière sortante de la face de sortie du scintillateur, il n'est en principe pas recommandé d'utiliser des moyens renforçant le caractère aléatoire des trajets lumineux dans le cristal comme notamment la production d'une rugosité sur la surface externe du cristal.
Selon l'invention, on propose de placer un cristal photonique texturé sur la surface de sortie d'un matériau luminescent émettant de la lumière afin de canaliser la lumière sortant dudit matériau luminescent dans un cône d'angle plus étroit. Dans le cas d'un matériau luminescent du type scintillateur, le cristal photonique a pour fonction de collimater la lumière de façon à ce que le couplage avec le photodétecteur soit plus efficace et homogène sur toute la surface de sortie du système scintillateur/cristal photonique. Dans le cas d'un matériau luminescent, notamment de lampe de projection, la lumière est mieux dirigée vers une cible, comme par exemple une image.
L'invention concerne en premier lieu un matériau luminescent, notamment du type scintillateur, comprenant une face revêtue d'une couche texturée, la texture de ladite couche comprenant des motifs identiques répartis uniformément sur ladite face, ladite couche réduisant l'angle du cône d'extraction de la lumière émise par ledit matériau luminescent et passant par ladite face.
Grâce à l'invention, la lumière sortant du matériau luminescent est plus resserrée dans un cône d'angle au sommet plus réduit, ce qui améliore sa collection. La texture du cristal photonique est une structure périodique dont la période est voisine de la longueur d'onde de la lumière émise par le scintillateur.
La couche photonique est constituée d'un ensemble de plots ou de trous identiques disposés de façon régulière à la surface de sortie de lumière du matériau luminescent. Ces motifs peuvent être caractérisés par une hauteur H (= épaisseur de la couche) et une taille caractéristique D. Ils sont identiques et disposés écartés les uns des autres de façon périodique. Dans la même couche, un écart d'au plus 10% sur H par rapport à la moyenne arithmétique des H est tolérable, et un écart d'au plus 10% sur D par rapport à la moyenne arithmétique des D est tolérable, ces écarts sur certains motifs n'empêchant pas de considérer qu'ils sont identiques aux autres. Ces motifs peuvent avoir n'importe quelle forme, mais ont généralement la forme d'un cylindre dont l'axe est perpendiculaire à la surface de sortie. Ces motifs ont une taille caractéristique correspondant à leur plus grande dimension parallèlement à la surface de sortie. On appelle cette taille caractéristique « D ». Si le motif est de section carré ou rectangulaire parallèlement à la surface de sortie, D correspond à une diagonale dudit carré ou rectangle. Si le motif est un cylindre dont l'axe est perpendiculaire à la surface de sortie, alors D correspond au diamètre du cylindre.
Les motifs sont répétés régulièrement sur toute la surface du matériau par translation successive et éventuellement combinatoire selon deux vecteurs v et w dans le plan de la surface de sortie. L'angle entre les vecteurs est compris entre 0° et 90°. Ainsi, une organisation carré correspond à des vecteurs v et w de même longueur formant un angle de 90° entre eux tandis qu'une organisation hexagonal correspond à des vecteurs v et w de même longueur faisant un angle de 60° entre eux. On appelle distance « a » entre deux motifs voisins la plus petite des longueurs des vecteurs v et w.
Si Asc est la longueur d'onde d'émission maximale (correspondant au maximum du pic d'émission) de la lumière sortant d'un matériau luminescent, alors généralement, Asc/a est compris dans le domaine allant de 0,5 à 1 ,5 et de préférence de 0,8 à 1 ,3 et de manière encore préférée de 0,85 à 1 ,1 . De préférence, D/a est compris dans le domaine allant de 0,2 à 0,8. L'épaisseur H de la couche est comprise dans le domaine allant de 10 nm à 1000 nm et de préférence entre 100 et 500 nm.
Le matériau luminescent revêtu selon l'invention est particulièrement adapté aux systèmes optiques de couplage à angles d'admission («angle of acceptance» en anglais) faibles, notamment inférieurs à 45° et même inférieurs à 20° et même inférieurs à 10°. Ainsi, l'invention concerne également un dispositif comprenant un matériau scintillateur selon l'invention, couplé à au moins un photo-détecteur par la face revêtue de la couche texturée par un système optique de couplage à angles d'admission inférieurs à 45°, et même inférieurs à 20° et même inférieurs à 10°.
Plus l'angle de sortie de la lumière doit être faible, plus il est avantageux que Asc/a se rapproche de 1 . Grâce à la couche selon l'invention, un gain en extraction de lumière (mesuré en watts) supérieur à 50% et même supérieur à 100%, et même supérieur à 150% peut être obtenu. On peut mesurer ce gain en mesurant la puissance en watts en sortie d'un système d'imagerie avec un angle d'admission donné constitué par exemple par une lentille de longueur focale et de diamètre connu. La mesure est alors effectuée au foyer de la lentille. On peut vouloir que l'angle de sortie soit faible en raison du faible angle d'admission d'un système de couplage optique, notamment dans le cas d'un couplage entre un matériau scintillateur et un photodétecteur.
La couche texturée est appliquée sur la surface de sortie de lumière du matériau luminescent, notamment du type scintillateurs. Notamment, il peut s'agir de la face de sortie de lumière d'un scintillateur devant être couplée à un photodétecteur par l'intermédiaire d'un système optique présentant un angle d'admission donné, par exemple 20° pour une fibre optique. La façon dont sont traitées les autres surfaces du matériau luminescent a également une influence sur la quantité de lumière extraite. On a constaté de façon surprenante, notamment dans le cas d'un matériau scintillateur, que les meilleurs résultats étaient obtenus si les autres surfaces sont rendues rugueuses et recouvertes d'un réflecteur de lumière. En effet, la rugosité rend l'angle et la position de la lumière à l'interface de sortie du scintillateur totalement aléatoire. C'est pourtant ce type de traitement de surface qui a mené aux meilleurs résultats. La rugosité des surfaces est obtenue de façon connue par grattage par exemple avec du papier de verre (notamment du type P200 à P1000). Le réflecteur de lumière est de préférence blanc et peut être appliqué sur la surface rugueuse par application d'une bande de matériau réflecteur comme du polytétrafluoroéthylène (« PTFE ») notamment commercialisé sous la marque Téflon. L'application d'une bande de matériau réflecteur sur la surface rugueuse du scintillateur emprisonne de l'air entre la bande et le scintillateur, ce qui est favorable. Ainsi, de préférence, les faces du matériau selon l'invention non revêtues par la couche texturée, sont rugueuses et revêtues d'un matériau réflecteur, notamment du PTFE laissant de l'air entre le scintillateur et lui-même.
Le matériau de la couche texturée présente un indice de réfraction proche de celui du matériau luminescent, et de préférence comprise dans le domaine allant de 0,8 à 1 ,2 fois et de préférence 0,9 à 1 ,1 fois l'indice de réfraction du matériau luminescent. Cette couche est en un matériau transparent à la longueur d'onde de la lumière sortant du matériau luminescent. Le matériau de la couche texturée est choisi en premier lieu pour sa compatibilité avec le matériau luminescent sur le plan de son indice de réfraction. Généralement, la couche texturée peut être en nitrure de silicium ou en oxyde de titane. La texture peut être réalisée par lithographie, par attaque sous e-beam, par embossage d'une couche sol-gel.
Un matériau luminescent du type scintillateur peut notamment être du type
LSO, LYSO, LuAP, YAG, Nal, Csl, , GSO, BGO, CLYC, CLLB, LaCI3, LaBr3, Gd2O2S:Pr:Ce (appelé « GOS »), tous ces matériaux contenant un élément dopant approprié à leur scintillation. Le matériau luminescent du type scintillateur peut également être BGO (Bi4Ge3Oi2), CDO (CdWO4), PWO (PbWO4) ou Csl. Un scintillateur émet à une longueur d'onde précise avec un pic d'émission plus ou moins large selon sa nature. Un LYSO émet habituellement vers 420 nm. Un CLYC (famille du Cs2LiYCl6) émet généralement vers 365 nm. La longueur d'onde Asc dont il est question plus haut est la longueur d'onde correspondant au sommet du pic d'émission de lumière caractéristique du scintillateur. Le scintillateur est généralement monocristallin.
Un matériau luminescent du type convertisseur d'ondes peut être du type YAG, c'est-à-dire un grenat du type oxyde d'aluminium et d'yttrium généralement dopé au cérium (YAG:Ce). A titre d'exemple, on peut citer le Y2.99 AI5Ceo.oi Oi 2 . Ce matériau convertit de l'UV vers le visible. Le matériau luminescent du type convertisseur d'ondes peut également être
Gd3(Ali-xGax)5Oi2:Ce (dit « GAG:Ce ») ou (Gdi-yYy)3(Ali-xGax)5Oi2:Ce (dit « GYGAG :Ce »). Ainsi, le matériau luminescent du type convertisseur d'ondes peut être du type YAG ou GAG ou GYGAG, notamment du type YAG :Ce ou GAG :Ce ou GYGAG :Ce.
Le matériau luminescent, notamment du type scintillateurs, peut être monocristallin ou polychstallin. Dans le cas d'un matériau polychstallin, une poudre du matériau est compressée pour être transformée en pastille. En application de lampe de projection, le matériau luminescent est utilisé sous forme de mince lame, d'épaisseur généralement comprise entre 0,05 et 0,2 mm. La lame reçoit de la lumière incidente par une face, est traversée par cette lumière et émet de la lumière émergente par l'autre face. Dans le cas d'un matériau luminescent convertisseur d'onde, la lumière émergente est d'intensité plus forte dans le visible compte tenu de ce que le matériau luminescent a converti une partie de la lumière UV non-visible incidente en lumière visible émergente. Ainsi, l'invention concerne également une lampe de projection comprenant une source de lumière et une lame du matériau luminescent selon l'invention, ledit matériau luminescent étant du type convertisseur d'onde, la source de lumière émettant de la lumière vers une première face de la lame, la deuxième face de la lame étant revêtue de la couche texturée. Notamment, le matériau luminescent convertit avantageusement de la lumière incidente (vers la première face) non-visible en lumière émergente (de la deuxième face) visible. La lumière émise par le matériau luminescent passe par la couche texturée puis émerge de la couche texturée, ladite couche texturée réduisant l'angle du cône d'extraction de la lumière émise, comparé au même dispositif sans couche texturée.
Un matériau luminescent du type scintillateur, revêtu de la couche photonique selon l'invention, présente un intérêt notamment pour les dispositifs de détection nécessitant un système optique impliquant une grande distance entre le scintillateur et le photodétecteur. Ainsi, l'invention concerne notamment un dispositif comprenant un matériau scintillateur selon l'invention couplé à un photodétecteur par la face revêtue de la couche texturée, ledit détecteur étant éloigné du matériau d'une distance d'au moins 5 cm, voire au moins 1 m. A titre d'exemple, on peut citer les deux utilisations de ce type suivantes : a) En imagerie, notamment médicale, utilisant des aires de matrices de pixels en matériau scintillateur, avec une caméra dirigée sur ladite aire. La caméra peut être une caméra CCD ou une caméra cinématographique ou une caméra numérique à grande vitesse de film. Cela peut être utilisé pour la radiographie dans le cas où le photodétecteur doit être loin de la source de rayonnement ou du bruit électromagnétique. La radiographie de haute énergie utilisant des accélérateurs d'électrons en est un exemple concret.
b) Parfois, des fibres optiques sont couplées à des pixels scintillateurs dans le but de placer le photodétecteur à suffisante distance de la source de radiation ou pour réduire la taille de l'instrument à proximité des pixels. Un cône d'émission de lumière étroit signifie que plus de lumière est dans l'angle critique pour la réflexion interne totale. Des exemples spécifiques utilisant cette technique sont l'imagerie dans des champs magnétiques élevés comme les champs
IRM (IRM-PET, par exemple), l'imagerie dans les cœurs des réacteurs, l'imagerie dans le corps humain ou animal (imagerie du côlon, par exemple).
Dans le cas b) ci-dessus le matériau selon l'invention est couplé à une pluralité de photo-détecteurs par la face revêtue de la couche texturée. L'invention procure un avantage non-seulement à cause de la grande distance entre le matériau et le photo-détecteur, mais aussi à cause de la pluralité de photodétecteurs compte tenu de la nécessité de séparer les rayonnements destinés à chaque photo-détecteur.
L'invention présente également un intérêt pour certains dispositifs pour lesquels le photodétecteur est très proche du scintillateur, ce qui est une configuration plus traditionnelle. A titre d'exemple, on peut citer les quatre utilisations de ce type suivantes:
a) Des matrices de pixels linéaires sont utilisées dans l'imagerie par tomodensitométrie. Une diaphonie peut se produire entre les photodiodes lorsque la lumière provenant d'un pixel voisin entre dans une photodiode. Cela provoque un flou dans la reconstruction de l'image. L'invention permet de réduire cette diaphonie en faisant passer la lumière plus directement dans la photodiode la plus proche.
b) La principale raison pour laquelle des photodétecteurs au silicium ne sont pas efficaces à 100% pour la détection des photons est que le silicium a un indice de réfraction élevé et est trop réflecteur. Les photons qui se rapprochent du silicium perpendiculairement à lui sont moins sujets à la réflexion de Fresnel. Ainsi, la lumière de scintillation qui est plus concentrée dans le cône étroit perpendiculaire à la surface du silicium aura une plus grande chance d'être transmise. Ainsi, les photodétecteurs au silicium auront un signal plus intense.
c) Comme dans le cas de l'application précédente, la lumière s'approchant de la fenêtre d'un tube photomultiplicateur (PMT) est non seulement moins réfléchie, mais de plus les photoélectrons générés à partir de la photocathode présentent moins de dissémination de l'énergie. Cela se traduit par moins de variation de gain dans le PMT et une meilleure résolution en énergie. Ainsi, les spectromètres gamma ont une plus grande résolution grâce à l'invention.
d) Les tubes photomultiplicateur (PMT) multi-anode bénéficient grâce à l'invention d'un plus grand pourcentage de photons proches de la perpendiculaire. Ces photons se diffusent moins dans la fenêtre de verre et la diaphonie en est donc réduite et la résolution spatiale est augmentée. Ces PMT multi-anodes sont utilisés dans l'imagerie médicale comme le PET et SPECT.
Dans le cas a) ci-dessus, le matériau est couplé à une pluralité de photodétecteurs par la face revêtue de la couche texturée. Dans les cas b), c) et d) ci- dessus, la réponse en puissance du photo-détecteur à un rayonnement incident varie de plus de 10% lorsque l'angle d'incidence par rapport à la normale à la surface de réception du photo-détecteur varie de 0 à 80°. En réduisant sensiblement la variation de l'angle d'incidence par rapport à la normale à la surface de réception du photo-détecteur, l'invention apporte un avantage sensible.
Les figures ne sont pas à l'échelle. La figure 1 représente un matériau scintillateur 1 dont la face de sortie est revêtu de la couche 2 selon l'invention. Les autres faces du scintillateur sont rugueuses et revêtues d'un matériau 3 réflecteur de lumière. La face texturée de sortie de la lumière est en contact avec un coupleur optique 4. L'autre face du coupleur optique transmet la lumière à un photodétecteur 5.
La figure 2 représente une lampe de projection utilisant comme source de lumière une diode 20. Celle-ci émet de la lumière dans le volume 21 , généralement sous vide. Les parois internes latérales 22 réfléchissent la lumière. Une lame 23 de YAG reçoit la lumière par une première face dirigée vers l'intérieur du volume 21 . La deuxième face de la lame 23 dirigée vers l'extérieur est munie d'une couche texturée 24 qui canalise la lumière dans un cône d'angle réduit. Selon le matériau luminescent utilisé, de la lumière non-visible émise par la source de lumière peut être convertie au cours de la traversée de la lame en lumière visible.
La figure 3 représente une partie de la face d'un scintillateur 30 revêtu d'une couche texturée 31 selon l'invention comprenant une pluralité de trous cylindriques identiques juxtaposés régulièrement à la surface du scintillateur de sorte que chaque trou cylindrique est entouré de six trous identiques à égale distance « a » de lui, les distances étant comptées à partir des axes des plots (ici, \ v \ = \ w \ = a ). L'angle alpha représente l'angle à l'intérieur duquel la lumière provenant du scintillateur est collimatée.
La figure 4 représente une partie de la face d'un scintillateur 40 revêtu d'une couche texturée 41 selon l'invention comprenant une pluralité de plots cylindriques identiques juxtaposés régulièrement à la surface du scintillateur. Chaque plot cylindrique est entouré de six plots identiques à égale distance « a » de lui, les distances étant comptées à partir des axes des plots (ici, \ v \ = \ w \ = a). L'angle alpha représente l'angle à l'intérieur duquel la lumière provenant du scintillateur est collimatée.
La figure 5 représente l'influence des paramètres « a » et D sur l'augmentation de l'extraction de lumière dans le cas d'un monocristal scintillateur LYSO (émettant à Asc = 420 nm) revêtu d'une couche de Si3N4, appliquée et texturée comme sur la figure 3 par gravure par faisceau d'électrons (e-beam), l'épaisseur de la couche correspondant à la hauteur des trous cylindriques étant de 450 nm. Le tableau ci-dessous rassemble quelques valeurs expérimentales :
Figure imgf000012_0001
Les résultats sont exprimés relativement au même cristal sans couche texturé qui donne une droite horizontale passant par la valeur 1 en ordonnée. On voit que les meilleurs résultats sont obtenus pour des valeurs de « a » les plus proches de 420 nm. Les résultats sont meilleurs lorsque l'angle (en degré) du cône d'extraction est plus petit et sont même exceptionnels en-dessous de 20°.
La figure 6 représente le pourcentage de lumière extraite par la surface de sortie d'un scintillateur LYSO émettant à Asc = 420 nm en fonction de l'angle d'extraction. Le cristal était cylindrique de diamètre 63,2 mm et de hauteur 76,2 mm. On prend ici en compte 1 watt de lumière émise au milieu du cristal et dans des directions totalement aléatoires. On compare tous les cas de figure possible, avec ou sans grattage de toutes les faces du scintillateur sauf celle de sortie, et avec ou sans texture sur la face de sortie. Dans le cas de la présence d'une couche texturée sur la face de sortie, la couche était en Si3N texturée en trous cylindriques de paramètre a = \ v \ = \ w \ = 400 nm, D= 280 nm et H= 450 nm. On voit que la combinaison d'un grattage et d'une texture donne les meilleurs résultats. Notamment, pour un angle d'extraction de 30°, la texturation augmente de plus de 50% la lumière extraite d'un cristal aux surfaces grattées.

Claims

REVENDICATIONS
1 . Matériau luminescent comprenant une face revêtue d'une couche texturée, la texture de ladite couche comprenant des motifs identiques répartis uniformément sur ladite face, ladite couche réduisant l'angle du cône d'extraction de la lumière émise par ledit matériau luminescent et passant par ladite face, l'épaisseur de ladite couche étant comprise dans le domaine allant de 10 nm à 1000 nm.
2. Matériau luminescent selon la revendication précédente, caractérisé en ce que les motifs sont des plots ou des trous.
3. Matériau luminescent selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le matériau de la couche texturée présente un indice de réfraction compris dans le domaine allant de 0,8 à 1 ,2 fois et de préférence 0,9 à 1 ,1 fois l'indice de réfraction du matériau luminescent.
4. Matériau luminescent selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que Asc/a est compris dans le domaine allant de 0,5 à 1 ,5 et de préférence de 0,8 à 1 ,3 et de manière encore préférée de 0,85 à 1 ,1 , Asc représentant la longueur d'onde d'émission du matériau luminescent et « a » représentant la distance entre les motifs.
5. Matériau luminescent selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que D/a est compris dans le domaine allant de 0,2 à 0,8 « D » représentant la taille caractéristique des motifs et « a » représentant la distance entre les motifs.
6. Matériau luminescent selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'épaisseur de la couche est comprise dans le domaine allant de 100 nm à 500 nm.
7. Matériau luminescent selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la couche texturée est en nitrure de silicium ou en oxyde de titane.
8. Matériau luminescent selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les faces non revêtues de la couche texturée sont rugueuses et revêtues d'un matériau réflecteur.
9. Matériau luminescent selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il est un matériau scintillateur.
10. Matériau luminescent selon la revendication précédente, caractérisé en ce que les faces non revêtues de la couche texturée sont rugueuses et revêtues d'un matériau réflecteur en PTFE laissant de l'air entre le matériau scintillateur et lui-même.
1 1 . Dispositif comprenant un matériau de l'une des revendications 9 ou 10, ledit matériau étant couplé à au moins un photo-détecteur par la face revêtue de la couche texturée par un système optique de couplage à angles d'admission inférieurs à 45°.
12. Dispositif selon la revendication précédente, caractérisé en ce que le système optique de couplage a un angle d'admission inférieur à 20° et même inférieur à 10°.
13. Dispositif comprenant un matériau de l'une des revendications 9 ou 10, ledit matériau étant couplé à un photo-détecteur par la face revêtue de la couche texturée, ledit détecteur étant éloigné du matériau d'une distance d'au moins 5 cm, voire au moins 1 m.
14. Dispositif d'imagerie comprenant un matériau de l'une des revendications 9 ou 10, ledit matériau étant couplé à une pluralité de photo-détecteurs par la face revêtue de la couche texturée.
15. Dispositif comprenant un matériau de l'une des revendications 9 ou 10, ledit matériau étant couplé à un photo-détecteur par la face revêtue de la couche texturée, la réponse en puissance du photo-détecteur à un rayonnement incident variant de plus de 10% lorsque l'angle d'incidence par rapport à la normale à la surface de réception du photo-détecteur varie de 0 à 80°.
16. Lampe de projection comprenant une source de lumière et une lame du matériau luminescent de l'une des revendications 1 à 7, la source de lumière émettant de la lumière vers une première face de la lame, la deuxième face de la lame étant revêtue de la couche texturée.
17. Lampe selon la revendication précédente, caractérisée en ce que le matériau luminescent convertit de la lumière incidente non-visible en lumière émergente visible.
18. Lampe selon l'une des deux revendications précédentes, caractérisée en ce que le matériau luminescent est du type YAG ou GAG ou GYGAG, notamment du type YAG: Ce ou GAG:Ce ou GYGAG:Ce.
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