TWO-DIMENSIONAL IONISING PARTICLE DETECTOR

DETECTEUR BIDIMENSIONNEL DE PARTICULES IONISANTES COMPRENANT UNE MATRICE DE FIBRES DETECTRICES

Abrégé français

L'invention concerne un détecteur bidimensionnel de particules ionisantes
comprenant une matrice de fibres détectrices, chaque fibre détectrice
constituant un pixel du détecteur. Une fibre détectrice est constituée d'un
capillaire de verre rempli de scintillateur liquide dont la composition
chimique est choisie de façon que le libre parcours moyen de photons de
scintillation primaire soit négligeable devant le diamètre du capillaire (d).
L'invention s'applique, par exemple, à l'imagerie de particules à fort pouvoir
de résolution.

Abrégé anglais

The invention relates to a two-dimensional ionising particle detector comprising a matrix of detecting fibres, each detecting fibre forming a pixel of the detector. One detecting fibre comprises a glass capillary which is filled with liquid scintillator having a chemical composition which is selected such that the mean free path of primary scintillation photons is negligible compared to the diameter of the capillary (d). The invention is suitable, for example, for the imaging of particles with high resolution power.

Revendications

9
REVENDICATIONS
1. Détecteur bidimensionnel de particules
ionisantes comprenant une matrice de fibres
détectrices, chaque fibre détectrice constituant un
pixel du détecteur et comprenant un scintillateur pour
émettre une lumière de scintillation, caractérisé en ce
que chaque fibre détectrice est constituée d'un
capillaire de verre rempli de scintillateur liquide
dont la composition chimique est choisie de façon que
le libre parcours moyen de photons de scintillation
primaire soit négligeable devant le diamètre du
capillaire (d).
2. Détecteur bidimensionnel selon la
revendication 1, caractérisé en ce que le scintillateur
liquide est un scintillateur liquide binaire.
3. Détecteur bidimensionnel selon la
revendication 1, caractérisé en ce que le scintillateur
liquide est un scintillateur liquide ternaire.
4. Détecteur bidimensionnel selon la
revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le
scintillateur liquide comprend du PXE pour solvant.
5. Détecteur bidimensionnel selon l'une
quelconque des revendications précédentes, caractérisé
en ce que le scintillateur liquide contient du
deutérium.
6. Détecteur bidimensionnel selon l'une

10
quelconque des revendications précédentes, caractérisé
en ce que les capillaires ont un diamètre compris entre
20 et 500µm et une longueur comprise entre 10 et 50mm
et en ce que la matrice de capillaires présente une
section sensiblement égale à 100x100 mm 2.
7. Détecteur bidimensionnel selon l'une
quelconque des revendications précédentes, caractérisé
en ce que les capillaires sont placés dans une cuve
comprenant une première paroi (7) munie d'un hublot de
verre transparent à la longueur d'onde de la lumière de
scintillation et une deuxième paroi (8) située en face
de la première paroi (7) et faite d'un miroir
réfléchissant à ladite longueur d'onde, les particules
ionisantes pénétrant dans le détecteur par le miroir.
8. Détecteur bidimensionnel selon la
revendication 7, caractérisé en ce que la cuve comprend
des parois supérieure et inférieure qui comprennent des
membranes élastiques (9,10) pour absorber des
dilatations thermiques.

Description

CA 02480112 2004-09-23
WO 03/081279 PCT/FR03/00919
1
DETECTEUR BIDIMENSIONNEL DE PARTICULES IONISANTES
Domaine technique et art antérieur.
L'invention concerne un détecteur
bidimensionnel de particules ionisantes.
L'invention s'applique, par exemple, au domaine
de l'imagerie de particules à fort pouvoir de
pénétration.
L'imagerie de particules à fort pouvoir de
pénétration (par exemple les neutrons rapides ou les
rayons gamma) requiert des détecteurs ayant une bonne
résolution et un pouvoir d'arrêt élevé.
De tels détecteurs sont utilisés, par exemple,
dans la fusion de deutérium (DD) ou d'un mélange de
deutérium (D) et de tritium (T) par confinement
inertiel à l'aide de laser de puissance. La fusion de
ces isotopes de l'hydrogène se produit dans un volume
de dimension caractéristique 50 ~.zm. La réaction
nucléaire de fusion s'accompagne de la libération d'un
neutron rapide de 14,1 MeV pour un mélange DT ou de
2,45 MeV pour un mélange DD. Les neutrons rapides ont
un libre parcours suffisant pour sortir du combustible.
L'image neutronique permet de localiser la zone où
brûlent les isotopes de ~ l'hydrogène. L'image
neutronique ou l'image gamma sont formées soit par un
sténopé, soit par une ouverture codée telle qu'un
diaphragme de pénombre ou un anneau. Des détecteurs à
forte efficacité de détection et capables de localiser
le point d'interaction de la particule sont nécessaires
à l'enregistrement de cette image.
A ce jour, les détecteurs bidimensionnels de

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particules ionisantes sont réalisés en assemblant des
milliers de fibres à scintillateur plastique, chaque
fibre ayant une longueur comprise typiquement entre 1
et 10 cm et constituant un pixel du détecteur. Un tel
détecteur est représenté aux figures 1A et 1B. Un
ensemble de fibres 2 à scintillateur plastique sont
maintenues dans un cylindre 1. Chaque fibre à
scintillateur plastique 2 a un diamètre D sensiblement
égal, par exemple, à lmm.
Une fibre à scintillateur plastique est
représentée en figure 2. Elle est constituée d'un
barreau de scintillateur plastique 3 à haut indice de
réfraction (typiquement de l'ordre de 1,6) entouré
d'une gaine 4 d'indice optique inférieur (typiquement
de l'ordre de 1,5). Les particules incidentes à
détecter P (neutrons, rayonnement gamma) ont une
trajectoire parallêle à l'axe de la fibre et déposent
leur énergie dans le scintillateur plastique. I1 y a
création d'ions de recul I et une fraction de l'énergie
déposée est convertie en photons primaires Phl, puis en
photons secondaires Ph2 et tertiaires Ph3. Les photons
tertiaires Ph3 constituent une lumière de scintillation
visible qui est guidée jusqu'à une extrémité de la
fibre où une image est enregistrée à l'aide d'un
détecteur CCD (CCD pour « Charge Coupled Devise »).
Plusieurs centimètres de fibre sont nécessaires pour
détecter efficacement des particules très pênétrantes
comme les neutrons rapides.
Pour des longueurs de fibres supérieures au
centimètre, cette technologie limite le diamêtre
minimal des fibres à environ 0,5 mm.

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De plus, il est connu que l'échantillonnage
d'une image limite la résolution ultime dans la source
à deux fois la taille d'un pixel divisé par le
grandissement du système d'imagerie. En l'occurrence,
le grandissement d'un système d'imagerie doit donc être
de l'ordre de 200 pour obtenir des résolutions
spatiales inférieures à la taille de la source, par
exemple des résolutions de l'ordre de 5 ~.zm.
L'instrument de mesure s'étend alors sur des distances
importantes qui peuvent être supérieures à une dizaine
de mètres.
Par ailleurs, la réalisation d'un détecteur est
obtenue par l'assemblage fastidieux de plusieurs
milliers de pixels un à un. I1 en résulte des
imperfections dans l'arrangement régulier des pixels.
De plus, le manque de rigidité des fibres à
scintillateur plastique et leur dilatation importante
ne permet pas de garantir une colinéarité précise entre
chaque fibre.
D'autre part, l'interaction des neutrons
rapides dans un scintillateur plastique est dominée par
la diffusion élastique sur l'hydrogène. Ainsi, les ions
de recul I déposent-ils leur énergie sur un cylindre de
diamètre typique 1 mm lorsque les particules incidentes
(neutrons, rayonnement gamma) ont une énergie de
14,1 MeV. Une autre limitation de la résolution
spatiale dans la source est donc la largeur du dépôt
d'énerg.ie (diamètre du cylindre) divisée par le
grandissement.
Ainsi, la technologie de fabrication des
détecteurs bidimensionnels selon l'art connu limite-t-

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elle les performances des instruments dans lesquels
sont implantés ces détecteurs. Par exemple, dans une
matrice de fibres à scintillateur plastique de diamètre
0,5 mm, la résolution spatiale du détecteur de neutrons
est limitée à 1,4 mm pour des neutrons de 14,1 MeV et à
1 mm pour des neutrons de 2,45 MeV.
L'invention ne présente pas les inconvénients
mentionnés ci-dessus.
Exposé de l'invention
En effet l'invention concerne un détecteur
bidimensionnel de particules ionisantes comprenant une
matrice de fibres détectrices, chaque fibre détectrice
constituant un pixel du détecteur et comprenant un
scintillateur pour émettre une lumière de
scintillation, caractérisé en ce que chaque fibre
détectrice est constituée d'un capillaire de verre
rempli de scintillateur liquide dont la composition
chimique est choisie de façon que le libre parcours
moyen de photons de scintillation primaire soit
négligeable devant le diamètre du capillaire.
D'autres caractéristiques et avantages de
l'invention apparaîtront à la lecture d'un mode de
réalisation préférentiel fait en référence aux figures
jointes parmi lesquelles .
- la figure lA représente un détecteur
bidimensionnel de particules ionisantes selon l'art
antérieur ;
- la figure 1B représente une vue de détail de
la figure 1A ; .
- la figure 2 représente ~1'interaction de

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particules ionisantes à détecter dans une fibre à
scintillateur plastique selon l'art antérieur ;
- la figure 3 représente un détecteur
bidimensionnel de particules ionisantes selon un mode
5 de réalisation préférentiel de l'invention.
Sur toutes les figures les mêmes repères
désignent les mêmes éléments.
Description détaillée de modes de mise en oeuvre de
l'invention.
La figure 3 représente un détecteur
bidimensionnel de particules ionisantes selon
l'invention.
Le détecteur bidimensionnel selon l'invention
comprend une matrice de capillaires 6 remplis de
scintillateur liquide. La matrice de~capillaires. 6 est
placée dans une cuve 5.~ Les capillaires ont, par
exemple, un diamètre moyen d inférieur ou égal à 500 ~.zm
pouvant atteindre, par exemple, 20 ~zm. L'indice de
réfraction du verre des capillaires est, par exemple,
de 1,49. Le parallêlisme des capillaires est inférieur
à 100 micro-radian. La trajectoire des particules
incidentes est parallèle à l'axe des capillaires.
Le scintillateur liquide a, par exemple, un
indice de réfraction de 1,57. La composition chimique
du scintillateur liquide est choisie pour que les
photons de scintillation primaire aient un libre
parcoursmoyen négligeable devant le diamètre du
capillaire. Les photons de scintillation primaire
induits dans le solvant ont, par exemple, une longueur
d'onde de 300 nm.

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Le scintillateur liquide est soit un
scintillateur liquide binaire, soit un scintillateur
liquide ternaire. Dans le premier cas, le scintillateur
liquide comprend un premier composant scintillateur qui
absorbe les photons W de scintillation primaire pour
émettre une émission secondaire de plus grande longueur
d'onde, par exemple 370 nm. Dans le second cas, le
scintillateur liquide comprend, outre le premier
composant, un deuxième composant scintillateur qui
absorbe l'émission secondaire émise par le premier
composant pour émettre à son tour à une longueur d'onde
comprise entre 400 nm et 500 nm, par exemple 420nm.
Dans les deux cas, l'indice de réfraction du liquide
scintillateur et l'indice de réfraction du verre qui
constitue le capillaire sont choisis pour guider la
lumière. de scintillation vers une extrémité de sortie
du capillaire.
Le solvant qui compose le capillaire est, par
exemple, du PXE (PXE pour phenyl-o-xylylethane). A
titre d'exemple non limitatif, le scintillateur liquide
binaire a une résolution spatiale de 6 ~zm et émet à
370 nm et le scintillateur liquide ternaire a une
résolution spatiale de 7 um et émet à 420 nm. Les
scintillateurs binaire et ternaire peuvent ainsi être,
par exemple, les composants commercialisés
respectivement sous les références EJ-399-05C2 et EJ-
399-05C1.
Prêférentiellement, le scintillateur liquide
contient du deutérium. L'utilisation de deutérium
permet avantageusement de diminuer d'un facteur 2 la
largeur de la zone de dépôt d'énergie du neutron autour

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de son point d'interaction. Le liquide peut également
contenir une solution de lithium ou d'un élément de
masse atomique supérieure au lithium. Par ailleurs,
l'émission de scintillation voit son intensité divisée
par le facteur e (e .- 2,71828) en quelques nano-
secondes. Cette propriété permet de sélectionner la
bande d'énergie des neutrons par temps de vol. Cette
propriété permet également de différencier les neutrons
des photons qui accompagnent généralement la production
des neutrons. De par sa nature, le scintillateur
binaire présente un temps de montée de quelques
dizaines de pico-secondes. Cette propriété est
essentielle, par exemple, pour les applications de
cinématographie ultrarapide subnanoseconde.
La cuve 5 comprend une première paroi 7 munie
d'un hublot dé verre transparent à la longueur d'onde
de scintillation et une deuxième paroi 8, située en
face de la deuxième paroi, et faite d'un miroir
réfléchissant à cette longueur d'onde. Dans la cuve,
les capillaires sont placés entre le hublot et le
miroir et leur axe est perpendiculaire au miroir et au
hublot. Les particules à détecter pénètrent dans le
détecteur par le miroir. La lumière de scintillation
est recueillie par le hublot 7. Cette lumière étant
émise de manière ïsotrope, la fraction de lumière émise
qui part vers le miroir est réfléchie par celui-ci et
renvoyée vers le hublot de sortie.
Sur les parois supérieure et inférieure de la
cuve, qui sont des parois parallèles à l'axe des
capillaires, des membranes élastiques respectives 9 et
10 absorbent les dilatations thermiques du

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scintillateur.
La matrice de détecteurs présente, par exemple,
une section de l'ordre de 100x100 mm2 et une épaisseur E
qui peut aller de 10 à 50 mm. Elle est réalisée d'un
seul bloc par assemblage multiple de macro faisceaux
contenant des faisceaux élémentaires. Cette technique
permet de réaliser des détecteurs monolithiques de
grande section. La matrice de capillaires est
préférentiellement réalisée sur une épaïsseur bien
supérieure à l'épaisseur désirée de manière à assurer
une bonne colinéarité entre capillaires (par exemple
inférieure à 100 ~.zradians) .
Un exemple numérique de réalisation d'un
détecteur utilisé pour acquérir l'image neutronique
d'une capsule de 1 mm de diamètre, remplie de deutérium
et implosée par un laser de 30 kJ est donné ci-après.
La matrice de capillaires est un pavé de 100 mm de côté
et de 50 mm d'épaisseur. Chaque capillaire a un
diamètre de 250 ~zm. Le scintillateur liquide, d'indice
optique 1,57, contient du deutérium à 98 %. Son
efficacité de scintillation est de 80 % par rapport à
l'anthracêne et sa constante de décroissance est de
3 ns. La cuve, en acier inoxydable, est fermée par un
miroir et un hublot en verre. Quatre membranes
élastiques permettent la dilation thermique du
scintillateur.

Dessin représentatif