FR2552233A1 - Dispositif de mesure de radiations et camera a scintillation equipee d'un tel dispositif - Google Patents

Abstract

DISPOSITIF DE MESURE DE RADIATIONS COMPRENANT POUR LA DETECTION DES RADIATIONS UN SCINTILLATEUR 10, OPTIQUEMENT COUPLE A LA FENETRE D'ENTREE D'UN PHOTODETECTEUR 20 POUR LA CONVERSION EN COURANT DES SCINTILLATIONS CORRESPONDANT AUX RADIATIONS, ET UN CIRCUIT DE PREAMPLIFICATION ET DE FILTRAGE 30 DESTINE A DELIVRER DES SIGNAUX ANALOGIQUES PROPORTIONNELS A L'INTENSITE DE CE COURANT. CE DISPOSITIF COMPREND, A LA SUITE D'UN CIRCUIT D'ECHANTILLONNAGE ET DE CONVERSION ANALOGIQUE-NUMERIQUE 40, TOUTE UNE SERIE DE CIRCUITS NUMERIQUES DONT L'AGENCEMENT PERMET, DANS LE CAS SIMPLE DE RADIATIONS NON SUPERPOSEES, DE DETERMINER DIRECTEMENT L'ENERGIE DE CHACUNE D'ENTRE ELLES ET, DANS LE CAS PLUS COMPLEXE DE RADIATIONS PARTIELLEMENT SUPERPOSEES, DE DETERMINER LEUR ENERGIE PAR LE JEU D'EXTRAPOLATIONS ET DE CORRECTIONS, A L'AIDE NOTAMMENT DE MEMOIRES 170 ET 180 STOCKANT DES COEFFICIENTS PERMETTANT CES EXTRAPOLATIONS ET CORRECTIONS SOUS LA COMMANDE D'UN CIRCUIT SEQUENCEUR 200. APPLICATION : CAMERAS A SCINTILLATION.

Description

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DISPOSITIF DE MESURE DE RADIATIONS ET CAMERA A SCINTILLATION

EQUIPEE D'UN TEL DISPOSITIF

La présente invention concerne un dispositif de mesure de radiations, ainsi qu'une sonde gamma ou une caméra à scintillation

équipée d'un tel dispositif.

Le brevet des Etats-Unis d'Amérique n 3 525 047 délivré 05 le 18 août 1970 au nom de la société cessionnaire Schlumberger Technology Corporation décrit un dispositif de mesure de radiations comprenant essentiellement les éléments suivants: un scintillateur pour la détection des radiations, optiquement couplé à la fenêtre d'entrée d'un photodétecteur (tel qu'un tube photomultiplicateur) 10 pour la conversion en courant des scintillations correspondant aux radiations, un amplificateur de courant destiné à délivrer des signaux analogiques proportionnels à l'intensité de ce courant, et un circuit de séparation de radiations Ce circuit de séparation de radiations comprend lui-même d'une part des moyens pour créer à partir 15 d'un paramètre mesuré représentatif du signal de sortie de l'amplificateur de courant un signal dit de fac-similé correspondant à une détection d'une seule radiation, d'autre part des moyens pour resynchroniser le signal réel de sortie de l'amplificateur de courant et ce signal de fac-similé et en opérer la soustraction, et enfin des 20 moyens pour analyser le signal résiduel issu de cette soustraction et en déduire la composition du signal réel de sortie de l'amplificateur

de courant.

Si l'analyse ainsi effectuée révèle que ce signal de sortie était composé de plus de deux signaux superposés correspondant 25 chacun à la détection d'une seule radiation, une nouvelle mise en oeuvre des mêmes moyens peut alors être assurée (création d'un signal de fac-similé, synchronisation de celui-ci et du signal de sortie de l'amplificateur de courant, soustraction mutuelle, etc) pour accroître la précision de détection et de comptage, par exemple en pré30 voyant de fournir le signal résiduel à une nouvelle série de circuits -2

identiques à ceux ayant opéré la première séparation.

Le dispositif de mesure de radiations ainsi proposé présente cependant différents inconvénients, inhérents à son principe de fonctionnement: (a) il faut, préalablement à chaque opération de sé05 paration éventuelle des signaux détectés, effectuer la génération du signal de fac-similé servant de référence lors de la soustraction; (b) l'analyse du signal résiduel, impliquant en général l'utilisation

d'un circuit à seuil, peut s'avérer délicate et imprécise.

Le but de l'invention est de proposer un dispositif de 10 mesure de radiations dont le fonctionnement repose sur un autre principe que celui décrit et qui élimine ainsi les deux inconvénients cités. L'invention concerne à cet effet un dispositif de mesure de radiations comprenant pour la détection des radiations un scintil15 lateur, optiquement couplé à la fenêtre d'entrée d'un photodétecteur pour la conversion en courant des scintillations correspondant aux radiations, et un circuit de préamplification et de filtrage destiné à délivrer des signaux analogiques proportionnels à l'intensité de ce courant, caractérisé en ce que: (A) il comprend en série, en sortie de ce circuit, un circuit d'échantillonnage et de conversion analogique-numérique et un additionneur à la suite duquel sont prévus un premier registre de stockage de la sortie de cet additionneur, dont la sortie est renvoyée vers une deuxième entrée de l'additionneur, et un deuxième re25 gistre de stockage de la sortie de l'additionneur; (B) il comprend également en série, en sortie du photodétecteur ou du circuit de préamplification et de filtrage un détecteur de début d'impulsion, un circuit d'horloge, un compteur des signaux d'horloge, un circuit de test du nombre de ces signaux, et un 30 circuit séquenceur recevant également la sortie du détecteur de début d'impulsion, la sortie du circuit d'horloge étant également envoyée vers le circuit d'échantillonnage et de conversion analogique-numérique et vers le premier registre de stockage de la sortie de l'additionneur; -3 (C) il comprend également (a) en série, en sortie du deuxième registre, un soustracteur et deux voies en parallèle comprenant en série l'une un premier multiplicateur et un troisième registre dont la sortie constitue la sortie du dispositif de mesure de radiations et l'autre un deuxième multiplicateur et un quatrième registre dont la sortie constitue l'entrée négative du soustracteur; (b) en sortie du compteur et en parallèle sur le circuit de test, un cinquième registre de stockage de la sortie de ce 10 compteur, ce cinquième registre étant lui-même suivi, en parallèle, d'une première mémoire de coefficients d'extrapolation dont la sortie constitue la deuxième entrée du premier multiplicateur et d'une deuxième mémoire de coefficients de correction dont la sortie constitue la deuxième entrée du deuxième multiplicateur; 15 (D) le circuit séquenceur est relié: (a) par une première sortie au deuxième registre et au cinquième registre, pour la validation du contenu de ces registres lors du basculement du circuit de test ou lors de l'indication par le détecteur de début d'impulsion de l'arrivée d'une deuxième radiation 20 partiellement superposée à la radiation précédente; (b) par une deuxième sortie au premier registre et au compteur, pour la remise à zéro de ces deux circuits après la validation des contenus des deuxième et cinquième registres; (c) par une troisième sortie retardée d'un intervalle 25 de temps 1 par rapport à la première sortie, au troisième registre, pour la validation du contenu de celui-ci dès que les calculs en amont de ce registre sont terminés;

(d) par une quatrième sortie retardée d'un intervalle de temps C 2 par rapport à la troisième sortie, au quatrième re30 gistre, pour la validation du contenu de celui-ci dès que la validat Iion du contenu du troisieème registre a eu lieu.

Les particularités et avantages de l'invention apparaitront maintenant de façon plus précise dans la description qui suit et dans les dessins annexés, donnés à titre d'exemples et dans les3 e quels

-4 la figure 1 composée des figures 1 A et l B à lire simultanément montre un exemple de réalisation du dispositif de mesure de radiations selon l'invention; les figures 2 a à 2 f montrent la superposition partielle des si05 gnaux électriques correspondant à deux radiations successives rapprochées et mettent en évidence les étapes intermédiaires de ealcul exécutées par le dispositif selon l'invention; les figures 3 a à 3 h sont des diagrammes temporels mettant en évidence la succession chronologique des opérations effectuées par le 10 dispositif selon l'invention, en fonction des différentes situations qui peuvent se présenter; la figure 4 montre plus en détail le circuit logique qui, dans

le dispositif selon l'invention, assure la gestion de ces opérations.

Le dispositif de mesure de radiations représenté sur la 15 figure 1 (constituée des figures 1 A et l B) comprend tout d'abord, pour la détection des radiations, un scintillateur 10 qui convertit chaque photon reçu en scintillation et qui est optiquement couplé à la fenêtre d'entrée d'un photodétecteur constitué ici par un tube photomultiplicateur 20 Celui-ci convertit chaque scintillation en un 20 courant qui est alors transformé par un circuit de préeamplification et de filtrage 30 en des signaux dont l'amplitude est liée à celle du courant de sortie du tube photomultiplicateur 20 et donc à la scintillation initiale (ce circuit 30 adapte donc le niveau du signal qu'il reçoit, tout en réalisant un léger filtrage de façon à lisser 25 le signal) Le circuit 30 est suivi, en série, d'un circuit d'échantillonnage et de conversion analogiquenumérique 40 et d'un additionneur 50, à la suite desquels sont prévus un premier registre 60 de stockage de la sortie de l'additionneur, dont la sortie est renvoyée

vers une deuxième entrée de l'additionneur, et un deuxième registre 30 70 également de stockage de la sortie de l'additionneur.

On réalise ainsi, par addition cumulative et mémorisation correspondante au fur et à mesure de l'arrivée des échantillons, une détermination progressive de l'énergie associée à chaque radiation, sous le contr 8 le d'un circuit d'horloge 90 qui est ici indépendant, 35 mais qui pourrait aussi tre initialisé par le détecteur de début -5 d'impulsion 80 prévu (la connexion en traits interrompus entre les circuits 80 et 90 correspond à cette deuxième possibilité); on notera aussi que ce détecteur d'impulsion est placé ici en sortie du photodétecteur 20, mais qu'il pourrait être situé en sortie du circuit 05 de préamplification et de filtrage 30 Le circuit d'horloge 90 génère les signaux périodiques fournis au circuit 40, assure la synchronisation de celui-ci et du registre 60, et assure également la commande d'un compteur 100 des signaux d'horloge, le nombre ainsi compté étant

soumis à un circuit de test 110 dont la sortie est envoyée vers un 10 circuit 200 dit séquenceur.

Si le nombre d'échantillons pris en compte est considéré comme suffisant par le circuit de test 110 (qui est un comparateur de ce nombre d'échantillons à un nombre de référence préalablement choisi, par exemple au nombre d'échantillons après lesquels l'amplitude 15 du signal n'est plus qu'une fraction déterminée de son amplitude maximale), ce circuit 110 commande en conséquence le séquenceur 200: il y a validation du contenu du registre 70, qui est transféré vers la première entrée d'un soustracteur 120, et validation du contenu d'un registre 190 de stockage de la sortie du compteur 100, puis re20 mise à zéro du registre 60 et du compteur 100 afin de rendre le dispositif à nouveau disponible pour la mesure d'une autre radiation non

superposée à la première.

La deuxième entrée du soustracteur 120 recevant dans le cas décrit un signal nul (on verra en détail plus loin pour quelle 25 raison), le signal de sortie du registre 70 est transmis tel quel vers la première entrée d'un multiplicateur 130 qui le transmet également tel quel vers un registre 140, le signal présent sur la deuxième entrée de ce multiplicateur étant dans le cas décrit égal à 1 (on expliquera également plus loin pour quelle raison) Il ne reste 30 plus alors qu'à valider la sortie du registre 140 (toujours sur ordre du séquenceur 200) pour disposer en sortie du dispositif d'un signal proportionnel à l'énergie de la radiation détectée; cette validation n'est opéree qu'après un temps de retard -Y 1 par rapport à la validation des registres 70 et 190, afin de tenir compte des temps de

t 5 ransfert et de ealncul en amont du registre 140.

-6 Si au contraire, avant que le nombre d'échantillons pris en compte ait pu être considéré comme suffisant pour que l'énergie mesurée représente pratiquement celle de toute la radiation, une deuxième radiation survient, il se produit une superposition partiel05 le des signaux électriques correspondants (voir la figure 2 a) Le fonctionnement du dispositif est alors le suivant: (a) à l'arrivée de la deuxième radiation (cette arrivée est indiquée par le détecteur de début d'impulsion 80 qui, étant par exemple un détecteur de rupture de pente tel qu'un circuit à seuil agissant en fonction de la valeur du signal dérivé du signal électrique correspondant aux radiations, est capable de détecter aussi bien l'arrivée d'une deuxième radiation superposée à une précédente que l'arrivée d'une radiation isolée bien distincte), il y a comme précédemment validation des sorties des registres 70 et 190 (le nombre 15 d'échantillons déjà pris en compte à cet instant t est égal à nj), puis, cette validation étant terminée, remise à zéro du registre 60 et du compteur 100 qui sont donc disponibles à partir de cet instant tj pour effectuer respectivement un nouveau cumul des signaux de sortie de l'additionneur 50 et un nouveau comptage du nombre d'échantillons pris en compte; (b) il y a extrapolation de l'énergie correspondant à la première radiation (surface hachurée sur la figure 2 b) à partir du résultat partiel présent en sortie du registre 70, cette extrapolation étant possible parce que la forme de la courbe de réponse à une radiation est connue et étant réalisée par multiplication, dans le 25 multiplicateur 130, du signal de sortie du registre 70 (surface hachurée sur la figure 2 c) par un coefficient Cnj supérieur à 1 et délivré par une mémoire 170 en correspondance à la valeur n reçue par cette mémoire (le soustracteur 120 ne perturbe pas cette opération d'extrapolation, sa deuxième entrée négative recevant pour le 30 moment un signal nul); (c) la validation du registre 140 contenant le résultat de l'extrapolation effectuée en (b) intervient comme précédanment après un intervalle de temps '1 suivant la validation des registres 70 et 190;

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-7 (d) pendant ladite extrapolation, une mémoire 180 placée en parallèle sur la mémoire 170, en sortie du registre 190, délivre un coefficient C'nj qui est multiplié dans un multiplicateur 150 par le signal de sortie du registre 70 (surface hachurée sur la fi05 gure 2 c), afin de connaître l'énergie correspondant à la surface hachurée sur la figure 2 d; (e) le signal correspondant à cette énergie est stocké dans un registre 160 qui n'est validé qu'après un intervalle de temps " 2 suivant celle du registre 140, et le signal de sortie est alors envoyé vers la deuxième entrée négative du soustracteur 120; (f) l'énergie correspondant à la deuxième radiation (surface hachurée sur la figure 2 e) est alors déterminée en soustrayant du signal de sortie du registre 70 (surface hachurée sur la figure 2 f) le signal correspondant à la surface hachurée sur la figure 2 d. 15 Le signal ainsi obtenu est multiplié par le signal de sortie de la mémoire 170, qui est un coefficient égal à 1 si aucune nouvelle radiation ne vient perturber la seconde et supérieur à 1 si une troisième radiation survient avant remise à zéro complète du signal électrique correspondant à la seconde, et le résultat de cette multi20 plication est stocké dans le registre 140, qui est ensuite validé dans les mêmes conditions que précédemment (soit à l'instant o l'on estime qu'un nombre suffisant d'échantillons a été pris en compte

pour la deuxième radiation, soit à l'instant o une nouvelle radiation survient) On a ainsi opéré la séparation des signaux électri25 ques correspondant à chacune des radiations et qui étaient partiellement superposés compte tenu de la rapidité de la succession de ces radiations Si une nouvelle radiation survient, le processus de détermination est systématiquement repris de façon identique.

Les figures 3 a à 3 h mettent en évidence la succession 30 chronologique des operations effectuées par le dispositif qui vient d'être décrit En effet: la figure 3 a montre le signal d'horloge délivré par le circuit jd'hrlcge 90, qui impose la cadence d'apparition des échanctillons; la figure 3 b m ontre, dans le cas ou une seule radiation a été détect e 9 l'appali on en sortie du circuit de test i 10 d'un signal -8 dit de fin de cumul, indiquant qu'un nombre suffisant d'échantillons a été pris en compte et que l'on peut arrêter les additions cumulées dans l'additionneur 50, valider (par apparition du signal ( 1) de la figure 3 e) la sortie du registre 70 de stockage du conte05 nu de cet additionneur (ainsi que, simultanément, celle du registre ) et remettre à zéro (par apparition du signal ( 1) de la figure 3 f) le registre 60 et le compteur 100 dès que la validation des registres 70 et 190 est terminée; la figure 3 c montre, dans le cas o deux radiations se succè10 dent de façon suffisamment rapprochée pour que les signaux correspondants soient partiellement superposés, les signaux successifs indiquant la détection de ces deux radiations et commandant, le premier, la fin de l'état de remise à zéro maintenu depuis la fin du traitement concernant la radiation précédente et, le second, la 15 validation de la sortie du registre 70, suivie d'une remise à zéro du registre 60 et du compteur 100 pour permettre le nouveau cumul de l'énergie correspondant à la deuxième radiation détectée (ce nouveau cumul étant interrompu soit, de façon similaire, par l'arrivée d'une troisième radiation partiellement superposée à la deuxième, avec nouvelle validation des registres 70 et 190 et remise à zéro du registre 60 et du compteur 100, soit conmme déjà vu précédemment, par l'arrivée d'un signal de fin de cumul indiquant qu'un nombre suffisant d'échantillons a été pris en compte lors de ce cumul de l'énergie correspondant à la deuxième radiation); la figure 3 d montre l'état électrique d'une position intermédiaire d dans le circuit de la figure 4, qui va être décrit plus loin; les figures 3 e et 3 f montrent, on l'a vu, respectivement les signaux commandant la validation des registres 70 et 190 et les 30 signaux commandant la remise à zéro du registre 60 et du compteur dans le cas ( 1) d'une seule radiation et dans le cas ( 2) o deux radiations se superposent; la figure 3 g montre le signal qui commande la validation du contenu du registre 140 de sortie du dispositif selon l'invention, -9 validation qui intervient après un intervalle de temps I 1 suivant les signaux de la figure 3 e; la figure 3 h montre le signal qui commande la validation du

contenu du registre 160, cette validation n'intervenant qu'après un 05 intervalle de temps 12 suivant les signaux de la figure 3 g.

Le séquenceur 200 qui gère ces différentes opérations décrites en référence aux figures 3 a à 3 h comprend, dans le mode de réalisation de la figure 4, trois bascules monostables 401, 402 et 407, une bascule 403 de type RS (le fonctionnement des bascules RS, 10 bien connu, est décrit par exemple dans l'ouvrage "De la logique câblée aux microprocesseurs", tome 1: "Circuits combinatoires et séquentiels fondamentaux", de J M Bernard, J Hugon et R Le Corvec, Collection Technique et Scientifique des Télécommunications, 1982, Editions Eyrolles, Paris), deux portes ET 404 et 408, deux portes OU 15 405 et 406, et deux lignes à retard 409 et 410 On peut vérifier que cette structure conduit bien au fonctionnement qui a été décrit précédemment: si par exemple la sortie b de la bascule monostable 401 est à 1 (présence du signal de fin de cumul de la figure 3 b, 20 délivré à la suite du basculement du circuit de test 110), et que l'on a O en c, on a 1 en d, O en k, 1 en 1, 1 en e (signal de la figure 3 e), et 1 en m Dès que e repasse à 0, f passe à 1 (remise a zéro) et y reste tant que d est à 1, tandis que g et h suivent les valeurs obtenues en e avec des retards respectivement égaux à 1 25 et 1 + I 2 ' si, la sortie b de la bascule monostable 401 étant à 0, c est maintenant à 1 (arrivée de la première de deux radiations

pour lesquelles les signaux électriques correspondants sont partiellement superposés), d repasse à O quand c revient aussi à 0, k 30 reste à O, et 1, e, g, h sont à 0.

si c repasse à 1 (arrivée de la deuxième des deux radiations), k passe à 1 et 1, e, m, g, h également, f ne venant à 1 (remise à zero) que lorsque e repasse à O et retournant à O quand

m, c'est-à-dire k, et donc c reviennent à 0.

Bien entendu, la présente invention n'est pas limitée -10 aux réalisations décrites en référence aux figures, à partir desquelles des variantes peuvent être proposées sans pour cela sortir du cadre de l'invention On notera par exemple que, si le détecteur de début d'impulsion 80 est raccordé, comme indiqué sur 05 la figure 1, entre les circuits 20 et 30; il comprend en tête un élément de filtrage, mais qu'un tel élément n'est plus nécessaire

si ce mme détecteur est raccordé entre les circuits 30 et 40.

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Claims (2)

REVENDICATIONS:

1 Dispositif de mesure de radiations comprenant pour la détection des radiations un scintillateur, optiquement couplé à la 05 fenêtre d'entrée d'un photodétecteur pour la conversion en courant des scintillations correspondant aux radiations, et un circuit de préamplification et de filtrage destiné à délivrer des signaux analogiques proportionnels à l'intensité de ce courant, caractérisé en ce que: (A) il comprend en série, en sortie de ce circuit, un circuit d'échantillonnage et de conversion analogique-numérique et un additionneur à la suite duquel sont prévus un premier registre de stockage de la sortie de cet additionneur, dont la sortie est renvoyée vers une deuxième entrée de l'additionneur, et un deuxiène re15 gistre de stockage de la sortie de l'additionneur; (B) il comprend également en série, en sortie du photodétecteur ou du circuit de préamplification et de filtrage un détecteur de début d'impulsion, un circuit d'horloge, un compteur des signaux d'horloge, un circuit de test du nombre de ces signaux, et un 20 circuit séquenceur recevant également la sortie du détecteur de début d'impulsion, la sortie du circuit d'horloge étant également envoyée vers le circuit d'échantillonnage et de conversion analogique-numérique et vers le premier registre de stockage de la sortie de l'additionneur; (C) il comprend également: (a) en série, en sortie du deuxième registre, un soustracteur et deux voies en parallèle comprenant en série l'une un premier multiplicateur et un troisième registre dont la sortie constittue la sortie du dispositif de mesure de radiations et l'autre un 30 dewuième multiplicateur et un quatrième registre dont la sortie constitue 1 'entr e négative du soustracteur; (b) en sortie du compteur et en parallèle sur le circuit de test, un cinquiémle registre de stockage de la sortie de ce eonopteur, ce cinquième registre étant luimmem suivi, en parallèle, -12 d'une première mémoire de coefficients d'extrapolation dont la sortie constitue la deuxième entrée du premier multiplicateur et d'une deuxième mémoire de coefficients de correction dont la sortie constitue la deuxième entrée du deuxième multiplicateur; (D) le circuit séquenceur est relié: (a) par une première sortie au deuxième registre et au cinquième registre, pour la validation du contenu de ces registres lors du basculement du circuit de test ou lors de l'indication par le détecteur de début d'impulsion de l'arrivée d'une deuxième radiation par10 tiellement superposée à la radiation précédente; (b) par une deuxième sortie au premier registre et au compteur, pour la remise à zéro de ces deux circuits après la validation des contenus des deuxième et cinquième registres; (c) par une troisième sortie retardée d'un intervalle 15 de temps t'1 par rapport à la première sortie, au troisième registre, pour la validation du contenu de celui-ci dès que les calculs en amont de ce registre sont terminés; (d) par une quatrième sortie retardée d'un intervalle de temps 2 par rapport à la troisième sortie, au quatrième regis20 tre, pour la validation du contenu de celui-ci dès que la validation

du contenu du troisième registre a eu lieu.

2 Utilisation d'un dispositif selon la revendication 1 dans

un appareil du type sonde gamma ou caméra à scintillation caractérisé en ce qu'il comprend un ou plusieurs détecteurs de radiations équipé 25 d'un tel dispositif.