FR2815132A1 - Procede de traitement d'un spectre en energie de rayonnements gamma - Google Patents

Abstract

L'invention concerne un procédé de traitement d'un spectre en énergie de rayonnements gamma comprenant des raies d'échappement X. Le procédé comprend une étape pour éliminer les raies d'échappement X du spectre en énergie.L'invention s'applique plus particulièrement au traitement de spectres en énergie de rayonnements gamma mesurés par des détecteurs de petite taille.

Description

<Desc/Clms Page number 1>

PROCEDE DE TRAITEMENT D'UN SPECTRE EN ENERGIE DE RAYONNEMENTS GAMMA Domaine technique et art antérieur
L'invention concerne un procédé de traitement d'un spectre en énergie de rayonnements gamma.

Le procédé de traitement selon l'invention s'applique, notamment, à la mesure de spectres en énergie d'assemblages combustibles nucléaires irradiés.

Les photons gamma incidents d'énergie sensiblement comprise, par exemple, entre 500 et 800 keV qui pénètrent dans un matériau de cristal détecteur interagissent par effet photoélectrique ou Compton avec le matériau.

Au cours du trajet des photons dans le cristal détecteur, ceux-ci déposent tout ou partie de leur énergie en une ou plusieurs interactions. Ce transfert d'énergie provoque l'apparition de charges électriques dans le cristal. Le champ électrique dû à la polarisation du cristal permet de mettre en mouvement et de collecter ces charges pour former une impulsion électrique.

Dans le cas où la particule incidente dépose totalement son énergie dans le cristal et où l'intégralité des charges électriques sont collectées, l'impulsion électrique formée est proportionnelle à l'énergie incidente. Cela donne lieu à la formation d'un pic dans le spectre d'amplitude des impulsions. Ce pic est appelé pic d'absorption totale.

Il faut ici noter que le pic d'absorption totale, quelquefois abusivement appelé pic

<Desc/Clms Page number 2>

photoélectrique, peut être le résultat d'interactions multiples comme, par exemple, une interaction Compton suivie d'une interaction photoélectrique. Dans des cristaux de grande taille, la probabilité de cascade d'interaction Compton n'est pas négligeable. En revanche, elle peut être négligée dans le cas des détecteurs CdTe et CdZnTe compte tenu de la taille des cristaux utilisés. Quel que soit le processus de dépôt total de l'énergie dans le cristal, la dernière interaction est le plus souvent un effet photoélectrique dont la description est utile à la compréhension du phénomène d'échappement X.

Au cours d'une interaction photoélectrique, le photon incident éjecte un électron appartenant au cortège électronique d'un atome du détecteur. Les atomes percutés subissent des réarrangements au sein de leur cortège électronique. Le trou formé dans une couche K ou L est comblé par un électron périphérique.

Ce processus s'accompagne de l'émission d'un rayon X de fluorescence dont l'énergie discrète est dépendante de la structure du cortège électronique.

En raison de son faible libre parcours moyen, le rayonnement de fluorescence, est, en général, absorbé dans le cristal et son énergie participe à la formation d'une impulsion concourant au pic d'absorption totale. Cependant, il peut arriver que le rayon X s'échappe du détecteur emportant une fraction de l'énergie déposée. La valeur de l'énergie mesurée est donc inférieure à l'énergie incidente bien que le dépôt d'énergie du photon incident dans le cristal ait été total.

<Desc/Clms Page number 3>

Le phénomène d'échappement d'un rayon X de fluorescence hors du cristal détecteur est connu sous le terme d'"échappement X".

Les rayons de fluorescence X sont émis selon un spectre d'énergies discrètes dépendant de la structure du cortège électronique de l'atome émetteur (Cf.

Tableau 1). Ainsi, l'absorption totale d'un photon d'énergie incidente E, accompagnée d'un échappement du rayonnement de fluorescence d'énergie Ex, donne lieu à la formation d'une impulsion d'échappement dont l'énergie EEx est telle que : Eax"E-Ex
Considérant un photon d'énergie incidente donnée E, pour chaque énergie de fluorescence X, il y a donc formation d'un pic d'échappement décalé du pic d'absorption totale d'une énergie égale à l'énergie du rayon de fluorescence X.

Le tableau 1 ci-dessous donne l'énergie en keV des raies de fluorescence X émises par un cristal détecteur en fonction de l'élément constituant le cristal détecteur.

<tb>
<tb>

Raies <SEP> émises/éléments <SEP> Cd <SEP> Te <SEP> Zn
<tb> K&alpha;2 <SEP> 22,984 <SEP> 27,202 <SEP> 8,616
<tb> K&alpha;1 <SEP> 23,174 <SEP> 27,472 <SEP> 8,639
<tb> Kss1 <SEP> 26,085 <SEP> 30,980 <SEP> 9,572
<tb> Kss2 <SEP> 26, <SEP> 801 <SEP> 31, <SEP> 877
<tb>
Tableau 1

<Desc/Clms Page number 4>

Dans l'état actuel des techniques, le phénomène d'échappement X n'est pas pris en compte dans l'exploitation des spectres car, le plus souvent, cet effet est négligeable. En effet, la grande majorité des spectres en énergie des émissions gamma est mesurée à l'aide de détecteurs dont le volume se mesure en cm3, voire en dizaines de cm3. Or, le parcours moyen d'un rayon X issu, par exemple, du germanium dans le cristal est de l'ordre du millimètre. Dans ces conditions, la probabilité d'échappement d'un rayon X hors du cristal est infime.

Le développement des détecteurs de spectrométrie comportant des cristaux semi-conducteurs de petite taille est récent. Plus récentes encore sont les tentatives d'exploitation quantitative des spectres. Le document Radiation detection and measurement (G. KNOLL), p. 154, ISBN 0 444 61761, Wiley Editor 1989, ainsi que le document GAMMA and X ray spectrometry with semiconductor detectors (K.

DEBERTIN, R. G. HELMER), p. 298, ISBN 0 444 871071, North-Holland ELSEVIER Editor 1988 divulguent l'identification de pics d'échappement X. Aucune tentative de traitement global des spectres en vue de l'élimination des pics d'échappement n'est cependant envisagée dans ces documents.

Le brevet français intitulé"Procédé et dispositif pour la correction de mesure spectrométrique dans le domaine de la détection de photons gamma" publié sous le numéro FR-2 738 919 propose une méthode permettant de mieux distinguer les différentes contributions en énergies d'un spectre gamma en

<Desc/Clms Page number 5>

introduisant une grandeur discriminante supplémentaire, à savoir le temps de montée des impulsions. Ce brevet apporte une amélioration de la mesure des pics en général et, partant, des pics d'échappement X en particulier. Cette méthode ne propose cependant aucun procédé de traitement assimilable au procédé objet de la présente invention. En effet, aucune correction ni aucune élimination de pic d'échappement X ne sont envisagées.

L'objet du brevet FR-2 738 919 est de conserver une bonne qualité spectrométrique des spectres, tout en autorisant l'utilisation de cristaux épais en vue de garantir à la fois un bon rapport signal sur bruit et une efficacité de détection maximale. Il est alors possible de considérer l'invention proposée dans la présente demande comme une amélioration du procédé objet du brevet FR-2 738 919 puisque le procédé selon l'invention conduit à augmenter encore l'efficacité apparente du détecteur.

Les détecteurs de spectrométrie gamma à température ambiante particulièrement adaptés aux mesures sur assemblages combustibles irradiés comportent des cristaux CdTe et CdZnTe de très petites tailles (typiquement quelques dizaines de mm3). La faible taille de ces cristaux détecteurs induit des caractéristiques de spectre particulières. En particulier, la probabilité d'échappement des rayonnements X dus aux réarrangements électroniques du cristal après une interaction photoélectrique, entraîne l'apparition de pics parasites d'échappement X dans les spectres.

<Desc/Clms Page number 6>

Le procédé de traitement selon l'invention permet avantageusement de supprimer ces inconvénients.

Exposé de l'invention
En effet, l'invention concerne un procédé de traitement d'un spectre en énergie de rayonnements gamma, le spectre en énergie comprenant au moins une raie d'amplitude mesurée A (E) dans un canal d'énergie E, la raie d'amplitude mesurée A (E) comprenant une contribution d'échappement X associée à une probabilité d'échappement ai. Le procédé comprend une étape d'estimation de la contribution d'échappement X du canal d'énergie E réalisée en multipliant l'amplitude mesurée A (E) par la probabilité d'échappement ai et une étape de calcul d'une amplitude corrigée AC (E) du canal d'énergie E en ajoutant la contribution d'échappement X estimée (ai x A (E)) à l'amplitude mesurée A (E).

Le procédé de traitement selon l'invention est particulièrement bien adapté au traitement de spectres en énergie de rayonnements gamma mesurés à l'aide de spectromètres comprenant des cristaux détecteurs de petites tailles. Le procédé selon l'invention permet d'éliminer des signaux représentant des raies d'échappement X. Selon un perfectionnement de l'invention, le procédé permet, en outre, de réintégrer dans les pics d'absorption totale les contributions dues aux échappements de rayons X issus des réarrangements électroniques lors des interactions photoélectriques dans le cristal détecteur. Compte tenu du fait que le phénomène d'échappement X est indépendant de la nature et de l'intensité du

<Desc/Clms Page number 7>

rayonnement gamma incident, le procédé de correction prend en compte uniquement les caractéristiques du détecteur telles que la composition et la taille du cristal.

Un aspect avantageux du procédé selon l'invention consiste en ce que le spectre est traité sans calcul préalable ni connaissance a priori du rayonnement incident.

L'effet du traitement est double. D'abord, le procédé élimine du spectre les pics parasites dus à l'échappement X. Il contribue ainsi à faciliter l'interprétation qualitative des spectres (identification des émetteurs). Ensuite, dans le cas où les contributions X sont réintégrées dans les pics d'absorption totale, l'intensité des pics d'absorption totale apparaît augmentée. Tout se passe alors comme si l'efficacité du détecteur était améliorée.

Un autre avantage découle des deux effets mentionnés ci-dessus. En effet, en éliminant les pics d'échappement X et en augmentant la surface des pics d'absorption totale, le calcul du bruit de fond présent sous les pics se trouve facilité. Ce point est particulièrement avantageux pour l'exploitation quantitative des spectres (quantification des émissions mesurées par le détecteur).

Le procédé de traitement selon l'invention permet avantageusement d'améliorer les caractéristiques statistiques d'un spectre sans interprétation. Le procédé de traitement selon l'invention peut alors être considéré comme partie intégrante du processus de mesure du spectre.

<Desc/Clms Page number 8>

Il serait possible d'imaginer des méthodes de traitement des pics d'échappement X fondées sur leur interprétation comme pics physiques associés aux pics d'absorption totale des rayonnements mesurés. Cette approche serait efficace à condition de pouvoir interpréter les pics de pleine absorption sans erreur quantitative aussi bien que qualitative. Le traitement des pics d'échappement X selon l'invention basé sur les caractéristiques du détecteur et sans interprétation préalable du spectre constitue un avantage. En effet, selon l'invention, l'interprétation des spectres n'intervent qu'après leur traitement et tire ainsi avantage d'une meilleure définition du bruit de fond sous les pics et d'une augmentation de la surface des pics.

Brève description des figures
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de modes de réalisation préférentiels de l'invention faits en référence aux figures ci-annexées parmi lesquelles : - la figure 1A représente un schéma de principe d'un premier mode de réalisation du procédé de traitement de raie d'échappement X selon l'invention, - la figure 1B représente un perfectionnement du schéma de principe du procédé représenté en figure 1A, - la figure 2A représente un schéma de principe d'un deuxième mode de réalisation du procédé de traitement de raies d'échappement X selon l'invention,

<Desc/Clms Page number 9>

- la figure 2B représente un perfectionnement du procédé de traitement selon le deuxième mode de réalisation de l'invention, - la figure 3 représente un organigramme du premier mode de réalisation du procédé de l'invention,

- la figure 4 représente un spectre en énergie de rayonnements gamma tel que mesuré avant le procédé de traitement selon l'invention ainsi que le spectre en énergie de rayonnements gamma qui lui correspond obtenu après traitement selon le procédé 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 1A représente un schéma de principe d'un premier mode de réalisation du procédé de traitement de raie d'échappement X selon l'invention.

Selon le premier mode de réalisation de l'invention, la contribution d'échappement X est calculée canal par canal. De façon préférentielle, le procédé est mis en oeuvre, canal par canal, dans le sens des énergies décroissantes.

La contribution d'échappement X du canal d'énergie E est estimée en multipliant l'amplitude A (E) du canal d'énergie E par la probabilité d'échappement ai. L'amplitude corrigée après traitement AC (E) est alors calculée en ajoutant la quantité al x A (E) à l'amplitude A (E) :
AC (E) = A (E) + ai x A (E)

<Desc/Clms Page number 10>

Selon le perfectionnement décrit en figure 1B, la contribution d'échappement X estimée du canal d'énergie E+Ei, Ei étant l'énergie de fluorescence associée à la probabilité ai, est retranchée à l'amplitude mesurée A (E) du canal d'énergie E. Ainsi, l'amplitude corrigée selon le perfectionnement de l'invention s'écrit-elle :
AC (E) = A (E) + ai x A (E)-aix A (E+Ei).

La figure 2A représente un schéma de principe d'un deuxième mode de réalisation du procédé de traitement selon l'invention.

Selon le deuxième mode de réalisation de l'invention, le traitement est effectué simultanément sur un ensemble de canaux d'énergie.

Les amplitudes mesurées de différents canaux d'énergie En (n=l, 2,..., N) peuvent alors être symboliquement représentées par les composantes d'un vecteur VIDes. Une première étape du traitement consiste alors à calculer un vecteur d'échappement Vech tel

que :

Vech = ai X Vmes

Le vecteur des amplitudes corrigées peut alors se représenter de façon symbolique par le vecteur VA tel que :

VA = VIDes + Vech

Selon le perfectionnement représenté en figure 2B, un vecteur de décalage Vdec est calculé à partir du

<Desc/Clms Page number 11>

vecteur Vech. Le vecteur Vdec représente symboliquement l'ensemble des contributions d'échappement décalées de l'énergie d'échappement-Ei. Le vecteur des amplitudes corrigées peut alors s'écrire sous la forme d'un

vecteur Va tel que :

VB = VA - Vdec'

de sorte que l'amplitude corrigée relative au canal d'énergie En s'écrit alors :
AC (En) = A (En) + ai A (En)-ai A (En+Ei)..

L'énergie Ei et la probabilité d'échappement ai ne dépendent pas de l'énergie E de la particule incidente mais sont uniquement fonction de la nature et de la taille du détecteur.

Concernant l'effet dû à la taille du détecteur, c'est plus précisément le rapport entre le volume et la surface du cristal qui détermine la probabilité d'échappement.

Avantageusement, les paramètres Ei et ai peuvent alors être établis sur la seule base de caractéristiques appartenant au détecteur : les raies d'échappement X et les décalages en énergie Ei des raies d'échappement X par rapport aux raies d'absorption du détecteur sont définis par la composition du cristal, la probabilité d'échappement est définie par la géométrie du cristal.

La figure 3 représente un schéma de principe du premier mode de réalisation du procédé de traitement de

<Desc/Clms Page number 12>

raies d'échappement X d'un spectre en énergie de rayonnements gamma selon l'invention.

Le procédé comprend le choix d'un détecteur gamma (étape 1), l'acquisition d'un spectre en énergie de rayonnements gamma (étape 2), le choix d'un nombre N de raies du spectre à traiter canal par canal (étape 3), le traitement des N raies (étape 4).

Comme cela a été mentionné précédemment, l'énergie et la probabilité d'émission des rayons X de fluorescence ne dépendent pas de l'énergie de la particule incidente mais sont uniquement fonction de la nature et de la taille du détecteur. Ainsi, le choix du détecteur gamma permet-il de définir le décalage en énergie Ei et la probabilité d'échappement ai qui est associée à l'énergie Ei.

Par exemple, pour un détecteur muni d'un cristal plan de 50 mm3 (5 x 5 x 2 mm), les mesures effectuées sur des spectres de césium 134 et 137 dans la gamme d'énergie 600 à 800 keV permettent d'évaluer la probabilité d'échappement ai à environ 5% et le décalage moyen en énergie Ei à 25 keV.

Une fois le détecteur gamma choisi, un spectre en énergie de photons gamma est mesuré (étape 2 d'acquisition). Ce spectre comprend plusieurs raies accompagnées chacune d'un pic d'échappement X. Le procédé selon l'invention comprend alors une étape 3 de choix d'un nombre N de raies à traiter. Les N raies choisies sont alors traitées de façon itérative (i=l,..., N).

Le traitement de la raie i (étape 5) est effectué tel que décrit plus haut aux figures 1A ou 1B,

<Desc/Clms Page number 13>

selon que le perfectionnement de l'invention est mis en oeuvre ou non. Tant que i < N (étape 6), le traitement successif des raies est effectué. Dès que i atteint la valeur N, le procédé s'arrête (étape 7).

La figure 4 représente, à titre d'exemple non limitatif, dans un même repère, un spectre de raies mesuré (courbe Cl) et le spectre de raies obtenu après traitement selon l'invention (courbe C2) qui correspond au spectre de raies mesuré.

Les courbes Cl et C2 représentent, selon une échelle logarithmique, les événements détectés par un détecteur de spectrométrie gamma en fonction de l'énergie incidente E des photons. Le détecteur de spectrométrie gamma est, à titre d'exemple, un détecteur CdZnTe/20mm3.

Les courbes Cl et C2 présentent chacune 3 pics d'absorption pour des énergies sensiblement égales à 600 keV, 660 keV et 790 keV.

La courbe Cl comprend trois pics d'échappement de rayons X, PX1, PX2, et PX3. Comme cela apparaît clairement sur la figure 3, après traitement selon le procédé de l'invention, les pics d'échappement de rayons X ont été avantageusement supprimés et les pics d'absorption amplifiés.

Ainsi, tout se passe-t-il, dans l'exemple choisi, comme si l'efficacité du détecteur était augmentée d'environ 10%.

Le procédé selon l'invention s'applique avantageusement à tout résultat de mesure spectrométrique obtenu à partir d'un détecteur dont le

<Desc/Clms Page number 14>

cristal a des dimensions inférieures au libre parcours moyen des rayons X.

Ainsi, par exemple, tout spectre obtenu par un détecteur dont l'une des dimensions est inférieure ou égale à 5 mm peut être sensiblement amélioré grâce au procédé de correction selon l'invention.

La correction peut être appliquée sur des spectres obtenus avec des sondes comportant un ou plusieurs cristaux détecteurs. En particulier, l'augmentation de l'efficacité apparente apportée par le procédé permet, à exposition constante, d'augmenter le contraste des images obtenues au moyen de détecteurs à cristaux multiples (gamma caméras) ou bien, à qualité d'image constante, de diminuer l'exposition.

La possible diminution de l'exposition au rayonnement trouve une application particulièrement avantageuse dans le cas d'applications médicales en vue de limiter les doses reçues par les patients.

Claims (6)

REVENDICATIONS

1. Procédé de traitement d'un spectre en énergie de rayonnements gamma, le spectre en énergie comprenant au moins une raie d'amplitude mesurée A (E) dans un canal d'énergie E, la raie d'amplitude mesurée A (E) comprenant une contribution d'échappement X associée à une probabilité d'échappement ai, caractérisé en ce qu'il comprend une étape d'estimation de la contribution d'échappement X du canal d'énergie E en multipliant l'amplitude mesurée A (E) par la probabilité d'échappement ai et une étape de calcul d'une amplitude corrigée AC (E) du canal d'énergie E en ajoutant la contribution d'échappement X estimée (ai x A (E)) à l'amplitude mesurée A (E).

2. Procédé de traitement selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'étape de calcul de l'amplitude corrigée AC (E) comprend une étape supplémentaire pour retrancher la contribution d'échappement X du canal d'énergie E+Ei à l'amplitude mesurée A (E), l'énergie Ei étant l'énergie d'échappement associée à la probabilité ai.

3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il est effectué de façon itérative, canal par canal, sur N raies du spectre en énergie.

<Desc/Clms Page number 16>

4. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'il est effectué dans le sens décroissant des énergies du spectre d'énergie.

5. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le spectre en énergie comprend N raies d'amplitudes mesurées A (En) (n=l, 2,..., N) constituant les N composantes d'un vecteur Vmes, et en ce qu'il comprend une étape d'estimation de la contribution d'échappement X des N raies sous la forme d'un vecteur d'échappement Vech = &alpha;i x Vmes et une étape de calcul d'un vecteur corrigé VA de façon que VA = Vmes + Vech.

6. Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce qu'il comprend le calcul d'un vecteur de décalage Vdec représentant l'ensemble des contributions d'échappement décalées de l'énergie d'échappement Ei associée à la probabilité ai et le calcul d'un vecteur corrigé va de façon que Va = VA - V dec.