GAMMA CAMERA dtection Les dtecteurs rayons g sont

GAMMA CAMERA (détection)

Les détecteurs à rayons g sont : - les chambres à ionisations - les détecteurs semi-conducteurs - les détecteurs à scintillations Seuls ces derniers sont effectivement utilisables en scintigraphie.

scintillateurs émission décroissance indice de densité hygroscopie rendement (lmaxnm) (µs) réfraction (g/cm 3) lumineux (%) Na. I(Tl) 415 0. 23 1. 85 3. 67 oui 100 Cs. I(Na) 420 0. 63 1. 84 4. 51 oui 85 Ba. F 2 325 0. 63 1. 49 4. 88 non 20 Cs. F 390 0. 005 1. 48 4. 64 oui 3 -5 Bi 4 Ge 3 O 12 480 0. 30 2. 15 7. 13 non 12 Cd. WO 4 540 5. 0 2. 3 7. 9 non 40 Plastique ~400 0. 002 -0. 02 variable 1. 06 non 30

Le Na. I(Tl) présente les avantages suivants: - rendement lumineux élevé - linéarité de la réponse en énergie de ~ke. V à 10 Mev - résolution énergétique relativement bonne (faible dispersion d’amplitude des impulsions produites) - fabrication aisée de cristaux de grande dimension

cristal Na. I pur bande de conduction e- 7 - 8 e. V bande interdite (GAP d’énergie) bande de valence

dopage du cristal Na. I avec du Thallium L’ionisation des atomes consiste en l’émission d’une onde électromagnétique d’énergie E = 3 e. V (0. 4µm). Le cristal est dopé avec du Thallium (1/10000 à 1/50000 atomes constituant le cristal pur de Na. I ) afin de créer deux fines bandes de conduction à l’intérieur de la large bande interdite (GAP). Ces bandes de conductions supplémentaires vont permettre le passage entre la bande de conduction et bande de valence de Na. I.

cristal Na. I avec des traces de Tl Na. I(Tl) bande de conduction Photons de 3 e. V (0. 4µm) et du Na. I photons polychromes e- e- ebande de valence du Na. I bande de conduction du Tl 3 e. V pièges

Bande supérieure du Tl bande inférieure du Tl = luminescence par fluorescence ( 60 -80%) Impuretés (pièges) bande Tl ou bande Na. I = luminescence par phosphorescence (20 -40%) Na. I Photons g nuage d’électrons e- niveaux d’énergie créés par le Tl lumière e. Na. I Excitation retombée nuage d’électrons

interactions rayons g / cristal Na. I (Tl) Cristal Na. I(Tl)

interactions rayons g / cristal Na. I (Tl): µpe(E)…. . effet photoélectrique µR(E)…. . . diffusion Rayleigh (cohérente) µC(E)…. . . diffusion Compton (incohérente) µp(E)……production de paires

µpe(E)…. . effet photoélectrique Absorption complète de l’énergie du photon g par un atome au niveau électronique. L’atome libère l’excès d’énergie par l’émission d’un électron d’énergie cinétique T=E - B (B énergie de liaison de l’électron). L’émission des électrons est suivie d’un réarrangement électronique. Ceci s’accompagne de l’émission de rayons X (photons de fluorescence). A leur tour ces photons peuvent éjecter (par effet photoélectrique interne) des électrons secondaires (électrons Auger).

effet photoélectrique

effet photoélectrique N réarrangement électronique N émission rayon X N X

µR(E)…. . . diffusion Rayleigh (cohérente) Le photon g est faiblement dévié de sa trajectoire. La quantité d’énergie transférée à l’électron ne permet ni l’ionisation ni l’excitation de l’atome.

diffusion cohérent

diffusion cohérent g (E) e- g (E)

µC(E)…. . . diffusion Compton (incohérente) L’énergie du photon g est plus au moins absorbée lors des chocs qu’il subit sur les couches électroniques périphérique. Cette énergie est transmise comme énergie cinétique à l’électron qui est précipité vers l’avant. Ayant perdu une partie de son énergie le photon est dévié de sa trajectoire initiale et poursuit sa route avec une énergie E < E 0.

diffusion Compton

diffusion Compton

diffusion Compton g (Eg ) g (E 0 g) e- e-(Ee)

µp(E)……production de paires

production de paires

production de paires e- matérialisation g g Eg=0. 511 Me. V Eg >1. 022 Mev e+ annihilation e- 180° g Eg=0. 511 Me. V

détecteur à scintillations

détecteur à scintillations Cristal Photomultiplicateur signal Na. I(Tl) Al cathode dynodes anode

pont diviseur HT sortie C C R R cathode C R R R dynodes R R R anode

détecteur à scintillations

détecteur à scintillations Cristal Photomultiplicateur eg(E) 1 e- ne- lumière Na. I(Tl) Al cathode dynodes anode signal ~ E

spectromètre g

Le spectre énergetique des rayons g: Définition : un spectre est une distribution des nombres (intensité) en fonction d’un paramètre. Le spectre énergetique des rayons g est la distribution fonction des nombres de en (intensité) rayons g des l’énergie. N = f(E)

spectromètre g SMC Compteur N 1 chiffre source C PM D A AMC HT Distribution C…. . . cristal Na. I(Tl) A…………. amplificateur PM…photomultiplicateur SMC………sélecteur mono-canal D…. . diviseur de tension AMC……. . . analyseur multi-canal HT…haute tension Compteur…compteur

réponse énergétique transition Ei g(Eo = Ei - Ef) Ef N Valeur unique E 0 Eo E Valeur S ±DS (E 0 ±DE/2) N Eo E

réponse énergétique Causes : effet photoélectrique diffusion élastique et inélastique N agitation thermique etc… Eo E Photopic = photoélectrique + pic Fluorescence et phosphorescence polychrome

réponse énergétique L’effet photoélectrique corresponde à la transformation complète de l’énergie primaire du photon g en énergie d’ionisation donc en intensité lumineuse dans un volume de cristal très petit. Lumière (~ 400 nm) Cristal Na. I(Tl) 1 g ng

réponse énergétique Lors de l’effet Compton la transformation de l’énergie primaire du photon g en énergie d’ionisation est plus ou moins complète. Le résultat est une distribution d’intensités lumineuses dans un volume de cristal très grand. Lumière (~ 400 nm) Cristal Na. I(Tl) 1 g ng

Photopic y h s m x

Photopic Les paramètres physiques:

Spectre d’énergie Photopic + Bruit de fond N Eo E

Spectre d’énergie N DE largeur à mi-hauteur N 0/2 Eo la résolution énergétique E

interactions rayons g / matière

interactions rayons g / matière milieu détecteur

diffusion Compton dans un milieu N Source ponctuelle dans le vide (pas de diffusion) Eo E N Source ponctuelle dans un milieu diffusant

Le spectre énergétique est composée de photopic et de la somme des distributions des diffusés Compton de différents ordres :

Photopic: diffusés Compton de différents ordres :

N E réponse « mathématique » : fonction DIRAC distribution COMPTON

La distribution est convoluée par la réponse énergétique Y DE E 0 réponse « énergétique » E

convolution Y N DE X E 0 E réponse « mathématique » réponse « énergétique » N E réponse « réelle » E

spectre total = photopic + diffusion Compton

spectre total = photopic + diffusion Compton N -----photopic -----diffusion d’ordre 1 -----diffusion d’ordre 2 -----diffusion d’ordre 3 -----diffusion d’ordre 4 -----total Eo E

effet de la résolution énergétique sur la séparation photopic / diffusés E 0=140 ke. V(Tc 99 m) N E 0 DE 1 E

effet de la résolution énergétique sur la séparation des g E 1=140 ke. V(Tc 99 m) E 2=160 ke. V(I 123) N E 1 DE 1 E 2 DE 2 E

collimateur

Le collimateur est une partie essentielle des systèmes de mesure utilisés en Médecine Nucléaire. Son rôle est double : - définir un champ de vue pour la localisation spatiale des sources radioactives - protéger le détecteur des irradiations parasites

angle solide source r S détecteur plan

angle solide source r S détecteur plan détecteur puit

collimateur cylindrique Na. I(Tl) Collimateur A(x) H e d x Rd

FIN