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.

Plastique ~400 0.002-0.02 variable 1.06 non 30 scintillateurs émission décroissance indice de densité hygroscopie rendement (lmaxnm) (µs) réfraction (g/cm3) lumineux (%) NaI(Tl) 415 0.23 1.85 3.67 oui 100 CsI(Na) 420 0.63 1.84 4.51 oui 85 BaF2 325 0.63 1.49 4.88 non 20 CsF 390 0.005 1.48 4.64 oui 3-5 Bi4Ge3O12 480 0.30 2.15 7.13 non 12 CdWO4 540 5.0 2.3 7.9 non 40 Plastique ~400 0.002-0.02 variable 1.06 non 30

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

cristal NaI pur bande interdite (GAP d’énergie) bande de valence bande de conduction e- 7 - 8 eV bande interdite (GAP d’énergie) bande de valence

dopage du cristal NaI avec du Thallium L’ionisation des atomes consiste en l’émission d’une onde électromagnétique d’énergie E = 3eV (0.4µm). Le cristal est dopé avec du Thallium (1/10000 à 1/50000 atomes constituant le cristal pur de NaI ) 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 NaI.

cristal NaI avec des traces de Tl NaI(Tl) bande de conduction du NaI Photons de 3 eV (0.4µm) et photons polychromes pièges e- bande de conduction du Tl 3 eV bande de valence du NaI

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

interactions rayons g / cristal NaI (Tl)

interactions rayons g / cristal NaI (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 effet photoélectrique N réarrangement électronique N émission rayon X 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)  g (E) 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 < E0.

diffusion Compton

diffusion Compton

diffusion Compton g (Eg ) e-(Ee)   g (E0g) e-

µp(E)……production de paires

production de paires

production de paires matérialisation g Eg=0.511MeV g Eg >1.022Mev annihilation e- 180° g Eg=0.511MeV

détecteur à scintillations

détecteur à scintillations Cristal Photomultiplicateur signal anode cathode NaI(Tl) Al dynodes

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

détecteur à scintillations

détecteur à scintillations Cristal Photomultiplicateur e- ne- signal ~ E 1e- lumière g(E) NaI(Tl) Al cathode dynodes anode

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 des nombres (intensité) des rayons g en fonction de l’énergie. N = f(E)

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

réponse énergétique transition Valeur S ±DS (E0 ±DE/2) g(Eo = Ei - Ef) Ei Ef Eo E N Valeur S ±DS (E0 ±DE/2) Eo E N Valeur unique E0

effet photoélectrique réponse énergétique Causes : effet photoélectrique Eo E N Photopic = photoélectrique + pic diffusion élastique et inélastique agitation thermique etc… 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 (~ 400nm) Cristal NaI(Tl) 1 g n g

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 (~ 400nm) Cristal NaI(Tl) 1 g n g

Photopic y x h m s

Les paramètres physiques: Photopic Les paramètres physiques:

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

la résolution énergétique Spectre d’énergie N E DE largeur à mi-hauteur N0 Eo N0/2 la résolution énergétique

interactions rayons g / matière

interactions rayons g / matière milieu détecteur

diffusion Compton dans un milieu Eo E 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 :

réponse « mathématique » : fonction DIRAC distribution COMPTON

La distribution est convoluée par la réponse énergétique Y E E0 DE

X convolution N Y DE E0 E E réponse « mathématique » réponse « énergétique » Y E E0 DE X réponse « réelle » N E

spectre total = photopic + diffusion Compton

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

effet de la résolution énergétique sur la séparation photopic / diffusés E0=140keV(Tc99m) E0 DE1 N E

effet de la résolution énergétique sur la séparation des g E1=140keV(Tc99m) E2=160keV(I123) E1 E2 N DE1 DE2 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 détecteur plan r S source

angle solide détecteur plan r S source détecteur puit

collimateur cylindrique NaI(Tl) Collimateur H d e Rd x A(x)

FIN