GAMMA CAMERA (détection).

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1 GAMMA CAMERA (détection)

2 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.

3 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) oui CsI(Na) oui BaF non CsF oui Bi4Ge3O non CdWO non Plastique ~ variable non

4 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

5 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

6 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.

7 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

8 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

9 interactions rayons g / cristal NaI (Tl)

10 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

11 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) .

12 effet photoélectrique

13 effet photoélectrique
N effet photoélectrique N réarrangement électronique N émission rayon X X

14 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.

15 diffusion cohérent

16 diffusion cohérent g (E)  g (E) e-

17 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.

18 diffusion Compton

19 diffusion Compton

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

21 µp(E)……production de paires

22 production de paires

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

24 détecteur à scintillations

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

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

27 détecteur à scintillations

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

29 spectromètre g

30 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)

31 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

32 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

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

34 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

35 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

36 Photopic y x h m s

37 Les paramètres physiques:
Photopic Les paramètres physiques:

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

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

40 interactions rayons g / matière

41 interactions rayons g / matière
milieu détecteur

42 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

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

44 Photopic: diffusés Compton de différents ordres :

45 réponse « mathématique » :
fonction DIRAC distribution COMPTON

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

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

48 spectre total = photopic + diffusion Compton

49 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

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

51 effet de la résolution énergétique sur la séparation des g
E1=140keV(Tc99m) E2=160keV(I123) E E2 N DE1 DE2 E

52 collimateur

53 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

54 angle solide détecteur plan r S source

55 angle solide détecteur plan r S source détecteur puit

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

57 FIN