Scintillateurs

I.4.1.1.1 Choix du scintillateur

Le choix du scintillateur repose sur un compromis entre la sensibilité, la résolution spatiale, énergétique et temporelle, les contraintes de fabrication et le coût.

Les récents développements de scintillateurs en TEP permettent d’envisager différentes solutions de détection. Les performances du système de détection dépendent du choix du cristal scintillateur qui, idéalement doit avoir les caractéristiques suivantes :

• Pouvoir d’arrêt élevé couplé à une photo fraction élevée, d’où un nombre atomique élevé et une haute densité

• Haute efficacité de conversion lumineuse (photons/keV)

• Emission compatible avec les photodétecteurs

Ligne de réponse (LDR) Cristaux scintillateurs Tubes photomultiplicateurs Guide de lumière

• Emission rapide (une faible constante de décroissance permettant ainsi une bonne résolution temporelle du système de détection et diminuant le temps mort relatif à la scintillation)

• Transparent à sa longueur d’onde d’émission

• Indice de réfraction le plus proche possible de celui de la photocathode (qui est de l’ordre de 1,5) pour avoir un maximum de photons réfractés entre les milieux

• Non hygroscopique, insensible à la température

• Facile à tailler

• Faible coût.

Le tableau I.3 présente les caractéristiques des principaux scintillateurs en TEP.

Cristal NaI (Tl)^[1] BGO^[2]

Bi4(GeO4)3 LSO^[3] Lu2(SiO4) O:Ce GSO^[4] Gd2(SiO4) O:Ce LYSO^[5] Lu1.8Y0.2 (SiO4):Ce LuAP^[6] LuAlO3:Ce Densité (g/cm³ ) _{3,67 7,35 7,13 6,71 7,1 8,34} Z effectif _{50 73 65 58 64 64,9} µ à 511 keV (cm^-1 ) _{0,38 0,90 0,8 0,67 0,83 0,91} Pourcentage Photo-pic _{18 44 34 26 - -} λ d’émission max. (nm) ^{410 480 420 440 420 365} Indice de réfraction _{1,85 2,15 1,82 1,85 1,81 -} Constante de décroissance de la scintillation τd (ns) 230 300 42 60 40 17 Intensité lumineuse à 511 keV (photons/ns) ^{84 14 320 57 - -}

Hygroscopique _{Oui Non Non Non Non Non}

Résolution en énergie à

511 keV (∆E/E) ^{10 16 12,4 9 11,5 -}

Rendement lumineux

(photons/MeV) ^{38000 8000 à} ₁₀₀₀₀ ^{25000 8000 à} ₁₀₀₀₀ ^{30000 11400}

Tableau I.3: Caractéristiques des principaux scintillateurs utilisés en TEP[^[1,2]Sakai 1987,

[1]

Schweitzer 1983, ^[1]Bobbink 1984, ^[2]Sakai 1987, ^[2]Mechler 1985, ^[3,4]Lecomte 1998, ^[5]Levin 2005,

site web de la collaboration Crystal Clear]

I.4.1.1.2 Analyse des principaux cristaux disponibles I.4.1.1.2.1 L’iodure de Sodium dopé au Thallium NaI(Tl) :

Le cristal le plus ancien est le NaI(Tl), découvert par Hofstadter en 1948, principal cristal jusqu’à présent des gamma-caméras et utilisé encore dans des TEP actuels [CPET^TM de Philips Systèmes Médicaux]. C’est un scintillateur de référence car très utilisé en détection grâce à son rendement lumineux qui est très important, sa résolution en énergie, son coût bas par rapport aux autres scintillateurs, sa disponibilité dans le marché et la facilité de le tailler

dans des différentes dimensions et géométries par rapport aux autres cristaux utilisés en TEP, sa transparence à sa propre lumière émise et à l’étalement de son spectre lumineux sur une large gamme d’énergie, ce qui le rend utilisable avec des différents types de photodétecteurs. Le principal inconvénient de ce cristal est lié à une densité et un numéro atomique faibles par rapport à d’autres cristaux, ce qui entraîne une mauvaise atténuation des photons de 511 keV. C’est par ailleurs un cristal lent (sa constante de temps est de l’ordre de 230 ns à 300˚K). Il est hygroscopique ; il faut donc le protéger du milieu extérieur.

I.4.1.1.2.2 Le Germanate de Bismuth BGO (Bi4Ge3O12 ):

Contrairement au NaI, le BGO est un scintillateur qui possède un coefficient d’atténuation très élevé, d’où une très bonne efficacité de détection (50 fois plus importante que le NaI(Tl) à 511 keV ce qui entraîne une efficacité de photopic très intense). Ce cristal a été découvert par Weber et Monchamp en 1970 et utilisé pour la première fois en TEP par Thompson et Montreal en 1979. Le maximum d’intensité du spectre lumineux est situé à 480 nm c’est-à-dire dans de domaine de sensibilité des TPMs, mais avec une sensibilité plus faible que celle du NaI(Tl) à cause du décalage de son émission vers 550 nm. Ce matériau possède un rendement lumineux beaucoup plus faible que le NaI(Tl) et une constante de temps élevée (~300 ns). Il s’agit d’un scintillateur lent. Il est sensible aux radiations et il est endommagé pour des doses > 1-10 Gy. [Van Eijk 2002]

I.4.1.1.2.3 L’ Oxyorthosilicate de Lutétium LSO (Lu₂SiO₅ (Ce)) :

Ce cristal a été découvert en 1992 et utilisé en TEP vers la fin des années 1990. Il est formé par des matériaux lourds et donc, atténue bien les photons de 511 keV. C’est un scintillateur rapide à cause de sa constante de temps assez courte (40 ns), de même il possède un bon rendement lumineux (75 % celui du NaI(Tl)) dont le maximum d’intensité se situe à 420 nm (c’est-à-dire dans le domaine de sensibilité des TPMs). Le LSO est non hygroscopique et possède une résolution en énergie moyenne (12,4%). Mais l’émission de lumière de ce cristal n’est pas homogène ce qui diminue sa résolution en énergie et impose son utilisation sous forme de cristaux de dimensions très petites pour conserver une bonne résolution spatiale. De même, la présence de l’isotope radioactif ¹⁷⁶Lu engendre une émission de photons parasites, d’où une augmentation du bruit de fond dans la détection. [Mechler 2000 and Van Eijk 2002].

Ce scintillateur est encore en cours d’exploitation et il existe de nombreuses études pour son amélioration et la minimisation de ses défauts.

I.4.1.1.2.4 Le Cérium dopé oxyorthosilicate de Gadolinium GSO (Ce) (Gd₂SiO₅):

Découvert en 1983 par Takagi et Fukazawa de HITACHI, le GSO, scintillateur de très bonne résolution en énergie, est un matériau dense et non hygroscopique. Il possède un numéro atomique moyennement élevé, il est connu pour sa meilleure résolution en énergie parmi les cristaux existants. C’est un scintillateur rapide comprenant deux constantes de temps : Une rapide (τ1 = 60 ns) et une autre lente (τ2 = 600 ns) dont la première est sept fois plus intense que la seconde qui sera éliminée avec le bruit pendant la détection. La photoluminescence du GSO, quand il est couplé à un groupe de TPMs, est 20% celle du NaI(Tl). Mais ce cristal est difficile à tailler et possède un rendement lumineux faible par rapport aux autres cristaux [Mechler 2000 and Van Eijk 2002].