Scintillateurs

Un scintillateur est un matériau qui émet de la lumière suite à l'absorption d'un rayonnement ionisant (photon ou particule chargée).

Il existe des scintillateurs organiques (anthracène, naphtalène, stilbène et terphényl) que l'on retrouve sous forme de monocristaux ou en solution, des scintillateurs minéraux qui sont utilisés en poudre et des scintillateurs inorganiques utilisés sous forme de monocristaux (par exemple iodure de sodium NaI).

Les scintilateurs sont utilisés en général de deux manières :

• sous la forme d'un écran fluorescent, permettant la visualisation à l'œil nu ; de nos jours, cet écran est souvent couplé à une caméra numérique (type CCD) qui permet une acquisition informatique ;
• à l'intérieur d'un détecteur à scintillation, ou compteur à scintillation : les photons émis par le matériau scintillant sont amplifiés par un photomultiplicateur (PM), puis comptés, on estime donc ainsi le flux de photons dans le scintillateur.

Description

La scintillation est un phénomène de fluorescence : les atomes du matériau reçoivent un rayonnement incident et sont « excités », c'est-à-dire qu'un électron passe à un niveau énergétique supérieur. La désexcitation , c'est-à-dire la redescente de l'électron à un niveau moins énergétique (supérieur au niveau initial pour que la lumière soit visible), s'accompagne de l'émission d'un photon, qui en l'occurrence est un photon visible.

Pour expliquer la scintillation des cristaux inorganiques, on utilise la théorie des bandes des solides cristallins proposée par Bloch en 1928. Les électrons d'un atome libre se retrouvent sur des niveaux d'énergie discrets définis par l'équation de Schrödinger. Dans les cristaux, les niveaux supérieurs sont perturbés par les interactions mutuelles entre les atomes et les ions qui forment le cristal. Par conséquent, les niveaux d'énergie s'élargissent en une série de bandes d'énergies permises séparées les unes des autres par des bandes interdites dans lesquelles on ne retrouve aucun électron. Les bandes d'énergies s'étendent à tout le cristal et les électrons sont libres de s'y mouvoir sans apport externe d'énergie (les électrons ne sont plus liés à un atome en particulier).

Ainsi, lorsqu'un électron lié à un atome du réseau cristallin reçoit de l'énergie, il a accès à plusieurs niveaux d'énergie situés dans une bande permise. De façon générale, les bandes d'énergies situées le plus près des noyaux du cristal, bandes dites de valence, sont remplies, tandis que les bandes les plus éloignées, les bandes de conduction, sont vides ou partiellement occupées.

Usage

En médecine nucléaire, des caméras sont utilisées afin de transformer les photons énergétiques en photons visibles, ce qui permet la détection avec des PM et permet ainsi la formation des images ; ce couplage permet de sélectionner précisément quels types de photons seront détectés par le PM (ce seront les photons dont l'énergie correspond précisément à l'énergie de désexcitation des atomes du cristal). Le cristal d'iodure de sodium est souvent utilisé pour faciliter la mesure de rayon gamma.

Les scintillateurs sont utilisés en radiocristallographie, ainsi qu'en fluorescence X (analyse dispersive en longueur d'onde).

Voir aussi

Articles connexes

• Photocathode
• Scintillation

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