Detecteur a scintillation

Un détecteur à scintillation ou compteur à scintillation est un : Matériaux qui émettent de la lumière suite à l'absorption d'un rayonnement. Il existe des scintillateurs organiques (anthracène, naphtalène, stilbène et terphényl) que l'on retrouve sous forme de monocristaux ou en solution et des scintillateurs minéraux qui sont utilisés en poudre et des scintillateurs inorganiques utilisés sous forme de monocristaux (par exemple iodure de sodium). Les scintillateurs sont utilisés en général de deux manières : _sous la forme d'un écran fluorescent, permettant la visualisation à l'œil nu ; cet écran est maintenant souvent couplé à une caméra numérique (type CCD) qui permet une acquisition informatique ; _sous la forme d'un détecteur à scintillation, ou compteur à scintillation : les photons émis par la matériau scintillant sont amplifiés par un photomultiplicateur (PM), puis comptés, on estime donc ainsi le flux de photons dans le scintillateur

Description

Il se compose :

• d'un cristal de scintillation, en général du NaI ;
• d'un photomultiplicateur (PM) ou d'un CPM (Channel PhotoMultiplier);
• d'une électronique de comptage.

Le cristal et le PM sont associés dans un compartiment sec ; en effet, le cristal est hygroscopique et s'opacifie sous l'effet de l'humidité, diminuant le rendement du détecteur. L'étanchéité est assurée par de la graisse silicone. Le tout est isolé de la lumière ambiante qui viendrait perturber le signal.

Le PM nécessite une haute tension pour l'accélération des électrons, en général entre 700 et 1 200 volts. Le préamplificateur nécessite une tension continue de l'ordre de quelques volts, typiquement +24 V, -24 V ou +15 V.

Le rendement du photomultiplicateur baisse au cours du temps ; pour retarder cette « usure », il faut éviter d'envoyer un flux trop important de rayonnement (saturation). On peut compenser une diminution du gain en augmentant la haute tension. Le détecteur peut aussi avoir des problèmes d'électronique (par exemeple assèchement des condensateurs électrolytiques, ou défaillance quelconque), de la haute tension, ou bien des problèmes d'étanchéité à l'air induisant une entrée d'humidité. Mais ces détecteurs sont en général très fiables et il n'est pas rare d'en voir encore en service après 20 ou 30 ans.

Description détaillée

Certains milieux transparents émettent une petite quantité de lumière en désexcitation après avoir été excités par une particule chargée (fluorescence). Ces photons peuvent être détectés par un dispositif photosensible, si le milieu est transparent dans le domaine de longueur d’onde correspondant au moins à certains de ces photons. Il existe divers milieux qui satisfont à cette condition de transparence :

• Les scintillateurs organiques (plastique, liquide, cristal)

Leur mécanisme de fluorescence est associé aux états excités des molécules. La scintillation est basée sur les électrons 2π des liaisons C-C des molécules. La lumière émise est généralement dans l'UV. Des exemples de scintillateurs organiques cristallins sont le naphtalène, l'anthracène ou le p-terphenyl. Les scintillateurs organiques plastiques ou liquide sont constitués d'un solvant et d'un soluté. Les solvants rencontrés dans les scintillateurs organiques liquides sont le plus souvent le benzène, le toluène ou le xylène; en scintillateurs plastiques on trouvera le polyvinylbenzène, le polyvinyltoluène, ou le polystyrène. Les solutés secondaires et tertiaires les plus largement utilisés pour des liquides ou des plastiques sont le p-terphenyl, le DPO, le PBD, le POPOP, le BBO, ou le BPO.

Les scintillateurs plastiques sont fabriqués par des méthodes complexes de polymérisation.

Les scintillateurs organiques ayant un faible numéro atomique moyen (ils sont composés essentiellement d'atomes de carbone et d'hydrogène), ils ont une faible efficacité de détection des photons gamma. Ils sont sensibles presque uniquement à l'effet Compton. En revanche, grâce à leur forte teneur en hydrogène, ils permettent une très bonne détection des neutrons par des réactions de type (n,p).

• Les scintillateurs inorganiques (cristal) : NaI(Tl), CsF2, BGO, …

Leur mécanisme de fluorescence est associé à la présence d'états intermédiaires apparaissant par la présence d'impuretés (le thallium dans l'iodure de sodium par exemple). Plusieurs constantes de temps existent dans les scintillateurs inorganiques, elles sont dues à la présence de deux types de recombinaisons : une recombinaison rapide des centres d'activation (de l'ordre de la microseconde), et une recombinaison retardée associée au piègeage des porteurs (de l'ordre de de la milliseconde). Possédant généralement un numéro atomique (Z) élevé, les scintillateurs inorganiques sont efficaces pour la détection des particules chargées mais aussi des photons. L'intensité de la luminescence des scintillateurs inorganiques dépend fortement de la température. Le germanate de Bismuth (BGO) voit sa luminescence décroître d'environ 10% entre 0° et 40°, alors que celle de l'iodure de sodium (NaI(Tl)) augmente d'environ 5% dans cette même plage de température.

Les scintillateurs sont couplés à des photodétecteurs qui transforment la lumière émise par le scintillateur en électrons qui viendront former le signal utile (courant). Ces transformateurs de lumière sont appelés photomultiplicateurs (PMT), ils produisent des électrons à partir de la lumière et jouent un rôle d'amplificateur de ces électrons, qui sont produits initialement en très faible nombre.

Le but d’un photomultiplicateur est de convertir les photons de scintillation en un signal électrique, qui peut être ensuite traité électroniquement (amplificateur etc.). Le principe physique est l’effet photo-électrique, produit avec la photocathode, qui est en général une mince couche d’un alliage métallique alcalin. On définit l’efficacité quantique (h) comme le nombre de photo-électrons créés par photon incident. Typiquement h ~ 0.25, et il est fonction de la longueur d’onde du photon.

Derrière la photocathode se trouve une série d’électrodes appelées dynodes (pouvant aller de dix à quatorze), formées d’un alliage particulier, souvent du CuBe, portées à des potentiels électriques croissants. Les photo-électrons émis par la photocathode sont accélérés et focalisés sur la première dynode, en arrachant 2 à 5 électrons par photo-électron, amplifiant ainsi le signal électrique.

Le même mécanisme d’amplification se reproduit sur chacune des dynodes successives, produisant un gain pouvant atteindre 10⁷ après 14 étages.

L’efficacité d’un détecteur à scintillation dépend donc de plusieurs facteurs :

• sa longueur d’atténuation
• sa perte de photons (efficacité de collecte)
• son efficacité quantique.

Les détecteurs scintillateurs sont utilisés en calorimétrie, pour des mesures de temps de vol, comme détecteurs de traces, en tant que déclencheurs ainsi que pour des compteurs véto.

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