Détecteur à scintillation

Un détecteur à scintillation aussi nommé compteur à scintillation ou plus fréquemment scintillateur est un instrument composé d'un matériau qui émet de la lumière suite à un dépôt d'énergie par interaction d'un rayonnement.



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Détecteur de particules - Capteur - Composant électronique

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Un détecteur à scintillation aussi nommé compteur à scintillation ou plus fréquemment scintillateur est un instrument composé d'un matériau qui émet de la lumière suite à un dépôt d'énergie par interaction d'un rayonnement.

Il existe deux grandes familles de scintillateurs : des scintillateurs organiques (à base de composés benzèniques : anthracène, naphtalène, stilbène, terphényl, ... ) qu'on retrouve sous forme de plastiques ou en solution liquide et des scintillateurs inorganiques qui sont utilisés en monocristaux ou en poudre (essentiellement des alcalins halides).

Les scintillateurs sont utilisés généralement de deux manières :


Il se compose :

Précautions d'utilisation

Le cristal et le PM sont associés dans un compartiment sec ; en effet, le cristal pouvant être fortement hygroscopique et pouvant s'opacifier sous l'effet de l'humidité, celle-ci peut induire une diminution du rendement du détecteur. L'étanchéité peut ainsi être assurée par de la graisse silicone. Le tout est isolé de la lumière ambiante qui viendrait perturber le signal.

Choisir un scintillateur

L'efficacité d'un détecteur à scintillation dépend par conséquent de plusieurs facteurs :


Scintillateurs organiques

Les scintillateurs organiques peuvent se trouver sous la forme plastique, liquide ou cristalline.

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 couvre le plus souvent une spectre large dans l'UV et le visible. Des exemples de scintillateurs organiques cristallins sont le naphtalène, l'anthracène ou le p-terphenyl.

Les scintillateurs organiques plastiques ou liquide sont constitués de deux composants fondamentaux : un solvant et un (ou plusieurs) soluté. Le solvant absorbe l'énergie et son excitation est transférée au (x) soluté (s) qui émet la lumière.

Les solvants rencontrés dans les scintillateurs organiques liquides sont le plus fréquemment le benzène, le toluène ou le xylène; dans les scintillateurs plastiques on trouvera l'anthracène, le trans-stilbène, la naphtaline, le polyvinylbenzène, le polyvinyltoluène, ou le polystyrène. Les solutés les plus largementutilisés 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. La présence d'impuretés peut dégrader sensiblement le rendement du détecteur.

Une propriété remarquable des scintillateurs organiques est leur réponse particulièrement rapide (quelques nanosecondes), ce qui permet de les utiliser dans des problématiques de mesures de temps (mesures de coïncidences ou de temps de vol par exemple).

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

Scintillateurs inorganiques

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 le plus souvent un numéro atomique (Z) élevé, les scintillateurs inorganiques sont efficaces pour la détection des particules chargées mais également 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°, tandis que celle de l'iodure de sodium (NaI (Tl) ) augmente d'environ 5% dans cette même plage de température.

Photomultiplicateur

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 nommés photomultiplicateurs (PMT), ils produisent des électrons à partir de la lumière et jouent un rôle d'amplificateur de ces électrons, qui sont produits originellement en particulièrement faible nombre.

L'objectif 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 généralement 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 dépend de la longueur d'onde du photon.

Le PM nécessite une haute tension pour l'accélération des électrons, généralement 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.


Derrière la photocathode se trouve une série d'électrodes nommées dynodes (pouvant aller de dix à quatorze), constituées d'un alliage spécifique, fréquemment 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, augmentant ainsi le signal électrique.

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

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 exemple 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 généralement particulièrement fiables et il n'est pas rare d'en voir toujours en service après 20 ou 30 ans.


Utilisation de scintillateurs

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

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La version présentée ici à été extraite depuis cette source le 07/04/2010.
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