Détecteur à scintillation — Wikipédia

Rech
Détecteur à
scintillation
Cet article ne cite pas suffisamment ses sources
Si vous disposez d'ouvrages ou d'articles de référence ou si vous connaissez des sites
web de qualité traitant du thème abordé ici, merci de compléter l'article en donnant les
références utiles à sa vérifiabilité et en les liant à la section «Notes et références»
En pratique: Quelles sources sont attendues? Comment ajouter mes sources?
Un détecteur à scintillation, également appelé compteur à scintillation ou plus souvent
scintillateur, est un instrument composé d'un matériau qui émet de la lumière à la suite d'un
dépôt d'énergie par interaction avec un rayonnement.
S hé dé i h d h é i f i l i ill i d i d h d f ibl

Il existe deux grandes familles de scintillateurs: les scintillateurs organiques (à base de
composés benzéniques: anthracène, naphtalène, stilbène, terphényle, etc.) que l'on retrouve
sous forme de plastiques ou en solution liquide, et les scintillateurs inorganiques qui sont
utilisés en monocristaux ou en poudre (principalement des halogénures alcalins).
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: la lumière (photons) émise par le matériau
scintillant est amplifiée par un tube photomultiplicateur (PM), puis les photons sont
comptés. On estime ainsi le flux de photons dans le scintillateur. Une relation simple
existant entre la quantité de lumière produite et l'énergie déposée étant à l'origine du
phénomène de scintillation permet en outre de déterminer l'énergie du rayonnement
détecté (technique de spectroscopie ou spectrométrie).
Il se compose:
d'un cristal (à base de thallium) ou d'un liquide de scintillation;
d'un photomultiplicateur (PM) ou d'un CPM (Channel PhotoMultiplier);
d'une électronique de comptage.
Précautions d'utilisation
Le cristal et le photomultiplicateur 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.
Choix d'un scintillateur
Schéma dépeignant un photon de haute énergie frappant un cristal scintillant, ce qui produit des photons de faible
énergie qui sont ensuite convertis en photo-électrons puis multipliés dans un photomultiplicateur.
Description générale
…
…

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 scintillateurs organiques peuvent se trouver sous forme plastique, liquide ou cristalline.
Leur mécanisme de fluorescence est associé aux états excités des molécules. La
scintillation est basée sur les électrons  des liaisons carbone-carbone des molécules. La
lumière émise couvre généralement un spectre large dans l'UV et le visible. Des exemples de
scintillateurs organiques cristallins sont le naphtalène, l'anthracène ou le p-terphényle.
Les scintillateurs organiques plastiques ou liquides 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 souvent 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 largement utilisés pour des liquides ou des plastiques sont le p-terphényle, 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 très 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
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).
Scintillateurs organiques
Scintillateurs inorganiques

Les scintillateurs inorganiques sont principalement des halogénures alcalins dopés par une
impureté: NaI(Tl), CsI(Tl), KI(Tl), LiI(Eu) ou bien des composés minéraux comme CsF2, BGO,
BaF2, ZnS, CaWO4, CdWO4, LaBr3:Ce, etc. 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
piégeage des porteurs (de l'ordre 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 °C,
alors 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 appelés photomultiplicateurs, 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...). 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.
Le PM nécessite une haute tension pour l'accélération des électrons, en général entre 700 et
1200V. 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 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.
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 en général très
fiables et il n'est pas rare d'en voir encore en service après 20 ou 30 ans.
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 veto.
Articles connexes
Détecteur phoswich
Césium
 Portail de la physique
Utilisation de scintillateurs
Notes et références
Voir aussi
…