Scintillateurs Fibrés

Scintillateurs Fibrés
27-09-07
Auteurs
Guy BARET / Pierre Paul JOBERT
GRITCHE Technologies SARL
26 rue Barthélémy de Laffemas
26000 VALENCE
tel +33 475 xxx xxx
[email protected]
www.gritche-technologies.com
GRITCHE Technologies : nanomaterials based applications
GRITCHE
Technologies
SOMMAIRE
Scintillateur
Structure
Conclusion
CONFIDENTIEL GRITCHE Technologies
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Flux ou image ?
● Définition
• Un objet qui transforme un flux énergétique en un flux
Scintillateur
lumineux
• Les plus connus sont les scintillateurs à rayons X (imagerie
●
Compromis
luminance
résolution si
on veut faire
une image
●
médicale, équipements scientifiques)
Flux
• On cherchera l’efficacité la meilleure (matériau),
• Sans préoccupation particulière relative au matériau (taille)
Image
• On cherchera l’efficacité la meilleure (matériau)
• Et la résolution objective
• Celle ci est imposée par le capteur d’image associé
• Dans ce cas, la taille des matériaux (et donc l’épaisseur de
la couche) et la structure de la couche elle-même
deviennent des paramètres essentiels
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Absorption de lumière
● Il y a toujours un optimum en épaisseur !
Photon incident
Scintillateur
Absorption de
l’excitation
Couche scintillatrice
Zone d’interaction
Absorption de
l’émission
Cela se
calcule et se
simule.
Les mesures
permettent de
définir le
modèle.
Photon émis
● Trop fin : faible probabilité d’absorption du photon
●
excitateur
Trop épais : trop d’absorption du photon émis
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Diffusion de lumière
● Il y a encore un optimum en épaisseur !
Scintillateur
Photon incident
Absorption de
l’excitation
Couche scintillatrice
Zone d’interaction
Cela se
mesure
Cela peut se
simuler, mais
c’est
compliqué
Emission isotrope
Photon émis après de multiples diffusions
● Trop fin : très résolvant mais sans luminosité
●
Plus épais : lumineux mais pas résolvant
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Cas des couches minces continues
● La résolution dépend de l’épaisseur
• Il existe une règle empirique
• La diffusion de la lumière affecte une distance de l’ordre de
Scintillateur
grandeur de l’épaisseur de la couche
• La FTM sera donc perturbée par une fonction de largeur 2d
●
Sans
structurer la
couche la
résolution est
imposée…
à 1/e
Attention à la compacité
• La compacité max est celle de l’hexagonal compact (0,73)
• Dans la pratique il est très difficile de dépasser 0,5 pour
des raisons technologiques (rhéologie, solvants, séchages)
• Pour une quantité optimale (épaisseur dense équivalente)
●
la résolution sera affectée par la technologie de réalisation
Monocristaux et couches non granulaires
• Il n’y a plus de diffusion dans la couche
• Mais il y a les phénomènes de guide d’onde !
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Comment structurer la couche ?
● Confiner la diffusion de la lumière
Structure
• C’est la diffusion de la lumière qui « élargit » le faisceau
excitateur, et dégrade de ce fait la résolution
• L’émission au niveau du grain sera toujours isotrope
• L’idée est de créer un guide d’onde lumineux selon la
direction perpendiculaire au plan du scintillateur
● Monocristaux anisotropes
Tous les
matériaux
luminescents
n’ont pas une
structure
colonnaire !
•
C’est le cas de l’ICs, utilisé dans les
tubes intensificateurs d’images
radiologiques
•
Par évaporation sous vide la matière
s’organise naturellement en structures
colonnaires, qui vont jouer le rôle de
guide d’onde
•
La résolution est alors définie par la
taille des colonnes
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La fibre au secours
● Recréer une fibre optique
• Par définition, une fibre optique est un guide d’onde
• Si la lumière est crée par le photon excitateur à l’intérieur
Structure
d’une fibre optique, la lumière émise y restera confinée
jusqu’à sa sortie aux extrémités
●
Utiliser les technologies du textile
• Les fils réalisés en matériau
La
juxtaposition
des fibres
permet de
créer
l’homologue
d’une
structure
colonnaire
polymère sont d’ores et déjà
chargés en particules minérales
(de taille inférieure au µm) pour
des raisons de tenue mécanique
principalement
• Remplacer cette charge par un matériau luminescent
submicronique est possible a priori
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Les contraintes !
● Absorption
• Il faut prendre garde à l’absorption optique du polymère
Structure
(photon excitateur et photon émis)
• Il y a un double compromis en concentration volumique du
matériau luminescent et en longueur de la fibre
• Cela peut se simuler
● Réflexion
• La réflexion (photon excitateur et photon émis) à la surface
Compromis
longueur de la
fibre, taux de
charge et
diamètre de la
fibre
de la fibre doit être optimisée
●
• Un traitement de surface réfléchissant est indispensable
Entrée et sortie
• Attention à l’ouverture numérique du dispositif ! Plus la
résolution est grande, plus l’ON est faible, et on perd en
luminance
• Il faut optimiser le couplage scintillateur capteur
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Optimiser !
● Exemple
Structure
• Simulation d’un scintillateur X
OPTIMUM DE CONVERSION DU SCINTILLATEUR
Modèle très
simples fondé
sur les
coefficients
d’absorption
et de réflexion
(pas de Monte
Carlo)
LUMIERE EMISE (u.a.)
180
160
140
120
100
80
60
40
20
0
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
7000
8000
9000
10000
EPAISSEUR DE LA FIBRE
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Les difficultés technologiques
● Trouver un polymère transparent et filable
Structure
●
●
●
Un scintillateur
fibré est
réalisable mais
de nombreux
obstacles
technologiques
demeurent.
●
●
●
Disperser la charge luminescente de façon homogène
dans le polymère (agglomérats !) et s’assurer de sa
compatibilité avec le filage
Maîtriser un monobrin éventuellement très fin (pb de
casse)
Déterminer une technique de coating de la fibre
(métallisation)
Réaliser un assemblage rigide de brins parallèles
(trouver une colle)
Mettre au point une technique de découpe de la galette
qui ne perturbe pas l’état de surface (pas de polissage)
Traiter antireflet la face d’entrée pour la longueur
d’onde émise sans limiter l’entrée des photons
excitateurs
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Couche mince ou couche structurée ?
● Le choix du scintillateur : il repose sur de multiples
compromis :
Conclusion
• Charge luminescente : taille et concentration
• Fil : polymère transparent et filable
• Géométrie : diamètre des brins et rendement de réalisation
●
Les technologies du textile
• Sont éprouvées industriellement
• Mais requièrent souvent une grande quantité de matière
Une mise au
point délicate
pour la mise en œuvre
●
Des simulations sont nécessaires pour simplifier
la démarche de développement
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