Qu’est-ce que le compteur de scintillation NaI (Tl) – Définition

Un compteur à scintillation NaI (Tl)  est un détecteur de rayonnement qui utilise l’effet connu sous le nom de scintillation . La scintillation, qui se produit dans le  cristal NaI (Tl), est un éclair de lumière produit dans un matériau transparent par le passage d’une particule (un électron, une particule alpha, un ion ou un photon à haute énergie). La scintillation se produit dans le scintillateur, qui est un élément clé d’un détecteur de scintillation. En général, un détecteur à scintillation comprend:

• Scintillateur . Un scintillateur génère des photons en réponse au rayonnement incident.
• Photodétecteur . Un photodétecteur sensible (généralement un tube photomultiplicateur (PMT), une caméra à dispositif à couplage de charge (CCD) ou une photodiode), qui convertit la lumière en un signal électrique et électronique pour traiter ce signal.

Le principe de base du fonctionnement implique que le rayonnement réagit avec un scintillateur, ce qui produit une série d’éclairs d’intensité variable. L’intensité des éclairs est proportionnelle à l’énergie du rayonnement. Cette fonctionnalité est très importante. Ces compteurs sont adaptés pour mesurer l’énergie du rayonnement gamma ( spectroscopie gamma ) et, par conséquent, peuvent être utilisés pour identifier les isotopes émetteurs gamma.

Les compteurs à scintillation sont largement utilisés dans la radioprotection , le dosage des matériaux radioactifs et la recherche en physique car ils peuvent être fabriqués à peu de frais mais avec une bonne efficacité, et peuvent mesurer à la fois l’intensité et l’énergie du rayonnement incident. Les hôpitaux du monde entier ont des gamma caméras basées sur l’effet de scintillation et, par conséquent, elles sont aussi appelées caméras à scintillation.

Les avantages d’un compteur à scintillation sont son efficacité et la haute précision et les taux de comptage qui sont possibles. Ces derniers attributs sont la conséquence de la durée extrêmement courte des éclairs lumineux, d’environ 10 ^-9  (scintillateurs organiques) à 10 ^-6 (scintillateurs inorganiques) secondes. L’ intensité des flashs et l’amplitude de l’impulsion de tension de sortie sont proportionnelles à l’énergie du rayonnement . Par conséquent, les compteurs à scintillation peuvent être utilisés pour déterminer l’énergie, ainsi que le nombre, des particules excitantes (ou photons gamma). Pour la spectrométrie gamma, les détecteurs les plus courants comprennent les compteurs à scintillation à l’iodure de sodium (NaI) et les détecteurs au germanium de haute pureté.

Iodure de sodium dopé au thallium – scintillateurs NaI (Tl)

Le matériau de scintillation le plus utilisé est le NaI (Tl) (iodure de sodium dopé au thallium) . Le NaI (Tl) en tant que scintillateur est utilisé dans les détecteurs à scintillation, traditionnellement en médecine nucléaire, géophysique, physique nucléaire et mesures environnementales. L’iode fournit la plupart du pouvoir d’arrêt dans l’iodure de sodium (car il a un Z élevé = 53). Ces scintillateurs cristallins sont caractérisés par une densité élevée, un nombre atomique élevé et des temps de décroissance d’impulsion d’environ 1 microseconde (~ 10 ^-6 s). La longueur d’onde d’émission maximale est de 415 nm. La scintillation dans les cristaux inorganiques est généralement plus lente que dans les cristaux organiques. Ils présentent une efficacité élevée pour la détection des rayons gamma et sont capables de gérer des taux de comptage élevés. Les cristaux inorganiques peuvent être coupés à de petites tailles et disposés dans une configuration en réseau afin de fournir une sensibilité de position. Cette fonction est largement utilisée en imagerie médicale pour détecter les rayons X ou les rayons gamma. Les scintillateurs inorganiques détectent mieux les rayons gamma et les rayons X. Le scintillateur NaI (Tl) a une résolution d’énergie plus élevée qu’un compteur proportionnel, permettant des déterminations énergétiques plus précises. Cela est dû à leur haute densité et à leur numéro atomique qui donne une haute densité électronique. Un inconvénient de certains cristaux inorganiques, par exemple NaI, est leur hygroscopicité, une propriété qui exige qu’ils soient logés dans un récipient hermétique pour les protéger de l’humidité. Les cristaux sont généralement couplés à un tube photomultiplicateur, dans un ensemble hermétiquement scellé.

Tube photomultiplicateur

Les tubes photomultiplicateurs (PMT) sont un dispositif de détection de photons qui utilise l’effet photoélectrique combiné à une émission secondaire pour convertir la lumière en un signal électrique. Un photomultiplicateur absorbe la lumière émise par le scintillateur et la réémet sous forme d’électrons via l’ effet photoélectrique . Depuis lors, le PMT est le principal choix pour la détection de photons en raison de son efficacité quantique élevée et de son amplification élevée.

Composants du tube photomultiplicateur

L’appareil se compose de plusieurs composants et ces composants sont représentés sur la figure.

• Photocathode . Juste après une fenêtre d’entrée mince, se trouve une photocathode, qui est faite d’un matériau dans lequel les électrons de valence sont faiblement liés et ont une section efficace élevée pour convertir les photons en électrons via l’effet photoélectrique. Par exemple, du Cs ₃ Sb (césium-antimoine) peut être utilisé. En conséquence, la lumière créée dans le scintillateur frappe la photocathode d’un tube photomultiplicateur, libérant au plus un photoélectron par photon.
• Dynodes . En utilisant un potentiel de tension, ce groupe d’électrons primaires est accéléré et concentré électrostatiquement de sorte qu’ils frappent la première dynode avec suffisamment d’énergie pour libérer des électrons supplémentaires. Il existe une série («étapes») de dynodes en matériau de fonction de travail relativement faible. Ces électrodes fonctionnent à un potentiel toujours croissant (par exemple ~ 100-200 V entre les dynodes). Au niveau de la dynode, les électrons sont multipliés par émission secondaire. La prochaine dynode a une tension plus élevée, ce qui fait que les électrons libérés du premier accélèrent vers elle. A chaque dynode 3-4 électrons sont libérés pour chaque électron incident, et avec 6 à 14 dynodes le gain global, ou le facteur d’amplification d’électrons, seront dans la plage d’environ 10 ⁴ -10⁷ lorsqu’ils atteignent l’anode. Les tensions de fonctionnement typiques se situent dans la plage de 500 à 3000 V. Au niveau de la dynode finale, suffisamment d’électrons sont disponibles pour produire une impulsion d’une amplitude suffisante pour une amplification supplémentaire. Cette impulsion transporte des informations sur l’énergie du rayonnement incident d’origine. Le nombre de ces impulsions par unité de temps donne également des informations sur l’intensité du rayonnement.