Dosimétrie des rayonnements

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.

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 («étages») 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 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 3 000 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.

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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 («étages») 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 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 3 000 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.

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.

Le tube photomultiplicateur est un élément clé d’un détecteur à 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.

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 («étages») 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 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 3 000 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.

Tube photomultiplicateur – Principe de fonctionnement

Le fonctionnement des compteurs à scintillation et des tubes photomultiplicateurs est résumé dans les points suivants:

• 

  Le rayonnement ionisant pénètre dans le scintillateur et interagit avec le matériau du scintillateur. Cela provoque la montée des électrons à un état excité .

  • Pour les particules chargées, la piste est le chemin de la particule elle-même.
  • Pour les rayons gamma (non chargés), leur énergie est convertie en un électron énergétique via l’ effet photoélectrique , la diffusion Compton ou la production de paires .
• Les atomes excités du matériau scintillateur se désexcitent et émettent rapidement un photon dans la gamme de lumière visible (ou presque visible). La quantité est proportionnelle à l’énergie déposée par la particule ionisante. Le matériau serait fluorescent.
• Trois classes de luminophores sont utilisées:
  • cristaux inorganiques,
  • cristaux organiques,
  • phosphores plastiques.
• La lumière créée dans le scintillateur frappe la photocathode d’un tube photomultiplicateur , libérant au plus un photoélectron par photon.
• 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.
• Ces électrons secondaires sont attirés et frappent une seconde dynode libérant plus d’électrons. Ce processus se produit dans le tube photomultiplicateur.
• Chaque impact de dynode suivant libère d’autres électrons, et il y a donc un effet d’amplification de courant à chaque étage de dynode. Chaque étage a un potentiel plus élevé que le précédent pour fournir le champ d’accélération.
• Le signal primaire est multiplié et cette amplification se poursuit sur 10 à 12 étages.
• À 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.

Efficacité quantique

La sensibilité d’une photocathode est généralement indiquée en termes d’ efficacité quantique . En général, le rendement quantique terme (QE) peut demander au photon incident à électrons converti ( IPCE ) rapport d’un dispositif photosensible. L’efficacité quantique de la photocathode est définie comme la probabilité de conversion de photons incidents en un signal électrique et est définie comme:

L’efficacité quantique de tout appareil photosensible est une fonction importante de la longueur d’onde de la lumière incidente, et un effort est fait pour adapter la réponse spectrale de la photocathode au spectre d’émission du scintillateur utilisé. Dans le tube photomultiplicateur, l’efficacité quantique est limitée à 20-30% , mais une efficacité quantique moyenne sur le spectre d’émission d’un scintillateur typique est d’environ 15-20% .

La norme de cotation est le nombre de photoélectrons par perte d’énergie keV par des électrons rapides dans un scintillateur NaI (Tl) . Pour une efficacité quantique maximale, environ 8 à 10 photoélectrons sont produits pour chaque perte d’énergie keV. Par conséquent, la perte d’énergie moyenne requise pour créer un seul photoélectron est d’environ 100 eV, ce qui est beaucoup plus élevé que les valeurs des détecteurs remplis de gaz ou des détecteurs à semi-conducteur.

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. Dernièrement, cependant, les semi-conducteurs ont commencé à concurrencer le PMT, la photodiode par exemple, qui a une efficacité quantique plus élevée dans la gamme visible et au-dessus, une consommation d’énergie inférieure et une taille plus petite. L’efficacité quantique de la photodiode est élevée (60-80%) par rapport au PMT (20-30%) qui donne une résolution énergétique plus élevée.

Les scintillateurs organiques sont des sortes de matériaux organiques qui fournissent des photons détectables dans la partie visible du spectre lumineux, après le passage d’une particule chargée ou d’un photon. Le mécanisme de scintillation dans les matériaux organiques est très différent du mécanisme dans les cristaux inorganiques. Dans les scintillateurs inorganiques, par exemple NaI, CsI, la scintillation se produit en raison de la structure du réseau cristallin. Le mécanisme de fluorescence dans les matériaux organiques provient des transitions dans les niveaux d’énergie d’une seule molécule et donc la fluorescence peut être observée indépendamment de l’état physique (vapeur, liquide, solide).

En général, les scintillateurs organiques ont des temps de décroissance rapides (généralement ~ 10 ^-8 sec ), tandis que les cristaux inorganiques sont généralement beaucoup plus lents (~ 10 ^-6 sec), bien que certains aient également des composants rapides dans leur réponse. Il existe trois types de scintillateurs organiques:

• Cristaux organiques purs . Les cristaux organiques purs comprennent des cristaux d’anthracène, de stilbène et de naphtalène. Le temps de décroissance de ce type de luminophore est d’environ 10 nanosecondes. Ce type de cristal est fréquemment utilisé dans la détection des particules bêta . Ils sont très durables, mais leur réponse est anisotrope (ce qui gâche la résolution énergétique lorsque la source n’est pas collimatée), et ils ne peuvent pas être facilement usinés, ni cultivés en grandes tailles. Ils ne sont donc pas très souvent utilisés.
• Solutions organiques liquides . Les solutions organiques liquides sont produites en dissolvant un scintillateur organique dans un solvant.
• Scintillateurs en plastique . Les luminophores en plastique sont fabriqués en ajoutant des produits chimiques de scintillation à une matrice en plastique. La constante de désintégration est la plus courte des trois types de luminophores, approchant 1 ou 2 nanosecondes. Les scintillateurs en plastique sont donc plus appropriés pour une utilisation dans des environnements à flux élevé et dans des mesures de débit de dose élevé. Le plastique a une forte teneur en hydrogène, il est donc utile pour les détecteurs de neutrons rapides . Il faut beaucoup plus d’énergie pour produire un photon détectable dans un scintillateur qu’une paire électron-ion par ionisation (généralement par un facteur de 10), et parce que les scintillateurs inorganiques produisent plus de lumière que les scintillateurs organiques, ils sont par conséquent meilleurs pour les applications à faibles énergies .

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Les scintillateurs sont des types de matériaux qui fournissent des photons détectables dans la partie visible du spectre lumineux, après le passage d’une particule chargée ou d’un photon. Le scintillateur se compose d’un cristal transparent , généralement un phosphore, un plastique ou un liquide organique qui fluorescent lorsqu’il est frappé par un rayonnement ionisant. Le scintillateur doit également être transparent à ses propres émissions lumineuses et il doit avoir un temps de décroissance court. Le scintillateur doit également être protégé de toute lumière ambiante afin que les photons externes ne submergent pas les événements d’ionisation provoqués par le rayonnement incident. Pour y parvenir, une feuille mince opaque, telle que du mylar aluminisé, est souvent utilisée, bien qu’elle doive avoir une masse suffisamment faible pour minimiser l’ atténuation indue du rayonnement incident mesuré.

Il existe principalement deux types de scintillateurs couramment utilisés en physique nucléaire et en physique des particules: les scintillateurs organiques ou plastiques et les scintillateurs inorganiques ou cristallins.

Scintillateurs organiques

Les scintillateurs organiques sont des sortes de matériaux organiques qui fournissent des photons détectables dans la partie visible du spectre lumineux, après le passage d’une particule chargée ou d’un photon. Le mécanisme de scintillation dans les matériaux organiques est très différent du mécanisme dans les cristaux inorganiques. Dans les scintillateurs inorganiques, par exemple NaI, CsI, la scintillation se produit en raison de la structure du réseau cristallin. Le mécanisme de fluorescence dans les matériaux organiques provient des transitions dans les niveaux d’énergie d’une seule molécule et donc la fluorescence peut être observée indépendamment de l’état physique (vapeur, liquide, solide).

En général, les scintillateurs organiques ont des temps de décroissance rapides (généralement ~ 10 ^-8 sec ), tandis que les cristaux inorganiques sont généralement beaucoup plus lents (~ 10 ^-6 sec), bien que certains aient également des composants rapides dans leur réponse. Il existe trois types de scintillateurs organiques:

• Cristaux organiques purs . Les cristaux organiques purs comprennent des cristaux d’anthracène, de stilbène et de naphtalène. Le temps de décroissance de ce type de luminophore est d’environ 10 nanosecondes. Ce type de cristal est fréquemment utilisé dans la détection des particules bêta . Ils sont très durables, mais leur réponse est anisotrope (ce qui gâche la résolution énergétique lorsque la source n’est pas collimatée), et ils ne peuvent pas être facilement usinés, ni cultivés en grandes tailles. Ils ne sont donc pas très souvent utilisés.
• Solutions organiques liquides . Les solutions organiques liquides sont produites en dissolvant un scintillateur organique dans un solvant.
• Scintillateurs en plastique . Les luminophores en plastique sont fabriqués en ajoutant des produits chimiques de scintillation à une matrice en plastique. La constante de désintégration est la plus courte des trois types de luminophores, approchant 1 ou 2 nanosecondes. Les scintillateurs en plastique sont donc plus appropriés pour une utilisation dans des environnements à flux élevé et dans des mesures de débit de dose élevé. Le plastique a une forte teneur en hydrogène, il est donc utile pour les détecteurs de neutrons rapides . Il faut beaucoup plus d’énergie pour produire un photon détectable dans un scintillateur qu’une paire électron-ion par ionisation (généralement par un facteur de 10), et parce que les scintillateurs inorganiques produisent plus de lumière que les scintillateurs organiques, ils sont par conséquent meilleurs pour les applications à faibles énergies .

L’iodure de césium (CsI) sous forme cristalline est utilisé comme scintillateur pour la détection des protons et des particules alpha . Pure CsI est un matériau scintillant rapide et dense avec un rendement lumineux relativement faible qui augmente considérablement avec le refroidissement. Les inconvénients du CsI sont un gradient de température élevé et une légère hygroscopicité.

L’iodure de césium dopé au thallium a un numéro atomique effectif de 54 et une densité de 4,51 g / cm ³ . Le CsI (TI) est également hygroscopique et ne doit pas être soumis à une humidité élevée ou à de l’eau. CsI ​​(TI) a des temps de désintégration différents pour différentes particules (680ns et 3340ns) et peut être utilisé pour déterminer entre différents types de rayonnement. Le spectre d’émission atteint un pic à 540-560 nm.

Les compteurs à scintillation peuvent être utilisés pour détecter  les rayonnements alpha ,  bêta et  gamma . Ils peuvent également être utilisés pour la  détection de neutrons . À ces fins, différents scintillateurs sont utilisés:

• Particules alpha et ions lourds . En raison du pouvoir ionisant très élevé des ions lourds, les compteurs à scintillation ne sont généralement pas idéaux pour la détection des ions lourds. À énergies égales, un proton produira 1/4 à 1/2 de la lumière d’un électron, tandis que les particules alpha ne produiront qu’environ 1/10 de la lumière. Si nécessaire, les cristaux inorganiques, par exemple CsI (Tl), ZnS (Ag) (généralement utilisés dans les feuilles minces comme moniteurs de particules α), devraient être préférés aux matériaux organiques. Pure CsI est un matériau scintillant rapide et dense avec un rendement lumineux relativement faible qui augmente considérablement avec le refroidissement. Les inconvénients du CsI sont un gradient de température élevé et une légère hygroscopicité.

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Cet article est basé sur la traduction automatique de l’article original en anglais. Pour plus d’informations, voir l’article en anglais. Pouvez vous nous aider Si vous souhaitez corriger la traduction, envoyez-la à l’adresse: translations@nuclear-power.com ou remplissez le formulaire de traduction en ligne. Nous apprécions votre aide, nous mettrons à jour la traduction le plus rapidement possible. Merci

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 sec). 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. 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.

Les scintillateurs sont des types de matériaux qui fournissent des photons détectables dans la partie visible du spectre lumineux, après le passage d’une particule chargée ou d’un photon. Le scintillateur se compose d’un cristal transparent , généralement un phosphore, un plastique ou un liquide organique qui fluorescent lorsqu’il est frappé par un rayonnement ionisant. Le scintillateur doit également être transparent à ses propres émissions lumineuses et il doit avoir un temps de décroissance court. Le scintillateur doit également être protégé de toute lumière ambiante afin que les photons externes ne submergent pas les événements d’ionisation provoqués par le rayonnement incident. Pour y parvenir, une feuille mince opaque, telle que du mylar aluminisé, est souvent utilisée, bien qu’elle doive avoir une masse suffisamment faible pour minimiser l’ atténuation indue du rayonnement incident mesuré.

Il existe principalement deux types de scintillateurs couramment utilisés en physique nucléaire et en physique des particules: les scintillateurs organiques ou plastiques et les scintillateurs inorganiques ou cristallins.

Scintillateurs inorganiques

Les scintillateurs inorganiques sont généralement des cristaux cultivés dans des fours à haute température. Ils comprennent l’iodure de lithium (LiI), l’iodure de sodium (NaI) , l’iodure de césium (CsI) et le sulfure de zinc (ZnS). Le matériau de scintillation le plus utilisé est le NaI (Tl) (iodure de sodium dopé au thallium). 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 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 que les scintillateurs organiques. 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.

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 sec). 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. Cela est dû à leur densité élevée et à leur numéro atomique qui donne une densité électronique élevée. 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.

Iodure de césium dopé au thallium – Scintillateurs CsI (Tl)

L’iodure de césium (CsI) sous forme cristalline est utilisé comme scintillateur pour la détection des protons et des particules alpha . Pure CsI est un matériau scintillant rapide et dense avec un rendement lumineux relativement faible qui augmente considérablement avec le refroidissement. Les inconvénients du CsI sont un gradient de température élevé et une légère hygroscopicité.

L’iodure de césium dopé au thallium a un numéro atomique effectif de 54 et une densité de 4,51 g / cm ³ . Le CsI (TI) est également hygroscopique et ne doit pas être soumis à une humidité élevée ou à de l’eau. CsI ​​(TI) a des temps de désintégration différents pour différentes particules (680ns et 3340ns) et peut être utilisé pour déterminer entre différents types de rayonnement. Le spectre d’émission atteint un pic à 540-560 nm.

Un compteur à scintillation ou un détecteur à scintillation est un détecteur de rayonnement qui utilise l’effet connu sous le nom de scintillation . La scintillation 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.

Compteur à scintillation – Principe de fonctionnement

Le fonctionnement des compteurs à scintillation est résumé dans les points suivants:

• 

  Le rayonnement ionisant pénètre dans le scintillateur et interagit avec le matériau du scintillateur. Cela provoque la montée des électrons à un état excité .

  • Pour les particules chargées, la piste est le chemin de la particule elle-même.
  • Pour les rayons gamma (non chargés), leur énergie est convertie en un électron énergétique via l’ effet photoélectrique , la diffusion Compton ou la production de paires .
• Les atomes excités du matériau scintillateur se désexcitent et émettent rapidement un photon dans la gamme de lumière visible (ou presque visible). La quantité est proportionnelle à l’énergie déposée par la particule ionisante. Le matériau serait fluorescent.
• Trois classes de luminophores sont utilisées:
  • cristaux inorganiques,
  • cristaux organiques,
  • phosphores plastiques.
• La lumière créée dans le scintillateur frappe la photocathode d’un tube photomultiplicateur , libérant au plus un photoélectron par photon.
• 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.
• Ces électrons secondaires sont attirés et frappent une seconde dynode libérant plus d’électrons. Ce processus se produit dans le tube photomultiplicateur.
• Chaque impact de dynode suivant libère d’autres électrons, et il y a donc un effet d’amplification de courant à chaque étage de dynode. Chaque étage a un potentiel plus élevé que le précédent pour fournir le champ d’accélération.
• Le signal primaire est multiplié et cette amplification se poursuit sur 10 à 12 étages.
• À 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.

En général, les semi – conducteurs sont des matériaux, inorganiques ou organiques, qui ont la capacité de contrôler leur conduction en fonction de la structure chimique, de la température, de l’illumination et de la présence de dopants. Le nom semi-conducteur vient du fait que ces matériaux ont une conductivité électrique entre celle d’un métal, comme le cuivre, l’or, etc. et un isolant, comme le verre. Ils ont un écart énergétique inférieur à 4eV (environ 1eV). En physique du solide, cet écart d’énergie ou bande interdite est une plage d’énergie entre la bande de valence et la bande de conduction où les états électroniques sont interdits. Contrairement aux conducteurs, les électrons d’un semi-conducteur doivent obtenir de l’énergie (par exemple à partir de rayonnements ionisants) pour traverser la bande interdite et atteindre la bande de conduction. Les propriétés des semi – conducteurs sont déterminées par l’écart d’énergie entre les bandes de valence et de conduction. Pour comprendre ce qu’est le semi-conducteur, il faut définir ces termes.

Propriétés des semi-conducteurs

Pour comprendre la différence entre les métaux , les semi – conducteurs et les isolants électriques , nous devons définir les termes suivants à partir de la physique du solide:

• Bande de Valence . En physique du solide, la bande de valence et la bande de conduction sont les bandes les plus proches du niveau de Fermi et déterminent ainsi la conductivité électrique du solide. Dans les isolateurs électriques et les semi-conducteurs, la bande de valence est la gamme la plus élevée d’énergies électroniques dans laquelle les électrons sont normalement présents à une température zéro absolue. Par exemple, un atome de silicium a quatorze électrons. A l’état fondamental, ils sont disposés dans la configuration électronique [Ne] 3s ² 3p ² . Parmi ceux-ci, quatre sont des électrons de valence, occupant l’orbitale 3s et deux des orbitales 3p. La distinction entre les bandes de valence et de conduction n’a pas de sens dans les métaux, car la conduction se produit dans une ou plusieurs bandes partiellement remplies qui prennent à la fois les propriétés des bandes de valence et de conduction.
• Bande de conduction . En physique du solide, la bande de valence et la bande de conduction sont les bandes les plus proches du niveau de Fermi et déterminent ainsi la conductivité électrique du solide. Dans les isolateurs électriques et les semi-conducteurs, la bande de conduction est la plage la plus basse d’ états électroniques vacants . Sur un graphique de la structure de la bande électronique d’un matériau, la bande de valence est située en dessous du niveau de Fermi, tandis que la bande de conduction est située au-dessus. Dans les semi-conducteurs, les électrons peuvent atteindre la bande de conduction, lorsqu’ils sont excités , par exemple, par des rayonnements ionisants (c’est-à-dire qu’ils doivent obtenir une énergie supérieure à l’ _intervalle E). Par exemple, le diamant est un semi-conducteur à large bande interdite (E _gap  = 5,47 eV) avec un potentiel élevé comme matériau de dispositif électronique dans de nombreux dispositifs. De l’autre côté, le germanium a une petite énergie de bande interdite (E _gap = 0,67 eV), ce qui nécessite de faire fonctionner le détecteur à des températures cryogéniques. La distinction entre les bandes de valence et de conduction n’a pas de sens dans les métaux, car la conduction se produit dans une ou plusieurs bandes partiellement remplies qui prennent à la fois les propriétés des bandes de valence et de conduction.
• Écart de bande . En physique du solide, l’ écart énergétique ou la bande interdite est une plage d’énergie entre la bande de valence et la bande de conduction où les états électroniques sont interdits. Contrairement aux conducteurs, les électrons d’un semi-conducteur doivent obtenir de l’énergie (par exemple à partir de rayonnements ionisants) pour traverser la bande interdite et atteindre la bande de conduction. Les bandes interdites sont naturellement différentes pour différents matériaux. Par exemple, le diamant est un semi-conducteur à large bande interdite (E _gap  = 5,47 eV) avec un potentiel élevé comme matériau de dispositif électronique dans de nombreux dispositifs. De l’autre côté, le germanium a une petite énergie de bande interdite (E _gap = 0,67 eV), ce qui nécessite de faire fonctionner le détecteur à des températures cryogéniques.
• Niveau de Fermi . Le terme «niveau de Fermi» vient des statistiques de Fermi-Dirac , qui décrivent une distribution des particules sur les états énergétiques dans des systèmes constitués de fermions (électrons) qui obéissent au principe d’exclusion de Pauli . Puisqu’ils ne peuvent pas exister dans des états d’énergie identiques, le niveau de Fermi est le terme utilisé pour décrire le sommet de la collection des niveaux d’énergie des électrons à une température zéro absolue . Le niveau de Fermi est la surface de la mer de Fermiau zéro absolu où aucun électron n’aura suffisamment d’énergie pour s’élever au-dessus de la surface. Dans les métaux, le niveau de Fermi se situe dans la bande de conduction hypothétique donnant naissance à des électrons de conduction libres. Dans les semi-conducteurs, la position du niveau de Fermi est dans la bande interdite, approximativement au milieu de la bande interdite.
• Paire d’électrons-trous . Dans le semi-conducteur, les porteurs de charge gratuits sont les électrons et les trous d’ électrons (paires électron-trou). Les électrons et les trous sont créés par l’ excitation d’électrons de la bande de valence à la bande de conduction. Un trou d’électrons (souvent simplement appelé trou) est le manque d’électrons à une position où l’on pourrait exister dans un atomeou un réseau atomique. C’est l’un des deux types de porteurs de charge qui sont responsables de la création de courant électrique dans les matériaux semi-conducteurs. Étant donné que dans un atome normal ou un réseau cristallin, la charge négative des électrons est équilibrée par la charge positive des noyaux atomiques, l’absence d’électron laisse une charge positive nette à l’emplacement du trou. Les trous chargés positivement peuvent se déplacer d’atome en atome dans les matériaux semi-conducteurs lorsque les électrons quittent leur position. Lorsqu’un électron rencontre un trou, il se recombine et ces porteurs libres disparaissent efficacement. La recombinaison signifie qu’un électron qui a été excité de la bande de valence à la bande de conduction retombe à l’état vide dans la bande de valence, connu sous le nom de trous.

La conductivité d’un semi-conducteur peut être modélisée en fonction de la théorie des bandes des solides . Le modèle de bande d’un semi-conducteur suggère qu’à des températures ordinaires, il existe une possibilité limitée que les électrons puissent atteindre la bande de conduction et contribuer à la conduction électrique. Dans le semi-conducteur, des porteurs de charge gratuits (paires électron-trou) sont créés par excitation d’électrons de la bande de valence à la bande de conduction. Cette excitation a laissé un trou dans la bande de valence qui se comporte comme une charge positive et une paire électron-trou est créée. Les trous peuvent parfois prêter à confusion car ce ne sont pas des particules physiques à la manière des électrons, mais plutôt l’absence d’un électron dans un atome. Les trous peuvent se déplacer d’atome en atome dans les matériaux semi-conducteurs lorsque les électrons quittent leur position.

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