Dosimétrie des rayonnements

Spectroscopie gamma

En général, la spectroscopie gamma est l’étude des spectres énergétiques des sources de rayons gamma, comme dans l’industrie nucléaire, la recherche géochimique et l’astrophysique. Les spectroscopes, ou spectromètres, sont des appareils sophistiqués conçus pour mesurer la distribution spectrale de puissance d’une source. Le rayonnement incident génère un signal qui permet de déterminer l’énergie de la particule incidente.

La plupart des sources radioactives produisent des rayons gamma , qui sont de différentes énergies et intensités. Les rayons gamma accompagnent fréquemment  l’émission  de  rayonnement alpha  et  bêta . Lorsque ces émissions sont détectées et analysées avec un système de spectroscopie, un spectre d’énergie gamma peut être produit. Rayons gamma de la désintégration radioactivesont dans la gamme d’énergie de quelques keV à ~ 8 MeV, correspondant aux niveaux d’énergie typiques dans les noyaux avec des durées de vie raisonnablement longues. Comme cela a été écrit, ils sont produits par la désintégration des noyaux lorsqu’ils passent d’un état de haute énergie à un état inférieur. Une analyse détaillée de ce spectre est généralement utilisée pour déterminer l’ identité et la quantité d’émetteurs gamma présents dans un échantillon, et est un outil essentiel dans l’analyse radiométrique. Le spectre gamma est caractéristique des nucléides émetteurs gamma contenus dans la source.

Spectromètre à rayons gamma – Spectroscope à rayons gamma

Comme il a été écrit, l’étude et l’analyse des spectres de rayons gamma à des fins scientifiques et techniques sont appelées spectroscopie gamma , et les spectromètres à rayons gamma sont les instruments qui observent et collectent ces données. Un spectromètre à rayons gamma (GRS) est un appareil sophistiqué pour mesurer la distribution d’énergie du rayonnement gamma. Pour la mesure des rayons gamma au-dessus de plusieurs centaines de keV, il existe deux catégories de détecteurs d’importance majeure, les scintillateurs inorganiques comme le NaI (Tl) et les détecteurs semi – conducteurs. Dans les articles précédents, nous avons décrit la spectroscopie gamma à l’aide d’un détecteur à scintillation, qui se compose d’un cristal scintillateur approprié, d’un tube photomultiplicateur et d’un circuit de mesure de la hauteur des impulsions produites par le photomultiplicateur. Les avantages d’un compteur à scintillation sont son efficacité (grande taille et haute densité) et la haute précision et les taux de comptage possibles. En raison du nombre atomique élevé d’iode, un grand nombre de toutes les interactions entraîneront une absorption complète de l’énergie des rayons gamma, de sorte que la fraction photo sera élevée.

Mais si une résolution énergétique parfaite est requise, nous devons utiliser un détecteur à base de germanium , tel que le détecteur HPGe . Les détecteurs à semi-conducteur à base de germanium sont les plus couramment utilisés lorsqu’une très bonne résolution énergétique est requise, en particulier pour la spectroscopie gamma , ainsi que la spectroscopie aux rayons X. En spectroscopie gamma, le germanium est préféré en raison de son numéro atomique beaucoup plus élevé que le silicium et qui augmente la probabilité d’interaction des rayons gamma. De plus, le germanium a une énergie moyenne inférieure nécessaire pour créer une paire électron-trou, qui est de 3,6 eV pour le silicium et de 2,9 eV pour le germanium. Cela donne également à ce dernier une meilleure résolution en énergie. Le FWHM (pleine largeur à moitié maximum) pour les détecteurs au germanium est fonction de l’énergie. Pour un photon de 1,3 MeV, la FWHM est de 2,1 keV, ce qui est très faible.

Structure du spectre gamma – Le spectre du cobalt-60

L’analyse des spectres gamma est très intéressante, car elle a une structure et les travailleurs doivent faire la distinction entre les vraies impulsions à analyser et les impulsions d’accompagnement provenant de différentes sources de rayonnement. Nous montrerons la structure du spectre gamma sur l’exemple du cobalt-60 mesuré par le détecteur à scintillation NaI (Tl) et par le détecteur HPGe. Le détecteur HPGe permet de séparer de nombreuses lignes gamma rapprochées, ce qui est très avantageux pour mesurer des sources radioactives émettant plusieurs gamma.

Le cobalt-60  est un isotope radioactif artificiel du cobalt avec une demi-vie de 5,2747 ans . Il est produit par synthèse par activation neutronique du cobalt 59 dans les réacteurs nucléaires . Le cobalt-60 est une source d’étalonnage courante trouvée dans de nombreux laboratoires. Le spectre gamma a deux pics significatifs , l’un à 1173,2 keV et l’autre à 1332,5 keV . Les bons détecteurs à scintillation doivent avoir une résolution adéquate pour séparer les deux pics. Pour les détecteurs HPGe , ces pics sont parfaitement séparés.

Comme on peut le voir sur la figure, il existe deux photopointes de rayons gamma . Les deux détecteurs montrent également une réponse aux énergies inférieures, causée par la diffusion Compton , deux pics d’échappement plus petits aux énergies 0,511 et 1,022 MeV en dessous du pic photoélectrique pour la création de paires électron-positron lorsqu’un ou les deux photons d’annihilation s’échappent, et un pic de rétrodiffusion . Des énergies plus élevées peuvent être mesurées lorsque deux photons ou plus frappent le détecteur presque simultanément, apparaissant comme des pics de somme avec des énergies jusqu’à la valeur de deux photopointes ou plus ajoutées.

La structure générale du spectre des rayons gamma présente généralement les principales caractéristiques suivantes :

• Les photopointes sont des pics de pleine énergie, qui sont créés, lorsque le rayon γ transfère sa pleine énergie ( _liaison hω -E ) dans le matériau sensible (cristal à scintillation ou cristal de germanium). Une seule fonction delta doit être observée dans le spectre. Le spectre du cobalt 60 contient deux photopointes, un à 1173,2 keV et un autre à 1332,5 keV.
• Compton Continuum . Dans le cristal, un rayon gamma subit un certain nombre d’interactions, mais pour les énergies intermédiaires, la diffusion du compton domine. En diffusion de compton, le photon gamma incident est dévié d’un angle Θ par rapport à sa direction d’origine. Le photon transfère une partie de son énergie à l’électron de recul. L’énergie transférée à l’électron de recul peut varier de zéro à une grande fraction (maximum E) de l’énergie incidente des rayons gamma, car tous les angles de diffusion sont possibles. La taille du cristal à scintillation modifie le rapport entre le pic photoélectrique et le continuum Compton. Pour un détecteur sphérique infiniment grand centré autour d’une source, aucun photon ne pourrait s’échapper et seul un pic photoélectrique serait visible sur le spectre. Pour les très petits détecteurs, la chance pour un photon de partir après la diffusion Compton est élevée et le continuum Compton serait grand par rapport au photopeak.
• Compton Edge . Le bord Compton est une caractéristique du spectrographe qui résulte de la diffusion Compton dans le scintillateur ou le détecteur. Cette caractéristique est due aux photons qui subissent une diffusion Compton avec un angle de diffusion de 180 ° puis s’échappent du détecteur. Lorsqu’un rayon gamma se dissipe du détecteur et s’échappe, seule une fraction de son énergie initiale peut être déposée dans la couche sensible du détecteur. Cela dépend de l’angle de diffusion du photon, de la quantité d’énergie qui sera déposée dans le détecteur. Cela conduit à un spectre d’énergies. L’énergie du bord Compton correspond au photon rétrodiffusé complet .  Les dénombrements entre le bord de Compton et les photopics sont causés par de multiples événements de diffusion de Compton, où le photon gamma diffusé sort du matériau sensible.

Parfois, la structure du spectre des rayons gamma présente les caractéristiques secondaires suivantes :

• 

  Pic de rétrodiffusion . Un pic de rétrodiffusion Compton est détecté lorsque les rayons γ pénètrent dans le matériau autour du détecteur et sont diffusés à nouveau dans le détecteur. Le photon gamma peut interagir par le mécanisme de Compton dans le bouclier ou les matériaux environnants et est rétrodiffusé hors d’un matériau dans un volume sensible. L’énergie photonique maximale dans cette interaction est de ~ 200 keV quelle que soit l’énergie photonique initiale. Il en résulte un pic secondaire à -200 keV.

• Les pics de rayons X . Lorsque les rayons gamma subissent un effet photoélectrique dans les matériaux environnants (par exemple, l’écran de plomb), les rayons X sortants peuvent être capturés à nouveau par le détecteur. Cela donne un pic de rayons X caractéristique avec une énergie en fonction du matériau dont il est issu. En cas de plomb, les énergies des rayons X caractéristiques se situent dans la plage 72-84 keV. Absorption photoélectrique par un électron K-shell en plomb de blindage, résultant en une vacance K-shell. La transition K -> L pour le plomb = 72 keV. Si cette radiographie caractéristique est absorbée dans le cristal, un pic secondaire à 72 keV est observé.
• Pic de coïncidence . Absorption simultanée de deux photons gamma dans le cristal, entraînant un pic d’énergie supérieur au pic photoélectrique. Les photons gamma peuvent résulter de transitions isomères en série (par exemple 2 keV plus 1332,5 keV dans le cas du cobalt-60) ou de désintégrations simultanées dans des radionucléides séparés (par exemple 2 x 1173,2 keV dans le cas du cobalt-60).
• Pic d’anéantissement . Pour les rayons gamma de haute énergie (supérieurs à 1,02 MeV), la production de paires électron-positon est une interaction possible. Mais un positron peut alors s’annihiler dans le détecteur ou dans le matériau environnant. Si les deux photons d’annihilation de 0,51 MeV sont absorbés dans le cristal, un pic secondaire de 1,02 MeV en dessous du pic photoélectrique peut être trouvé. Si un photon d’annihilation est absorbé et que le second sort du cristal, 0,51 MeV est alors retiré du pic photoélectrique, résultant en un pic secondaire à 0,51 MeV en dessous du pic photoélectrique. La probabilité est plus grande qu’un photon d’annihilation sera absorbé.

En général, la spectroscopie est la science de l’étude de l’interaction entre la matière et l’énergie rayonnée tandis que la spectrométrie est la méthode utilisée pour acquérir une mesure quantitative du spectre. La spectroscopie (scopie signifie observation ) ne génère aucun résultat. C’est l’approche théorique de la science. La spectrométrie (métrie signifie mesure ) est l’application pratique où les résultats sont générés. Il s’agit de la mesure de l’intensité du rayonnement à l’aide d’un appareil électronique. Ces termes sont souvent utilisés de manière interchangeable, mais chaque spectrométrie n’est pas une spectroscopie (par exemple, spectrométrie de masse vsspectroscopie de masse).

Spectroscopie gamma

En général, la spectroscopie gamma est l’étude des spectres énergétiques des sources de rayons gamma, comme dans l’industrie nucléaire, la recherche géochimique et l’astrophysique. Les spectroscopes, ou spectromètres, sont des appareils sophistiqués conçus pour mesurer la distribution spectrale de puissance d’une source. Le rayonnement incident génère un signal qui permet de déterminer l’énergie de la particule incidente.

La plupart des sources radioactives produisent des rayons gamma , qui sont de différentes énergies et intensités. Les rayons gamma accompagnent fréquemment  l’émission  de  rayonnement alpha  et  bêta . Lorsque ces émissions sont détectées et analysées avec un système de spectroscopie, un spectre d’énergie gamma peut être produit. Rayons gamma de la désintégration radioactivesont dans la gamme d’énergie de quelques keV à ~ 8 MeV, correspondant aux niveaux d’énergie typiques dans les noyaux avec des durées de vie raisonnablement longues. Comme cela a été écrit, ils sont produits par la désintégration des noyaux lorsqu’ils passent d’un état de haute énergie à un état inférieur. Une analyse détaillée de ce spectre est généralement utilisée pour déterminer l’ identité et la quantité d’émetteurs gamma présents dans un échantillon, et est un outil essentiel dans l’analyse radiométrique. Le spectre gamma est caractéristique des nucléides émetteurs gamma contenus dans la source.

Spectroscopie aux rayons X

La spectroscopie aux rayons X est un terme général pour plusieurs techniques spectroscopiques pour la caractérisation des matériaux en utilisant l’excitation aux rayons X. Lorsqu’un électron de la coquille interne d’un atome est excité par l’énergie d’un photon, il se déplace vers un niveau d’énergie supérieur. Étant donné que le processus laisse une  vacance  dans le niveau d’énergie électronique d’où provient l’électron, les électrons externes de l’atome  descendent  pour remplir les niveaux atomiques inférieurs et un ou plusieurs  rayons X caractéristiques sont généralement émis. En conséquence, des pics d’intensité nets apparaissent dans le spectre à des longueurs d’onde qui sont une caractéristique du matériau à partir duquel la cible anodique est fabriquée. Les fréquences des rayons X caractéristiques peuvent être prédites à partir du modèle de Bohr. L’analyse du spectre d’émission de rayons X produit des résultats qualitatifs sur la composition élémentaire de l’échantillon.

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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

En général, la spectroscopie est la science de l’étude de l’interaction entre la matière et l’énergie rayonnée tandis que la spectrométrie est la méthode utilisée pour acquérir une mesure quantitative du spectre. La spectroscopie (scopie signifie observation ) ne génère aucun résultat. C’est l’approche théorique de la science. La spectrométrie (métrie signifie mesure ) est l’application pratique où les résultats sont générés. Il s’agit de la mesure de l’intensité du rayonnement à l’aide d’un appareil électronique. Ces termes sont souvent utilisés de manière interchangeable, mais chaque spectrométrie n’est pas une spectroscopie (par exemple, spectrométrie de masse vsspectroscopie de masse).

Spectroscopie aux rayons X

La spectroscopie aux rayons X est un terme général pour plusieurs techniques spectroscopiques pour la caractérisation des matériaux en utilisant l’excitation aux rayons X. Lorsqu’un électron de la coquille interne d’un atome est excité par l’énergie d’un photon, il se déplace vers un niveau d’énergie supérieur. Étant donné que le processus laisse une  vacance  dans le niveau d’énergie électronique d’où provient l’électron, les électrons externes de l’atome  descendent  pour remplir les niveaux atomiques inférieurs et un ou plusieurs  rayons X caractéristiques sont généralement émis. En conséquence, des pics d’intensité nets apparaissent dans le spectre à des longueurs d’onde qui sont une caractéristique du matériau à partir duquel la cible anodique est fabriquée. Les fréquences des rayons X caractéristiques peuvent être prédites à partir du modèle de Bohr. L’analyse du spectre d’émission de rayons X produit des résultats qualitatifs sur la composition élémentaire de l’échantillon.

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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

En général, la spectroscopie gamma est l’étude des spectres énergétiques des sources de rayons gamma, comme dans l’industrie nucléaire, la recherche géochimique et l’astrophysique. Les spectroscopes, ou spectromètres, sont des appareils sophistiqués conçus pour mesurer la distribution spectrale de puissance d’une source. Le rayonnement incident génère un signal qui permet de déterminer l’énergie de la particule incidente.

La plupart des sources radioactives produisent des rayons gamma , qui sont de différentes énergies et intensités. Les rayons gamma accompagnent fréquemment  l’émission  de  rayonnement alpha  et  bêta . Lorsque ces émissions sont détectées et analysées avec un système de spectroscopie, un spectre d’énergie gamma peut être produit. Rayons gamma de la désintégration radioactivesont dans la gamme d’énergie de quelques keV à ~ 8 MeV, correspondant aux niveaux d’énergie typiques dans les noyaux avec des durées de vie raisonnablement longues. Comme cela a été écrit, ils sont produits par la désintégration des noyaux lorsqu’ils passent d’un état de haute énergie à un état inférieur. Une analyse détaillée de ce spectre est généralement utilisée pour déterminer l’ identité et la quantité d’émetteurs gamma présents dans un échantillon, et est un outil essentiel dans l’analyse radiométrique. Le spectre gamma est caractéristique des nucléides émetteurs gamma contenus dans la source.

Spectromètre à rayons gamma – Spectroscope à rayons gamma

Le spectroscope gamma se compose d’un cristal scintillateur approprié , d’un tube photomultiplicateur et d’un circuit de mesure de la hauteur des impulsions produites par le photomultiplicateur. 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. Les impulsions sont comptées et triées en fonction de leur hauteur, produisant un tracé xy de la luminosité du flash du scintillateur en fonction du nombre de flashs, qui se rapproche du spectre d’énergie du rayonnement incident, avec quelques artefacts supplémentaires. Un rayon gamma monoénergétique produit un pic photoélectrique à son énergie. Le détecteur à scintillationmontre également une réponse aux énergies inférieures, causée par la diffusion Compton, deux pics d’échappement plus petits aux énergies 0,511 et 1,022 MeV en dessous du pic photoélectrique pour la création de paires électron-positon lorsque l’un ou les deux photons d’annihilation s’échappent, et un pic de rétrodiffusion. Des énergies plus élevées peuvent être mesurées lorsque deux photons ou plus frappent le détecteur presque simultanément, apparaissant comme des pics de somme avec des énergies jusqu’à la valeur de deux photopointes ou plus ajoutées.

Les spectromètres à scintillation ont l’avantage d’être disponibles en grande taille et haute densité, ce qui peut entraîner des probabilités d’interaction élevées pour les rayons gamma. En revanche, leurs scintillateurs à résolution énergétique sont médiocres par rapport aux détecteurs au germanium de haute pureté. Les détecteurs au germanium sont un meilleur choix pour la séparation des énergies gamma rapprochées. La résolution énergétique typique d’un bon système au germanium est de quelques dixièmes de pour cent, contre 5 à 10% pour l’iodure de sodium.

Structure du spectre gamma – Le spectre du cobalt-60

L’analyse des spectres gamma est très intéressante, car elle a une structure et les travailleurs doivent faire la distinction entre les vraies impulsions à analyser et les impulsions d’accompagnement provenant de différentes sources de rayonnement. Nous montrerons la structure du spectre gamma sur l’exemple du cobalt-60 mesuré par le détecteur à scintillation NaI (Tl) et par le détecteur HPGe. Le détecteur HPGe permet de séparer de nombreuses lignes gamma rapprochées, ce qui est très avantageux pour mesurer des sources radioactives émettant plusieurs gamma.

Le cobalt-60  est un isotope radioactif artificiel du cobalt avec une demi-vie de 5,2747 ans . Il est produit par synthèse par activation neutronique du cobalt 59 dans les réacteurs nucléaires . Le cobalt-60 est une source d’étalonnage courante trouvée dans de nombreux laboratoires. Le spectre gamma a deux pics significatifs , l’un à 1173,2 keV et l’autre à 1332,5 keV . Les bons détecteurs à scintillation doivent avoir une résolution adéquate pour séparer les deux pics. Pour les détecteurs HPGe , ces pics sont parfaitement séparés.

Comme on peut le voir sur la figure, il existe deux photopointes gamma . Les deux détecteurs montrent également une réponse aux énergies inférieures, causée par la diffusion Compton , deux pics d’échappement plus petits aux énergies 0,511 et 1,022 MeV en dessous du pic photoélectrique pour la création de paires électron-positon lorsqu’un ou les deux photons d’annihilation s’échappent, et un pic de rétrodiffusion . Des énergies plus élevées peuvent être mesurées lorsque deux photons ou plus frappent le détecteur presque simultanément, apparaissant comme des pics de somme avec des énergies jusqu’à la valeur de deux photopointes ou plus ajoutées.

La structure générale du spectre des rayons gamma présente généralement les principales caractéristiques suivantes :

• Les photopointes sont des pics de pleine énergie, qui sont créés, lorsque le rayon γ transfère sa pleine énergie ( _liaison hω -E ) dans le matériau sensible (cristal à scintillation ou cristal de germanium). Une seule fonction delta doit être observée dans le spectre. Le spectre du cobalt 60 contient deux photopointes, un à 1173,2 keV et un autre à 1332,5 keV.
• Compton Continuum . Dans le cristal, un rayon gamma subit un certain nombre d’interactions, mais pour les énergies intermédiaires, la diffusion du compton domine. En diffusion de compton, le photon gamma incident est dévié d’un angle Θ par rapport à sa direction d’origine. Le photon transfère une partie de son énergie à l’électron de recul. L’énergie transférée à l’électron de recul peut varier de zéro à une grande fraction (maximum E) de l’énergie incidente des rayons gamma, car tous les angles de diffusion sont possibles. La taille du cristal à scintillation modifie le rapport entre le pic photoélectrique et le continuum Compton. Pour un détecteur sphérique infiniment grand centré autour d’une source, aucun photon ne pourrait s’échapper et seul un pic photoélectrique serait visible sur le spectre. Pour les très petits détecteurs, la chance pour un photon de partir après la diffusion Compton est élevée et le continuum Compton serait grand par rapport au photopeak.
• Compton Edge . Le bord Compton est une caractéristique du spectrographe qui résulte de la diffusion Compton dans le scintillateur ou le détecteur. Cette caractéristique est due aux photons qui subissent une diffusion Compton avec un angle de diffusion de 180 ° puis s’échappent du détecteur. Lorsqu’un rayon gamma se dissipe du détecteur et s’échappe, seule une fraction de son énergie initiale peut être déposée dans la couche sensible du détecteur. Cela dépend de l’angle de diffusion du photon, de la quantité d’énergie qui sera déposée dans le détecteur. Cela conduit à un spectre d’énergies. L’énergie du bord Compton correspond au photon rétrodiffusé complet .  Les dénombrements entre le bord de Compton et les photopics sont causés par de multiples événements de diffusion de Compton, où le photon gamma diffusé sort du matériau sensible.

Parfois, la structure du spectre des rayons gamma présente les caractéristiques secondaires suivantes :

• 

  Pic de rétrodiffusion . Un pic de rétrodiffusion Compton est détecté lorsque les rayons γ pénètrent dans le matériau autour du détecteur et sont diffusés à nouveau dans le détecteur. Le photon gamma peut interagir par le mécanisme de Compton dans le bouclier ou les matériaux environnants et est rétrodiffusé hors d’un matériau dans un volume sensible. L’énergie photonique maximale dans cette interaction est de ~ 200 keV quelle que soit l’énergie photonique initiale. Il en résulte un pic secondaire à -200 keV.

• Les pics de rayons X . Lorsque les rayons gamma subissent un effet photoélectrique dans les matériaux environnants (par exemple, l’écran de plomb), les rayons X sortants peuvent être capturés à nouveau par le détecteur. Cela donne un pic de rayons X caractéristique avec une énergie en fonction du matériau dont il est issu. En cas de plomb, les énergies des rayons X caractéristiques se situent dans la plage 72-84 keV. Absorption photoélectrique par un électron K-shell en plomb de blindage, résultant en une vacance K-shell. La transition K -> L pour le plomb = 72 keV. Si cette radiographie caractéristique est absorbée dans le cristal, un pic secondaire à 72 keV est observé.
• Pic de coïncidence . Absorption simultanée de deux photons gamma dans le cristal, entraînant un pic d’énergie supérieur au pic photoélectrique. Les photons gamma peuvent résulter de transitions isomères en série (par exemple 2 keV plus 1332,5 keV dans le cas du cobalt-60) ou de désintégrations simultanées dans des radionucléides séparés (par exemple 2 x 1173,2 keV dans le cas du cobalt-60).
• Pic d’anéantissement . Pour les rayons gamma de haute énergie (supérieurs à 1,02 MeV), la production de paires électron-positon est une interaction possible. Mais un positron peut alors s’annihiler dans le détecteur ou dans le matériau environnant. Si les deux photons d’annihilation de 0,51 MeV sont absorbés dans le cristal, un pic secondaire de 1,02 MeV en dessous du pic photoélectrique peut être trouvé. Si un photon d’annihilation est absorbé et que le second sort du cristal, 0,51 MeV est alors retiré du pic photoélectrique, résultant en un pic secondaire à 0,51 MeV en dessous du pic photoélectrique. La probabilité est plus grande qu’un photon d’annihilation sera absorbé.

Comme il a été écrit, l’étude et l’analyse des spectres de rayons gamma à des fins scientifiques et techniques sont appelées spectroscopie gamma , et les spectromètres à rayons gamma sont les instruments qui observent et collectent ces données. Un spectromètre à rayons gamma (GRS) est un appareil sophistiqué pour mesurer la distribution d’énergie du rayonnement gamma. Pour la mesure des rayons gamma au-dessus de plusieurs centaines de keV, il existe deux catégories de détecteurs d’importance majeure, les scintillateurs inorganiques comme le NaI (Tl) et les détecteurs semi – conducteurs. Dans les articles précédents, nous avons décrit la spectroscopie gamma à l’aide d’un détecteur à scintillation, qui se compose d’un cristal scintillateur approprié, d’un tube photomultiplicateur et d’un circuit de mesure de la hauteur des impulsions produites par le photomultiplicateur. Les avantages d’un compteur à scintillation sont son efficacité (grande taille et haute densité) et la haute précision et les taux de comptage possibles. En raison du nombre atomique élevé d’iode, un grand nombre de toutes les interactions entraîneront une absorption complète de l’énergie des rayons gamma, de sorte que la fraction photo sera élevée.

Mais si une résolution énergétique parfaite est requise, nous devons utiliser un détecteur à base de germanium , tel que le détecteur HPGe . Les détecteurs à semi-conducteur à base de germanium sont les plus couramment utilisés lorsqu’une très bonne résolution énergétique est requise, en particulier pour la spectroscopie gamma , ainsi que la spectroscopie aux rayons X. En spectroscopie gamma, le germanium est préféré en raison de son numéro atomique beaucoup plus élevé que le silicium et qui augmente la probabilité d’interaction des rayons gamma. De plus, le germanium a une énergie moyenne inférieure nécessaire pour créer une paire électron-trou, qui est de 3,6 eV pour le silicium et de 2,9 eV pour le germanium. Cela donne également à ce dernier une meilleure résolution en énergie. Le FWHM (pleine largeur à moitié maximum) pour les détecteurs au germanium est fonction de l’énergie. Pour un photon de 1,3 MeV, la FWHM est de 2,1 keV, ce qui est très faible.

Structure du spectre gamma – Le spectre du cobalt-60

L’analyse des spectres gamma est très intéressante, car elle a une structure et les travailleurs doivent faire la distinction entre les vraies impulsions à analyser et les impulsions d’accompagnement provenant de différentes sources de rayonnement. Nous montrerons la structure du spectre gamma sur l’exemple du cobalt-60 mesuré par le détecteur à scintillation NaI (Tl) et par le détecteur HPGe. Le détecteur HPGe permet de séparer de nombreuses lignes gamma rapprochées, ce qui est très avantageux pour mesurer des sources radioactives émettant plusieurs gamma.

Le cobalt-60  est un isotope radioactif artificiel du cobalt avec une demi-vie de 5,2747 ans . Il est produit par synthèse par activation neutronique du cobalt 59 dans les réacteurs nucléaires . Le cobalt-60 est une source d’étalonnage courante trouvée dans de nombreux laboratoires. Le spectre gamma a deux pics significatifs , l’un à 1173,2 keV et l’autre à 1332,5 keV . Les bons détecteurs à scintillation doivent avoir une résolution adéquate pour séparer les deux pics. Pour les détecteurs HPGe , ces pics sont parfaitement séparés.

Comme on peut le voir sur la figure, il existe deux photopointes gamma . Les deux détecteurs montrent également une réponse aux énergies inférieures, causée par la diffusion Compton , deux pics d’échappement plus petits aux énergies 0,511 et 1,022 MeV en dessous du pic photoélectrique pour la création de paires électron-positon lorsqu’un ou les deux photons d’annihilation s’échappent, et un pic de rétrodiffusion . Des énergies plus élevées peuvent être mesurées lorsque deux photons ou plus frappent le détecteur presque simultanément, apparaissant comme des pics de somme avec des énergies jusqu’à la valeur de deux photopointes ou plus ajoutées.

La structure générale du spectre des rayons gamma présente généralement les principales caractéristiques suivantes :

• Les photopointes sont des pics de pleine énergie, qui sont créés, lorsque le rayon γ transfère sa pleine énergie ( _liaison hω -E ) dans le matériau sensible (cristal à scintillation ou cristal de germanium). Une seule fonction delta doit être observée dans le spectre. Le spectre du cobalt 60 contient deux photopointes, un à 1173,2 keV et un autre à 1332,5 keV.
• Compton Continuum . Dans le cristal, un rayon gamma subit un certain nombre d’interactions, mais pour les énergies intermédiaires, la diffusion du compton domine. En diffusion de compton, le photon gamma incident est dévié d’un angle Θ par rapport à sa direction d’origine. Le photon transfère une partie de son énergie à l’électron de recul. L’énergie transférée à l’électron de recul peut varier de zéro à une grande fraction (maximum E) de l’énergie incidente des rayons gamma, car tous les angles de diffusion sont possibles. La taille du cristal à scintillation modifie le rapport entre le pic photoélectrique et le continuum Compton. Pour un détecteur sphérique infiniment grand centré autour d’une source, aucun photon ne pourrait s’échapper et seul un pic photoélectrique serait visible sur le spectre. Pour les très petits détecteurs, la chance pour un photon de partir après la diffusion Compton est élevée et le continuum Compton serait grand par rapport au photopeak.
• Compton Edge . Le bord Compton est une caractéristique du spectrographe qui résulte de la diffusion Compton dans le scintillateur ou le détecteur. Cette caractéristique est due aux photons qui subissent une diffusion Compton avec un angle de diffusion de 180 ° puis s’échappent du détecteur. Lorsqu’un rayon gamma se dissipe du détecteur et s’échappe, seule une fraction de son énergie initiale peut être déposée dans la couche sensible du détecteur. Cela dépend de l’angle de diffusion du photon, de la quantité d’énergie qui sera déposée dans le détecteur. Cela conduit à un spectre d’énergies. L’énergie du bord Compton correspond au photon rétrodiffusé complet .  Les dénombrements entre le bord de Compton et les photopics sont causés par de multiples événements de diffusion de Compton, où le photon gamma diffusé sort du matériau sensible.

Parfois, la structure du spectre des rayons gamma présente les caractéristiques secondaires suivantes :

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  Pic de rétrodiffusion . Un pic de rétrodiffusion Compton est détecté lorsque les rayons γ pénètrent dans le matériau autour du détecteur et sont diffusés à nouveau dans le détecteur. Le photon gamma peut interagir par le mécanisme de Compton dans le bouclier ou les matériaux environnants et est rétrodiffusé hors d’un matériau dans un volume sensible. L’énergie photonique maximale dans cette interaction est de ~ 200 keV quelle que soit l’énergie photonique initiale. Il en résulte un pic secondaire à -200 keV.

• Les pics de rayons X . Lorsque les rayons gamma subissent un effet photoélectrique dans les matériaux environnants (par exemple, l’écran de plomb), les rayons X sortants peuvent être capturés à nouveau par le détecteur. Cela donne un pic de rayons X caractéristique avec une énergie en fonction du matériau dont il est issu. En cas de plomb, les énergies des rayons X caractéristiques se situent dans la plage 72-84 keV. Absorption photoélectrique par un électron K-shell en plomb de blindage, résultant en une vacance K-shell. La transition K -> L pour le plomb = 72 keV. Si cette radiographie caractéristique est absorbée dans le cristal, un pic secondaire à 72 keV est observé.
• Pic de coïncidence . Absorption simultanée de deux photons gamma dans le cristal, entraînant un pic d’énergie supérieur au pic photoélectrique. Les photons gamma peuvent résulter de transitions isomères en série (par exemple 2 keV plus 1332,5 keV dans le cas du cobalt-60) ou de désintégrations simultanées dans des radionucléides séparés (par exemple 2 x 1173,2 keV dans le cas du cobalt-60).
• Pic d’anéantissement . Pour les rayons gamma de haute énergie (supérieurs à 1,02 MeV), la production de paires électron-positon est une interaction possible. Mais un positron peut alors s’annihiler dans le détecteur ou dans le matériau environnant. Si les deux photons d’annihilation de 0,51 MeV sont absorbés dans le cristal, un pic secondaire de 1,02 MeV en dessous du pic photoélectrique peut être trouvé. Si un photon d’annihilation est absorbé et que le second sort du cristal, 0,51 MeV est alors retiré du pic photoélectrique, résultant en un pic secondaire à 0,51 MeV en dessous du pic photoélectrique. La probabilité est plus grande qu’un photon d’annihilation sera absorbé.

Un détecteur à semi-conducteur est un détecteur de rayonnement qui est basé sur un semi – conducteur , tel que le silicium ou le germanium pour mesurer l’effet des particules chargées ou des photons chargés. 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 entrebande de valence et 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 détecteurs à semi-conducteurs fonctionnent de manière très similaire aux panneaux photovoltaïques qui génèrent du courant électrique. De la même manière, un courant peut être induit par un rayonnement ionisant. Lorsque le rayonnement ionisant pénètre dans le semi-conducteur, il interagit avec le matériau semi-conducteur. Il peut exciter un électron hors de son niveau d’énergie et par conséquent laisser un trou. Ce processus est connu sous le nom de génération de paires électron-trou . Dans les détecteurs à semi-conducteur, les supports d’informations fondamentaux sont ces paires électron-trou, qui sont produites le long du chemin emprunté par la particule chargée (primaire ou secondaire) à travers le détecteur. En collectant des paires électron-trou, le signal de détection est formé et enregistré.

Les détecteurs à semi-conducteur sont largement utilisés dans la radioprotection , le dosage des matériaux radioactifs et la recherche en physique car ils ont des caractéristiques uniques, 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. Ces détecteurs sont utilisés pour mesurer l’énergie du rayonnement et pour l’identification des particules. Parmi les matériaux semi-conducteurs disponibles, le silicium est principalement utilisé pour les détecteurs de particules chargées (en particulier pour le suivi des particules chargées) et les détecteurs de rayons X mous, tandis que le germanium est largement utilisé pour la spectroscopie des rayons gamma . Un semi-conducteur grand, propre et presque parfait est idéal comme compteur pourradioactivité . Cependant, il est difficile de fabriquer de gros cristaux avec une pureté suffisante. Les détecteurs à semi-conducteurs ont donc une faible efficacité, mais ils donnent une mesure très précise de l’énergie. Les détecteurs à semi-conducteurs, en particulier les détecteurs à base de germanium , sont les plus couramment utilisés lorsqu’une très bonne résolution énergétique est requise. Afin d’atteindre une efficacité maximale, les détecteurs doivent fonctionner aux très basses températures de l’azote liquide (-196 ° C) . Par conséquent, l’inconvénient est que les détecteurs à semi-conducteur sont beaucoup plus chers que les autres détecteurs et nécessitent un refroidissement sophistiqué pour réduire les courants de fuite (bruit).

Principe de fonctionnement des détecteurs à semi-conducteurs  

Le fonctionnement des détecteurs semi-conducteurs est résumé dans les points suivants:

• Le rayonnement ionisant pénètre dans le volume sensible du détecteur et interagit avec le matériau semi-conducteur.
• Les particules traversant le détecteur ionisent les atomes de semi-conducteur, produisant les paires électron-trou . Le nombre de paires électron-trou est proportionnel à l’énergie du rayonnement vers le semi-conducteur. En conséquence, un certain nombre d’électrons sont transférés de la bande de valence à la bande de conduction, et un nombre égal de trous sont créés dans la bande de valence.
• Sous l’influence d’un champ électrique, les électrons et les trous se déplacent vers les électrodes, où ils produisent une impulsion qui peut être mesurée dans un circuit extérieur,
• 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.

L’énergie requise pour produire des paires électron-trou est très faible par rapport à l’énergie requise pour produire des ions appariés dans un détecteur à ionisation gazeuse . Dans les détecteurs à semi-conducteur, la variation statistique de la hauteur d’impulsion est plus petite et la résolution d’énergie est plus élevée. Comme les électrons se déplacent rapidement, la résolution temporelle est également très bonne. Par rapport aux détecteurs à ionisation gazeuse, la densité d’un détecteur à semi-conducteur est très élevée et les particules chargées de haute énergie peuvent dégager leur énergie dans un semi-conducteur de dimensions relativement petites.

Détecteurs semi-conducteurs à base de silicium

Les détecteurs à semi-conducteurs à base de silicium sont principalement utilisés pour les détecteurs de particules chargées (en particulier pour le suivi des particules chargées ) et les détecteurs de rayons X mous, tandis que le germanium est largement utilisé pour la spectroscopie des rayons gamma. Un semi-conducteur grand, propre et presque parfait est idéal comme compteur de radioactivité . Cependant, il est difficile de fabriquer de gros cristaux avec une pureté suffisante. Les détecteurs à semi-conducteurs ont donc une faible efficacité, mais ils donnent une mesure très précise de l’énergie. Les détecteurs à base de silicium ont un bruit suffisamment faible même à température ambiante. Cela est dû à la large bande interditede silicium (Egap = 1,12 eV), ce qui nous permet de faire fonctionner le détecteur à température ambiante, mais le refroidissement est préférable pour réduire le bruit. L’inconvénient est que les détecteurs au silicium sont beaucoup plus chers que les chambres à nuage ou les chambres à fil et nécessitent un refroidissement sophistiqué pour réduire les courants de fuite (bruit). Ils subissent également une dégradation au fil du temps des rayonnements, mais celle-ci peut être considérablement réduite grâce à l’effet Lazare.

Application des détecteurs de silicium

Étant donné que les détecteurs à base de silicium sont très bons pour suivre les particules chargées, ils constituent une partie substantielle du système de détection du LHC au CERN. La plupart des détecteurs de particules de silicium fonctionnent, en principe, en dopant des bandes de silicium étroites (généralement d’environ 100 micromètres de large) pour les transformer en diodes, qui sont ensuite polarisées en inverse. Lorsque des particules chargées traversent ces bandes, elles provoquent de petits courants d’ionisation qui peuvent être détectés et mesurés. La disposition de milliers de ces détecteurs autour d’un point de collision dans un accélérateur de particules peut donner une image précise des chemins empruntés par les particules. Par exemple, le système de suivi interne (ITS) d’ une expérience de collisionneur d’ions de grande taille (ALICE) contient trois couches de détecteurs à base de silicium:

• Détecteur de pixels en silicium (SPD)
• Détecteur de dérive au silicium (SDD)
• Détecteur de bande de silicium (SSD)

Détecteurs de bande de silicium

Les détecteurs à base de silicium sont très bons pour suivre les particules chargées. Un détecteur de bande de silicium est un agencement d’implants en forme de bande agissant comme des électrodes de collecte de charge.

Les détecteurs à bande de silicium de 5 x 5 cm ² de surface sont assez courants et sont utilisés en série (tout comme les avions de MWPC) pour déterminer les trajectoires des particules chargées à des précisions de position de l’ordre de plusieurs μm dans la direction transversale. Placés sur une tranche de silicium totalement appauvrie et faiblement dopée, ces implants forment un réseau unidimensionnel de diodes. En connectant chacune des bandes métallisées à un amplificateur sensible à la charge, un détecteur sensible à la position est construit. Des mesures de position bidimensionnelles peuvent être obtenues en appliquant une bande supplémentaire comme du dopage sur la face arrière de la plaquette en utilisant une technologie double face. De tels dispositifs peuvent être utilisés pour mesurer de petits paramètres d’impact et ainsi déterminer si une particule chargée provient d’une collision primaire ou était le produit de désintégration d’une particule primaire qui a parcouru une petite distance de l’interaction d’origine, puis s’est désintégrée.

Les détecteurs à bande de silicium constituent une partie importante du système de détection du LHC au CERN. La plupart des détecteurs de particules de silicium fonctionnent, en principe, en dopant des bandes de silicium étroites (généralement d’environ 100 micromètres de large) pour les transformer en diodes, qui sont ensuite polarisées en inverse. Lorsque des particules chargées traversent ces bandes, elles provoquent de petits courants d’ionisation qui peuvent être détectés et mesurés. La disposition de milliers de ces détecteurs autour d’un point de collision dans un accélérateur de particules peut donner une image précise des chemins empruntés par les particules.

Par exemple, le système de suivi interne (ITS) d’ une expérience de collisionneur d’ions de grande taille (ALICE) contient trois couches de détecteurs à base de silicium:

• Détecteur de pixels en silicium (SPD)
• Détecteur de dérive au silicium (SDD)
• Détecteur de bande de silicium (SSD)

Détecteur Delta E – E – Télescope

En physique expérimentale, les détecteurs ΔE-E , appelés télescopes , sont de puissants dispositifs d’ identification des particules chargées . Afin de fournir une identification des particules chargées, des télescopes constitués de paires de détecteurs à barrière de surface mince et épais peuvent être utilisés. Ces détecteurs doivent être positionnés en série. La vitesse est déduite de la puissance d’arrêt mesurée dans les détecteurs minces ( détecteurs ΔE ). Il existe une forte corrélation entre l’énergie déposée dans chaque détecteur. Cette corrélation dépend de la masse (A), de la charge (Z) et de l’énergie cinétique (E) de chaque particule. La masse est déduite de la plage ou de la perte totale d’énergie cinétique dans le détecteur plus épais (Détecteur E ).

Les télescopes peuvent être composés de plusieurs détecteurs ( chambres d’ionisation , détecteurs au silicium et scintillateurs par exemple) empilés afin de ralentir les particules chargées incidentes, le premier détecteur étant le plus fin et le dernier le plus épais. Les compteurs à scintillation CsI peuvent par exemple être utilisés comme compteurs E finaux. Comme exemple de télescope, un ensemble basé sur deux détecteurs de silicium ΔE avant (10 ou 30 µm) et un compteur de silicium E de 1500 µm d’épaisseur peut être utilisé pour la détection de particules chargées à haute énergie.

Détecteurs à semi-conducteurs à base de germanium

Les détecteurs à semi-conducteur à base de germanium sont les plus couramment utilisés lorsqu’une très bonne résolution énergétique est requise, en particulier pour la spectroscopie gamma, ainsi que la spectroscopie aux rayons X. En spectroscopie gamma, le germanium est préféré en raison de son numéro atomique beaucoup plus élevé que le silicium et qui augmente la probabilité d’interaction des rayons gamma. De plus, le germanium a une énergie moyenne inférieure nécessaire pour créer une paire électron-trou, qui est de 3,6 eV pour le silicium et de 2,9 eV pour le germanium. Cela donne également à ce dernier une meilleure résolution en énergie. Un semi-conducteur au germanium grand, propre et presque parfait est idéal comme compteur pour la radioactivité. Cependant, il est difficile et coûteux de fabriquer de gros cristaux d’une pureté suffisante. Alors que les détecteurs à base de silicium ne peuvent pas être plus épais que quelques millimètres, le germanium peut avoir une épaisseur sensible et épuisée de quelques centimètres, et peut donc être utilisé comme détecteur d’absorption totale pour les rayons gamma jusqu’à quelques MeV.

En revanche, pour atteindre une efficacité maximale, les détecteurs doivent fonctionner aux très basses températures de l’azote liquide (-196 ° C), car à température ambiante le bruit provoqué par l’excitation thermique est très élevé.

Étant donné que les détecteurs au germanium produisent la résolution la plus élevée actuellement disponible, ils sont utilisés pour mesurer le rayonnement dans une variété d’applications, y compris la surveillance du personnel et de l’environnement pour la contamination radioactive, les applications médicales, les tests radiométriques, la sécurité nucléaire et la sécurité des centrales nucléaires.

Application des détecteurs au germanium – Spectroscopie gamma

Comme il a été écrit, l’étude et l’analyse des spectres de rayons gamma à des fins scientifiques et techniques sont appelées spectroscopie gamma, et les spectromètres à rayons gamma sont les instruments qui observent et collectent ces données. Un spectromètre à rayons gamma (GRS) est un appareil sophistiqué pour mesurer la distribution d’énergie du rayonnement gamma. Pour la mesure des rayons gamma au-dessus de plusieurs centaines de keV, il existe deux catégories de détecteurs d’importance majeure,  les scintillateurs inorganiques comme le NaI (Tl)  et les détecteurs semi –  conducteurs. Dans les articles précédents, nous avons décrit la spectroscopie gamma à l’aide d’un détecteur à scintillation, qui se compose d’un cristal scintillateur approprié, d’un tube photomultiplicateur et d’un circuit de mesure de la hauteur des impulsions produites par le photomultiplicateur. Les avantages d’un compteur à scintillation sont son efficacité (grande taille et haute densité) et la haute précision et les taux de comptage possibles. En raison du nombre atomique élevé d’iode, un grand nombre de toutes les interactions entraîneront une absorption complète de l’énergie des rayons gamma, de sorte que la fraction photo sera élevée.

Mais si une  résolution énergétique parfaite  est requise, nous devons utiliser un  détecteur à base de germanium , tel que le  détecteur HPGe . Les détecteurs à semi-conducteur à base de germanium sont les plus couramment utilisés lorsqu’une très bonne résolution énergétique est requise, en particulier pour  la spectroscopie gamma , ainsi que la  spectroscopie aux rayons X. En spectroscopie gamma, le germanium est préféré en raison de son numéro atomique beaucoup plus élevé que le silicium et qui augmente la probabilité d’interaction des rayons gamma. De plus, le germanium a une énergie moyenne inférieure nécessaire pour créer une paire électron-trou, qui est de 3,6 eV pour le silicium et de 2,9 eV pour le germanium. Cela donne également à ce dernier une meilleure résolution en énergie. La FWHM (pleine largeur à moitié maximum) pour les détecteurs au germanium est fonction de l’énergie. Pour un photon de 1,3 MeV, la FWHM est de 2,1 keV, ce qui est très faible.

Un détecteur de scintillation ou compteur de scintillation est obtenu lorsqu’un scintillateur est couplé à un capteur de lumière électronique tel que:

• un tube photomultiplicateur (PMT),
• une caméra à dispositif à couplage de charge (CCD),
• photodiode

Tous ces appareils peuvent être utilisés dans des compteurs à scintillation et tous convertissent la lumière en un signal électrique et contiennent des composants électroniques pour traiter ce signal. Une photodiode est un dispositif semi-conducteur qui convertit la lumière en un courant électrique. Il s’agit d’un dispositif semi-conducteur composé d’une fine couche de silicium dans laquelle la lumière est absorbée, après quoi des porteurs de charge libres (électrons et trous) sont créés. Une photodiode conventionnelle se réfère le plus souvent à une diode PIN. PIN signifie que les p et les n côtés dopés sont séparés par une région i appauvrie. Les électrons et les trous sont collectés à l’anode et à la cathode de la diode. Il en résulte un photocourant qui est la sortie de la diode. La charge n’est cependant pas amplifiée rendant l’amplitude du signal de sortie faible. Cela rend la photodiode sensible au bruit électronique. D’autre part,

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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

En physique des semi-conducteurs, un donneur d’ électrons est un atome dopant (impureté) qui, ajouté à un semi-conducteur, peut former un semi-conducteur de type n . Un accepteur d’électrons est un atome dopant (impureté) qui, ajouté à un semi-conducteur, peut former un semi-conducteur de type p . Le processus d’ajout d’impuretés contrôlées à un semi-conducteur est appelé dopage semi-conducteur . Ce processus change un semi-conducteur intrinsèque en un semi-conducteur extrinsèque . Pour les deux types d’atomes donneurs ou accepteurs, l’augmentation de la densité de dopants augmente la conductivité.

Semi-conducteurs de type n

Un semi-conducteur extrinsèque qui a été dopé avec des atomes donneurs d’électrons est appelé semi-conducteur de type n, car la majorité des porteurs de charge dans le cristal sont des électrons négatifs. Le silicium étant un élément tétravalent, la structure cristalline normale contient 4 liaisons covalentes de quatre électrons de valence. Dans le silicium, les dopants les plus courants sont les éléments du groupe III et du groupe V. Les éléments du groupe V (pentavalent) ont cinq électrons de valence, ce qui leur permet d’agir comme donneur. Cela signifie que l’ajout de ces impuretés pentavalentes telles que l’arsenic, l’antimoine ou le phosphore contribue aux électrons libres, augmentant considérablement la conductivité du semi-conducteur intrinsèque. Par exemple, un cristal de silicium dopé au bore (groupe III) crée un semi-conducteur de type p tandis qu’un cristal dopé au phosphore (groupe V) produit un semi-conducteur de type n.

Les électrons de conduction sont complètement dominés par le nombre d’ électrons donneurs . Donc:

Le nombre total d’électrons de conduction est approximativement égale au nombre de sites donneurs, n≈N _D .

La neutralité de charge du matériau semi-conducteur est maintenue car les sites donneurs excités équilibrent les électrons de conduction. Le résultat net est que le nombre d’électrons de conduction est augmenté, tandis que le nombre de trous est réduit. Le déséquilibre de la concentration de porteurs dans les bandes respectives est exprimé par le nombre absolu différent d’électrons et de trous. Les électrons sont des porteurs majoritaires, tandis que les trous sont des porteurs minoritaires dans un matériau de type n.

Semi-conducteurs de type p

Un semi-conducteur extrinsèque qui a été dopé avec des atomes accepteurs d’électrons est appelé semi-conducteur de type p , car la majorité des porteurs de charge dans le cristal sont des trous d’électrons (porteurs de charge positifs). Le silicium semi-conducteur pur est un élément tétravalent , la structure cristalline normale contient 4 liaisons covalentes de quatre électrons de valence. Dans le silicium, les dopants les plus courants sont les éléments du groupe III et du groupe V. Les éléments du groupe III (trivalents) contiennent tous trois électrons de valence, ce qui les fait fonctionner comme des accepteurs lorsqu’ils sont utilisés pour doper le silicium. Lorsqu’un atome accepteur remplace un atome de silicium tétravalent dans le cristal, un état vacant (un trou d’électrons) est créé. Un trou d’électrons (souvent simplement appelé trou) est le manque d’électrons à une position où l’on pourrait exister dans un atome ou 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. Ces trous chargés positivement peuvent se déplacer d’atome en atome dans les matériaux semi-conducteurs lorsque les électrons quittent leur position. L’ajout d’impuretés trivalentes telles que le bore , l’ aluminium ou le galliumà un semi-conducteur intrinsèque crée ces trous d’électrons positifs dans la structure. Par exemple, un cristal de silicium dopé au bore (groupe III) crée un semi-conducteur de type p tandis qu’un cristal dopé au phosphore (groupe V) produit un semi-conducteur de type n.

Le nombre de trous d’électrons est complètement dominé par le nombre de sites accepteurs. Donc:

Le nombre total de trous est approximativement égale au nombre de sites donneurs, p ≈ N _A .

La neutralité de charge de ce matériau semi-conducteur est également maintenue. Le résultat net est que le nombre de trous d’électrons augmente, tandis que le nombre d’électrons de conduction est réduit. Le déséquilibre de la concentration de porteurs dans les bandes respectives est exprimé par le nombre absolu différent d’électrons et de trous. Les trous d’électrons sont des porteurs majoritaires , tandis que les électrons sont des porteurs minoritaires dans un matériau de type p.

En physique des semi-conducteurs, un accepteur est un atome dopant (impureté) qui, ajouté à un semi-conducteur, peut former un semi-conducteur de type p . Le processus d’ajout d’impuretés contrôlées à un semi-conducteur est appelé dopage semi-conducteur . Ce processus change un semi-conducteur intrinsèque en un semi-conducteur extrinsèque . Pour les deux types d’atomes donneurs ou accepteurs, l’augmentation de la densité de dopants augmente la conductivité.

Semi-conducteurs de type p

Un semi-conducteur extrinsèque qui a été dopé avec des atomes accepteurs d’électrons est appelé semi-conducteur de type p , car la majorité des porteurs de charge dans le cristal sont des trous d’électrons (porteurs de charge positifs). Le silicium semi-conducteur pur est un élément tétravalent , la structure cristalline normale contient 4 liaisons covalentes de quatre électrons de valence. Dans le silicium, les dopants les plus courants sont les éléments du groupe III et du groupe V. Les éléments du groupe III (trivalents) contiennent tous trois électrons de valence, ce qui les fait fonctionner comme des accepteurs lorsqu’ils sont utilisés pour doper le silicium. Lorsqu’un atome accepteur remplace un atome de silicium tétravalent dans le cristal, un état vacant (un trou d’électrons) est créé. Un trou d’électrons (souvent simplement appelé trou) est le manque d’électrons à une position où l’on pourrait exister dans un atome ou 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. Ces trous chargés positivement peuvent se déplacer d’atome en atome dans les matériaux semi-conducteurs lorsque les électrons quittent leur position. L’ajout d’impuretés trivalentes telles que le bore , l’ aluminium ou le galliumà un semi-conducteur intrinsèque crée ces trous d’électrons positifs dans la structure. Par exemple, un cristal de silicium dopé au bore (groupe III) crée un semi-conducteur de type p tandis qu’un cristal dopé au phosphore (groupe V) produit un semi-conducteur de type n.

Le nombre de trous d’électrons est complètement dominé par le nombre de sites accepteurs. Donc:

Le nombre total de trous est approximativement égale au nombre de sites donneurs, p ≈ N _A .

La neutralité de charge de ce matériau semi-conducteur est également maintenue. Le résultat net est que le nombre de trous d’électrons augmente, tandis que le nombre d’électrons de conduction est réduit. Le déséquilibre de la concentration de porteurs dans les bandes respectives est exprimé par le nombre absolu différent d’électrons et de trous. Les trous d’électrons sont des porteurs majoritaires , tandis que les électrons sont des porteurs minoritaires dans un matériau de type p.

Niveau d’accepteur

Du point de vue de l’ écart énergétique , ces impuretés «créent» des niveaux d’énergie dans la bande interdite proche de la bande de valencede sorte que les électrons peuvent être facilement excités de la bande de valence à ces niveaux, laissant des trous mobiles dans la bande de valence. Ils créent des niveaux «superficiels», des niveaux très proches de la bande de valence, donc l’énergie nécessaire pour ioniser l’atome (accepter l’électron qui remplit le trou et crée un autre trou plus loin de l’atome substitué) est faible. Cela déplace le niveau de Fermi effectif à un point à mi-chemin entre les niveaux accepteurs et la bande de valence. Le niveau de Fermi est le terme utilisé pour décrire le sommet de la collection de niveaux d’énergie électronique à une température zéro absolue. Le niveau de Fermi est la surface de la mer de Fermi au zéro absolu où aucun électron n’aura suffisamment d’énergie pour s’élever au-dessus de la surface. Dans les semi-conducteurs purs, la position du niveau de Fermi est dans la bande interdite, approximativement au milieu de la bande interdite.