Dosimétrie des rayonnements

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. 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 supérieurs à 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-conducteurs 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 car son numéro atomique est beaucoup plus élevé que le silicium et ce 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.

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.

Avantages et inconvénients des détecteurs au germanium

Avantages des détecteurs au germanium

• Numéro atomique supérieur. Le germanium est préféré car son numéro atomique est beaucoup plus élevé que le silicium et augmente la probabilité d’interaction des rayons gamma.
• 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.
• Très bonne résolution énergétique . Le FWHM 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.
• Grands cristaux . 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.

Inconvénients des détecteurs au germanium

• Refroidissement . Afin d’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.
• Prix . L’inconvénient est que les détecteurs au germanium sont beaucoup plus chers que les chambres d’ionisation ou les compteurs à scintillation .

En physique expérimentale, les détecteurs ΔE-E , appelés télescopes , sont de puissants dispositifs d’ identification des particules chargées . Afin de permettre l’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 être, par exemple, 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.

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 plaquette de silicium faiblement dopée et entièrement appauvrie, 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 étroites (généralement d’environ 100 micromètres de large) de silicium 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)

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 grande bande interdite de silicium (Egap = 1,12 eV), qui nous permet de faire fonctionner le détecteur à température ambiante, mais le refroidissement est préférable pour réduire le bruit.

Avantages et inconvénients des détecteurs au silicium

Avantages des détecteurs de silicium

• 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.
• Le silicium a une densité élevée de 2,329 g / cm ³ et donc la perte d’énergie moyenne par unité de longueur permet de construire des détecteurs minces (par exemple 300 µm) qui produisent toujours des signaux mesurables. Par exemple, en cas de particules ionisantes minimales (MIP), la perte d’énergie est de 390 eV / µm. Les détecteurs au silicium sont mécaniquement rigides et donc aucune structure de support spéciale n’est nécessaire.
• Les détecteurs à base de silicium sont très bons pour suivre les particules chargées, ils constituent une partie importante du système de détection du LHC au CERN.
• Les détecteurs au silicium peuvent être utilisés dans des champs magnétiques puissants.

Inconvénients des détecteurs au silicium

• Prix . L’inconvénient est que les détecteurs au silicium sont beaucoup plus chers que les chambres à brouillard ou les chambres à fil.
• Dégradation . Ils subissent également une dégradation au fil du temps des rayonnements, mais celle-ci peut être considérablement réduite grâce à l’effet Lazare.
• FWHM élevé . En spectroscopie gamma, le germanium est préféré car son numéro atomique est beaucoup plus élevé que le silicium et ce 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.

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 grande 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 brouillard ou les chambres à fils 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 étroites (généralement d’environ 100 micromètres de large) de silicium 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 plaquette de silicium faiblement dopée et entièrement appauvrie, 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 étroites (généralement d’environ 100 micromètres de large) de silicium 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.

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 grande 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 brouillard ou les chambres à fils 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.

Principe de fonctionnement des détecteurs au silicium  

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.

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 intervalle d’énergie ou bande interdite est une plage d’énergie entre la bande de valence et la bande de conductionoù 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.

Semi-conducteur intrinsèque et extrinsèque

Semi-conducteur intrinsèque

Un semi – conducteur intrinsèque est un semi – conducteur complètement pur sans aucune espèce de dopant significative présente. Par conséquent, les semi-conducteurs intrinsèques sont également appelés semi-conducteurs purs ou semi-conducteurs de type i.

Le nombre de porteurs de charge à une certaine température est donc déterminé par les propriétés du matériau lui-même au lieu de la quantité d’impuretés. Notez que, un échantillon de 1 cm ³ de germanium pur à 20 ° C contient environ 4,2 × 10 ²² atomes, mais contient également environ 2,5 x 10 ¹³ électrons libres et 2,5 x 10 ¹³ trous. Ces porteurs de charge sont produits par excitation thermique. Dans les semi-conducteurs intrinsèques, le nombre d’électrons excités et le nombre de trous sont égaux: n = p . 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 atome ou un réseau atomique. Cette égalité peut même être le cas après dopage du semi-conducteur, mais seulement s’il est dopé à la fois avec les donateurs et les accepteurs. Dans ce cas, n = p est toujours valable et le semi-conducteur reste intrinsèque, bien que dopé.

Les semi-conducteurs ont un écart d’énergie inférieur à 4eV (environ 1eV). Les bandes interdites sont naturellement différentes pour différents matériaux. Par exemple, le diamant est un semi-conducteur à large bande interdite (Egap = 5,47 eV) à fort potentiel 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. En physique du solide, cet intervalle 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.

Semi-conducteurs extrinsèques

Un semi-conducteur extrinsèque , ou semi – conducteur dopé , est un semi-conducteur, qui a été intentionnellement dopé dans le but de moduler ses propriétés électriques, optiques et structurelles. Dans le cas des détecteurs semi-conducteurs de rayonnement ionisant, le dopage est l’introduction intentionnelle d’impuretés dans un semi-conducteur intrinsèque dans le but de modifier leurs propriétés électriques. Par conséquent, les semi-conducteurs intrinsèques sont également appelés semi-conducteurs purs ou semi-conducteurs de type i.

L’ajout d’un petit pourcentage d’atomes étrangers dans le réseau cristallin régulier de silicium ou de germanium produit des changements spectaculaires dans leurs propriétés électriques, car ces atomes étrangers incorporés dans la structure cristalline du semi-conducteur fournissent des porteurs de charge gratuits (électrons ou trous d’électrons) dans le semi-conducteur. Dans un semi-conducteur extrinsèque, ce sont ces atomes de dopant étrangers dans le réseau cristallin qui fournissent principalement les porteurs de charge qui transportent le courant électrique à travers le cristal. En général, il existe deux types d’atomes de dopant résultant en deux types de semi-conducteurs extrinsèques. Ces dopants qui produisent les changements contrôlés souhaités sont classés comme accepteurs d’électrons ou donneurs et les semi-conducteurs dopés correspondants sont appelés:

• Semi-conducteurs de type n .
• Semi-conducteurs de type p .

Les semi – conducteurs extrinsèques sont des composants de nombreux appareils électriques courants, ainsi que de nombreux détecteurs de rayonnement ionisant. À ces fins, une diode à semi-conducteur (dispositifs qui ne permettent le courant que dans une seule direction) est généralement constituée de semi-conducteurs de type p et de type n placés en jonction l’un avec l’autre.

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 grande 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 brouillard ou les chambres à fils 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.

Principe de fonctionnement des détecteurs au silicium

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.

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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

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.

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.