Détecteurs HPGe
Les détecteurs au germanium de haute pureté ( détecteurs HPGe ) sont la meilleure solution pour une spectroscopie gamma et aux rayons X précise . Par rapport aux détecteurs au silicium , le germanium est beaucoup plus efficace que le silicium pour la détection des radiations en raison de son numéro atomique beaucoup plus élevé que le silicium et en raison de l’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. En raison de son numéro atomique plus élevé, Ge a un coefficient d’atténuation linéaire beaucoup plus important, ce qui conduit à un libre parcours moyen plus court. De plus, les détecteurs au silicium ne peuvent pas être plus épais que quelques millimètres, tandis que le germanium peut avoir un épaisseur sensible de quelques centimètres , et peut donc être utilisé comme détecteur d’absorption totale pour les rayons gamma jusqu’à quelques MeV.
Avantages des détecteurs HPGe
- Numéro atomique supérieur. 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.
- 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 HPGe
- Refroidissement . L’inconvénient majeur des détecteurs HPGe est qu’ils doivent être refroidis à des températures d’azote liquide. Le germanium ayant une bande interdite relativement faible , ces détecteurs doivent être refroidis afin de réduire la génération thermique des porteurs de charge à un niveau acceptable. Sinon, le bruit induit par le courant de fuite détruit la résolution énergétique du détecteur. Rappelons que la bande interdite (une distance entre la valence et la bande de conduction ) est très faible pour le germanium (Egap = 0,67 eV). Le refroidissement à la température de l’azote liquide (-195,8 ° C; -320 ° F) réduit les excitations thermiques des électrons de valence de sorte que seule une interaction des rayons gamma peut donner à un électron l’énergie nécessaire pour traverser la bande interdite et atteindre la bande de conduction.
- Prix . L’inconvénient est que les détecteurs au germanium sont beaucoup plus chers que les chambres d’ionisation ou les compteurs à scintillation .
Scintillateurs NaI (Tl)
Un compteur à scintillation ou un détecteur à scintillation est un détecteur de rayonnement qui utilise l’effet connu sous le nom de scintillation . La scintillation est un éclair de lumière produit dans un matériau transparent par le passage d’une particule (un électron, une particule alpha, un ion ou un photon à haute énergie). La scintillation se produit dans le scintillateur, qui est un élément clé d’un détecteur de scintillation. En général, un détecteur à scintillation comprend:
- Scintillateur . Un scintillateur génère des photons en réponse au rayonnement incident.
- Photodétecteur . Un photodétecteur sensible (généralement un tube photomultiplicateur (PMT), une caméra à dispositif à couplage de charge (CCD) ou une photodiode), qui convertit la lumière en un signal électrique et électronique pour traiter ce signal.
Le matériau de scintillation le plus utilisé est le NaI (Tl) (iodure de sodium dopé au thallium) . Le NaI (Tl) en tant que scintillateur est utilisé dans les détecteurs à scintillation, traditionnellement en médecine nucléaire, géophysique, physique nucléaire et mesures environnementales. L’iode fournit la plupart du pouvoir d’arrêt dans l’iodure de sodium (car il a un Z élevé = 53). Ces scintillateurs cristallins sont caractérisés par une densité élevée, un nombre atomique élevé et des temps de décroissance d’impulsion d’environ 1 microseconde (~ 10 -6 s). La longueur d’onde d’émission maximale est de 415 nm .
Avantages des compteurs à scintillation
- L’efficacité . Les avantages d’un compteur à scintillation sont son efficacité et la haute précision et les taux de comptage possibles. Ces derniers attributs sont une conséquence de la durée extrêmement courte des flashs lumineux d’environ 10 -6 (scintillateurs inorganiques) secondes.
- Spectroscopie . L’ intensité des flashs et l’amplitude de l’impulsion de tension de sortie sont proportionnelles à l’énergie du rayonnement . Par conséquent, les compteurs à scintillation peuvent être utilisés pour déterminer l’énergie, ainsi que le nombre, des particules excitantes (ou photons gamma). Pour la spectrométrie gamma, les détecteurs les plus courants comprennent les compteurs à scintillation à l’iodure de sodium (NaI) et les détecteurs au germanium de haute pureté. Le scintillateur NaI (Tl) a une résolution d’énergie plus élevée qu’un compteur proportionnel, permettant des déterminations d’énergie plus précises. D’autre part, si une résolution énergétique parfaite est requise, nous devons utiliser un détecteur à base de germanium, tel que le détecteur HPGe.
Inconvénients des compteurs à scintillation
- Hygroscopicité . Un inconvénient de certains cristaux inorganiques, par exemple NaI, est leur hygroscopicité , une propriété qui exige qu’ils soient logés dans un récipient hermétique pour les protéger de l’humidité.
- NaI (Tl) n’a pas de réponse bêta ou alpha et une mauvaise réponse gamma à basse énergie.
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