Qu’est-ce que le compteur de scintillation – Détecteur de scintillation – Définition

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. Dosimétrie des rayonnements
Scintillation_Counter - Tube photomultiplicateur
Appareil à cristal scintillant, photomultiplicateur et composants d’acquisition de données. Source: wikipedia.org Licence CC BY-SA 3.0

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

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

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

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

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

Compteur à scintillation – Principe de fonctionnement

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

  • Compteur à scintillation - Principe de fonctionnement
    Compteur à scintillation – Principe de fonctionnement. Source: wikipedia.org Licence: domaine public

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

  • Les atomes excités du matériau scintillateur se désexcitent et émettent rapidement un photon dans la gamme de lumière visible (ou presque visible). La quantité est proportionnelle à l’énergie déposée par la particule ionisante. Le matériau serait fluorescent.
  • Trois classes de luminophores sont utilisées:
    • cristaux inorganiques,
    • cristaux organiques,
    • phosphores plastiques.
  • La lumière créée dans le scintillateur frappe la photocathode d’un tube photomultiplicateur , libérant au plus un photoélectron par photon.
  • En utilisant un potentiel de tension, ce groupe d’ électrons primaires est accéléré et concentré électrostatiquement de sorte qu’ils frappent la première dynode avec suffisamment d’énergie pour libérer des électrons supplémentaires.
  • Ces électrons secondaires sont attirés et frappent une seconde dynode libérant plus d’électrons. Ce processus se produit dans le tube photomultiplicateur.
  • Chaque impact de dynode suivant libère d’autres électrons, et il y a donc un effet d’amplification de courant à chaque étage de dynode. Chaque étage a un potentiel plus élevé que le précédent pour fournir le champ d’accélération.
  • Le signal primaire est multiplié et cette amplification se poursuit sur 10 à 12 étages.
  • À la dynode finale , suffisamment d’électrons sont disponibles pour produire une impulsion d’une amplitude suffisante pour une amplification supplémentaire. Cette impulsion transporte des informations sur l’énergie du rayonnement incident d’origine. Le nombre de ces impulsions par unité de temps donne également des informations sur l’intensité du rayonnement.

Un détecteur à scintillation ou un compteur à 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. Un tube photomultiplicateur (PMT) absorbe la lumière émise par le scintillateur et la réémet sous forme d’électrons via l’effet photoélectrique. Depuis lors, le PMT est le principal choix pour la détection de photons en raison de son efficacité quantique élevée et de son amplification élevée. Dernièrement, cependant, les semi-conducteurs ont commencé à concurrencer le PMT, la photodiode, par exemple, qui a une efficacité quantique plus élevée dans la gamme visible et au-dessus, une consommation d’énergie inférieure et une taille plus petite.

Les photodiodes à vide sont similaires mais n’amplifient pas le signal tandis que les photodiodes au silicium, d’autre part, détectent les photons entrants par l’excitation de porteurs de charge directement dans le silicium.

Un certain nombre de caméras gamma portables pour l’imagerie médicale utilisent des détecteurs basés sur un scintillateur-CCD . Dans ce cas, un scintillateur convertit le rayonnement incident (rayons X généralement) en photons de longueur d’onde visible, qui peuvent ensuite être directement détectés par la caméra CCD.

Notez que le terme efficacité quantique (QE) peut s’appliquer au rapport photon incident / électron converti (IPCE) d’un appareil photosensible. L’efficacité quantique de la photodiode est élevée (60-80%) par rapport au PMT (20-30%) qui donne une résolution énergétique plus élevée.

Matériaux de scintillation – Scintillateurs

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

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

Scintillateurs inorganiques

Cristal de scintillation CsI (Tl)
Cristal de scintillation CsI (Tl). Source: wikipedia.de Licence: CC BY-SA 3.0

Les scintillateurs inorganiques sont généralement des cristaux cultivés dans des fours à haute température. Ils comprennent l’iodure de lithium (LiI), l’iodure de sodium (NaI) , l’iodure de césium (CsI) et le sulfure de zinc (ZnS). Le matériau de scintillation le plus utilisé est le NaI (Tl) (iodure de sodium dopé au thallium). L’iode fournit la plupart du pouvoir d’arrêt dans l’iodure de sodium (car il a un Z élevé = 53). Ces scintillateurs cristallins sont caractérisés par une densité élevée, un nombre atomique élevé et des temps de décroissance d’impulsion d’environ 1 microseconde ( ~ 10 -6 s). La scintillation dans les cristaux inorganiques est généralement plus lente que dans les cristaux organiques. Ils présentent une grande efficacité pour la détection des rayons gamma et sont capables de gérer des taux de comptage élevés. Les cristaux inorganiques peuvent être coupés à de petites tailles et disposés dans une configuration en réseau afin de fournir une sensibilité de position. Cette fonction est largement utilisée en imagerie médicale pour détecter les rayons X ou les rayons gamma . Les scintillateurs inorganiques détectent mieux les rayons gamma et les rayons X que les scintillateurs organiques. Cela est dû à leur densité élevée et à leur numéro atomique qui donne une densité électronique élevée. Un inconvénient de certains cristaux inorganiques, par exemple NaI, est leur hygroscopicité, une propriété qui exige qu’ils soient logés dans un récipient hermétique pour les protéger de l’humidité.

Scintillateurs organiques

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

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

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

Tube photomultiplicateur

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

Composants du tube photomultiplicateur

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

  • Scintillation_Counter - Tube photomultiplicateur
    Appareil à cristal scintillant, photomultiplicateur et composants d’acquisition de données. Source: wikipedia.org Licence CC BY-SA 3.0

    Photocathode . Juste après une fenêtre d’entrée mince, se trouve une photocathode, qui est faite d’un matériau dans lequel les électrons de valence sont faiblement liés et ont une section efficace élevée pour convertir les photons en électrons via l’effet photoélectrique. Par exemple, du Cs 3 Sb (césium-antimoine) peut être utilisé. En conséquence, la lumière créée dans le scintillateur frappe la photocathode d’un tube photomultiplicateur, libérant au plus un photoélectron par photon.

  • Dynodes . En utilisant un potentiel de tension, ce groupe d’électrons primaires est accéléré et concentré électrostatiquement de sorte qu’ils frappent la première dynode avec suffisamment d’énergie pour libérer des électrons supplémentaires. Il existe une série («étapes») de dynodes en matériau de fonction de travail relativement faible. Ces électrodes fonctionnent à un potentiel toujours croissant (par exemple ~ 100-200 V entre les dynodes). Au niveau de la dynode, les électrons sont multipliés par émission secondaire. La prochaine dynode a une tension plus élevée, ce qui fait que les électrons libérés du premier accélèrent vers elle. A chaque dynode 3-4 électrons sont libérés pour chaque électron incident, et avec 6 à 14 dynodes le gain global, ou le facteur d’amplification d’électrons, seront dans la plage d’environ 10 4 -107 lorsqu’ils atteignent l’anode. Les tensions de fonctionnement typiques se situent dans la plage de 500 à 3000 V. Au niveau de la dynode finale, suffisamment d’électrons sont disponibles pour produire une impulsion d’une amplitude suffisante pour une amplification supplémentaire. Cette impulsion transporte des informations sur l’énergie du rayonnement incident d’origine. Le nombre de ces impulsions par unité de temps donne également des informations sur l’intensité du rayonnement.

Efficacité quantique

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

Efficacité quantique - Tube photomultiplicateur

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

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

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

Photodiodes – Compteur à scintillation

Un détecteur à scintillation ou un compteur à 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 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,

Détection des rayonnements alpha, bêta et gamma à l’aide d’un compteur à scintillation

Les compteurs à scintillation sont utilisés pour mesurer le rayonnement dans une variété d’applications, y compris les appareils de mesure de rayonnement portatifs, la surveillance du personnel et de l’environnement pour la contamination radioactive , l’imagerie médicale, les tests radiométriques, la sécurité nucléaire et la sécurité des centrales nucléaires. Ils sont largement utilisés car ils peuvent être fabriqués à peu de frais mais avec une bonne efficacité, et peuvent mesurer à la fois l’intensité et l’énergie du rayonnement incident.

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

  • Particules alpha et ions lourds . En raison du pouvoir ionisant très élevé des ions lourds, les compteurs à scintillation ne sont généralement pas idéaux pour la détection des ions lourds. À énergie égale, un proton produira 1/4 à 1/2 de la lumière d’un électron, tandis que les particules alpha ne produiront qu’environ 1/10 de la lumière. Le cas échéant, les cristaux inorganiques, par exemple CsI (Tl), ZnS (Ag) (généralement utilisés dans les feuilles minces comme moniteurs de particules α), devraient être préférés aux matériaux organiques. Pure CsI est un matériau scintillant rapide et dense avec un rendement lumineux relativement faible qui augmente considérablement avec le refroidissement. Les inconvénients du CsI sont un gradient de température élevé et une légère hygroscopicité.
  • Particules bêta . Pour la détection des particules bêta, des scintillateurs organiques peuvent être utilisés. Les cristaux organiques purs comprennent des cristaux d’anthracène, de stilbène et de naphtalène. Le temps de décroissance de ce type de luminophore est d’environ 10 nanosecondes. Ce type de cristal est fréquemment utilisé dans la détection des particules bêta. Les scintillateurs organiques , ayant un Z inférieur à celui des cristaux inorganiques, sont les mieux adaptés pour la détection de particules bêta de faible énergie (<10 MeV).
  • Rayons gamma . Les matériaux à haute teneur en Z conviennent mieux comme scintillateurs pour la détection des rayons gamma. Le matériau de scintillation le plus utilisé est le NaI (Tl) (iodure de sodium dopé au thallium). L’iode fournit la plupart du pouvoir d’arrêt dans l’iodure de sodium (car il a un Z élevé = 53). Ces scintillateurs cristallins se caractérisent par une densité élevée, un nombre atomique élevé et des temps de décroissance d’impulsion d’environ 1 microseconde (~ 10 -6seconde). La scintillation dans les cristaux inorganiques est généralement plus lente que dans les cristaux organiques. Ils présentent une grande efficacité pour la détection des rayons gamma et sont capables de gérer des taux de comptage élevés. Les cristaux inorganiques peuvent être coupés à de petites tailles et disposés dans une configuration en réseau afin de fournir une sensibilité de position. Cette fonction est largement utilisée en imagerie médicale pour détecter les rayons X ou les rayons gamma. Les scintillateurs inorganiques détectent mieux les rayons gamma et les rayons X. Cela est dû à leur densité élevée et à leur numéro atomique qui donne une densité électronique élevée.
  • Neutrons . Les neutrons étant des particules électriquement neutres, ils sont principalement soumis à de fortes forces nucléaires mais pas à des forces électriques. Par conséquent, les neutrons ne sont pas directement ionisants et ils doivent généralement être convertis en particules chargées avant de pouvoir être détectés. En général, chaque type de détecteur de neutrons doit être équipé d’un convertisseur (pour convertir le rayonnement neutronique en rayonnement commun détectable) et de l’un des détecteurs de rayonnement conventionnels (détecteur à scintillation, détecteur gazeux, détecteur à semi-conducteur, etc.).  Les neutrons rapides (> 0,5 MeV) dépendent principalement du proton de recul dans les réactions (n, p). Matériaux riches en hydrogène, par exemple scintillateurs plastiques, sont donc les mieux adaptés à leur détection. Les neutrons thermiques dépendent de réactions nucléaires telles que les réactions (n, γ) ou (n, α) pour produire l’ionisation. Les matériaux tels que LiI (Eu) ou les silicates de verre sont donc particulièrement bien adaptés à la détection des neutrons thermiques.

Spectroscopie gamma à l’aide d’un compteur à scintillation

Voir aussi: Spectroscopie gamma à l’aide d’un compteur à scintillation

Voir aussi: 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.

Spectre du détecteur HPGe
Figure: Légende: Comparaison des spectres NaI (Tl) et HPGe pour le cobalt-60. Source: Radioisotopes et méthodologie de rayonnement I, II. Soo Hyun Byun, notes de cours. Université McMaster, Canada.

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 il a été écrit, ils sont produits par la désintégration des noyaux lors de leur transition 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.

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