Compteurs à scintillation
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 et les inconvénients des compteurs à scintillation sont déterminés par le scintillateur. Les caractéristiques suivantes ne sont pas générales pour tous les scintillateurs.
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 la conséquence de la durée extrêmement courte des éclairs lumineux, d’environ 10 -9 (scintillateurs organiques) à 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.
- Les scintillateurs liquides sont relativement encombrants.
Détecteurs semi-conducteurs
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. Les détecteurs à semi-conducteurs sont largement utilisés dans la radioprotection , le dosage des matériaux radioactifs et la recherche en physique.
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 .
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, par conséquent, 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 substantielle 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 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.
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