Qu’est-ce que le matériel de scintillation – Types de scintillateurs – Définition

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 se compose d’un cristal transparent , généralement un phosphore, un plastique ou un liquide organique qui fluorescent 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

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 efficacité élevée 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 haute densité et à leur numéro atomique qui donne une haute densité électronique. 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.

Iodure de sodium dopé au thallium – scintillateurs NaI (Tl)

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 sec). La longueur d’onde d’émission maximale est de 415 nm. La scintillation dans les cristaux inorganiques est généralement plus lente que dans les cristaux organiques. Ils présentent une efficacité élevée 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. 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. Les cristaux sont généralement couplés à un tube photomultiplicateur, dans un ensemble hermétiquement scellé.

Iodure de césium dopé au thallium – Scintillateurs CsI (Tl)

L’iodure de césium (CsI) sous forme cristalline est utilisé comme scintillateur pour la détection des protons et des particules alpha . 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.

L’iodure de césium dopé au thallium a un numéro atomique effectif de 54 et une densité de 4,51 g / cm ³ . Le CsI (TI) est également hygroscopique et ne doit pas être soumis à une humidité élevée ou à de l’eau. CsI ​​(TI) a des temps de désintégration différents pour différentes particules (680ns et 3340ns) et peut être utilisé pour déterminer entre différents types de rayonnement. Le spectre d’émission atteint un pic à 540-560 nm.

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 .