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dernière mise à jour
22 mars 2013
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CAPTEURS DE RAYONNEMENTS NUCLEAIRES
troisième partie (3/3) : détecteur à scintillation et semiconducteur

le must en la matière
des gains importants
des détecteurs miniaturisés
une collection d'icônes pour visiter tout le site
On associe un scintillateur à un photomultiplicateur d'électrons.

le scintillateur

L'énergie de la particule incidente excite un atome qui en revenant à son état normal émet un photon visible. Ce principe fonctionne très bien avec des liquides comme le toluène ou l'anthracène, des solides comme le ZnS ou le NaI ainsi que le CdWO4 et divers plastiques tels le polyvinyltoluène.

Les photons sont mis en évidence dans le scintillateur du fait d'une libération d'électrons par effet photoélectrique avec scintillation (à l'endroit où un électron est libéré, sa recombinaison avec un atome produit l'apparition d'un photon lumineux visualisé par une étincelle). Les neutrons sont détectés grâce à l'emploi de bore mélangé au ZnS; il en résulte des qui vont ensuite provoquer la scintillation.

le photomultiplicateur d'électrons:

Les photons lumineux sont transmis vers le photomultiplicateur (PM) mais on constate que malgré l'emploi de revêtement réflecteur, d'un joint optique, 30% au mieux atteignent la photocathode. Celle-ci possède elle-même un rendement de 10 à 30%. Les électrons émis sont ensuite accélérés vers la 1ère dynode produisant environ 4 électrons secondaires pour 1 incident, etc...

Ainsi avec 10 étages obtient-on un gain de 410 soit environ 106.

La durée du signal est très courte (quelques ns pour le toluène) ce qui permet des taux de comptage élevés et une grande efficacité pour les . Notons qu'il existe des PM tubulaires hélicoïdaux en verre semiconducteur qui alimentés sous 2 à 4 kV ont des gains de 108 à 109.

Détecteurs à semiconducteurs

Le principe de base comporte un cristal homogène placé entre deux électrodes de type N et P reliées à une source de tension élevée (polarisation inverse). En effet une particule traversant un semiconducteur va créer des paires électron-trou. Si cette création intervient à l’interface d’une jonction PN polarisée en inverse il pourra en résulter un courant venant s’ajouter au courant inverse.

Sous l’effet d’un rayonnement ionisant les porteurs libérés vont créer une impulsion dont l’amplitude sera proportionnelle à l’énergie perdue par la particule ionisante dans le détecteur. Précisons l’excellente linéarité d’un tel détecteur et son temps de réponse de l’ordre de la nanoseconde.

La technologie utilisée a pour but de minimiser l’épaisseur de semiconducteur à traverser avant d’atteindre la zone utile, et d’augmenter au contraire la largeur de la zone de déplétion à l’interface ce qui sera obtenu via un matériau peu dopé et une tension inverse élevée.


La figure ci-dessus montre une coupe d’un tel détecteur, de la taille d’une petite pièce de monnaie, monté dans une bague céramique en assurant la rigidité, tandis que les figures ci-dessous présentent le schéma équivalent du détecteur et son insertion dans un dispositif générant une impulsion de tension proportionnelle à l’énergie reçue. Un tel détecteur convient pour les rayonnements et , tandis que pour les RX et les on utilisera un principe semblable mais à base de germanium.


Précisons que pour Cr = 1pF et si l’on appelle W l’énergie de la particule on obtient V0/W = 44 mV/ MeV.

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