Sommaire

L'interaction des photons

En fonction de son énergie, un photon va interagir dans la matière par effet photo-électrique, par diffusion Compton, ou encore par création de paires. En résumé, l'interaction d'un photon avec la matière va donner lieu à des phénomènes d'excitation ou d'ionisation, entraînant la création de photons non-visibles.

La réorganisation du cortège électronique ainsi perturbé va provoquer l'émission de photons UV ou visibles, qui vont être collectés et amplifiés par un dispositif adéquat. Certains milieux transparents émettent une petite quantité de lumière en désexcitation après avoir été excités par une particule chargée, c'est le principe de fluorescence.

Ces photons peuvent être détectés par un dispositif photosensible, si le milieu est transparent dans le domaine de longueur d'onde correspondant au moins à certains de ces photons. Il existe deux types de détecteurs de photons qui satisfont à cette condition de transparence :

  • Les détecteurs rapides à base de scintillateur organique, généralement utilisés en couche de faible épaisseur, pour la mesure du temps de passage d'une particule
  • Les détecteurs lents à base de scintillateur inorganique, comme les cristaux de NaI ou de BaF2. Ces derniers sont suffisamment denses pour collecter toute l'énergie du photon, et fournir un signal plus intense et proportionnel à l'énergie du photon incident

Les détecteurs scintillateurs sont utilisés en calorimétrie, pour des mesures de temps de vol, comme détecteurs de traces ou encore en tant que déclencheurs d'événements.

Les détecteurs à scintillation

Les scintillateurs organiques

Les scintillateurs organiques peuvent se trouver sous la forme plastique, liquide ou cristalline. Leur mécanisme de fluorescence est associé aux états excités des molécules. La scintillation est basée sur les électrons des liaisons Carbone-Carbone des molécules. La lumière émise est généralement dans l'UV.

Des exemples de scintillateurs organiques cristallins sont le naphtalène, l'anthracène ou le p-terphenyl. Les scintillateurs organiques plastiques ou liquide sont constitués d'un solvant et d'un soluté. Les solvants rencontrés dans les scintillateurs organiques liquides sont le plus souvent le benzène, le toluène ou le xylène. En scintillateurs plastiques on trouvera le polyvinylbenzène, le polyvinyltoluène, ou le polystyrène.

Les scintillateurs organiques sont des composés hydrocarbonés qui contiennent des structures de benzène. Ils ont une faible efficacité de détection des photons gamma. Ils sont sensibles presque uniquement à l'effet Compton. En revanche, grâce à leur forte teneur en hydrogène, ils permettent une très bonne détection des neutrons.

Les scintillateurs inorganiques

Un scintillateur inorganique est un matériau minéral, ayant une propriété de scintillation suite à un dépôt d'énergie. Un rayonnement ionisant déposant de l'énergie dans le milieu lors d'interactions et produit ainsi une faible quantité de lumière dans le cristal scintillateur, dont l'enregistrement permet sa détection.

Leur mécanisme de fluorescence est associé à la présence d'états intermédiaires apparaissant par la présence d'impuretés, comme par exemple le thallium dans l'iodure de sodium. Plusieurs constantes de temps existent dans les scintillateurs inorganiques. Elles sont dues à la présence de deux types de recombinaisons : une recombinaison rapide des centres d'activation (de l'ordre de la microseconde), et une recombinaison retardée associée au piégeage des porteurs (de l'ordre de de la milliseconde).

Possédant généralement un numéro atomique élevé, les scintillateurs inorganiques sont efficaces pour la détection des particules chargées mais aussi des photons. Les scintillateurs sont couplés à des photodétecteurs qui transforment la lumière émise par le scintillateur en électrons qui viendront former le courant. Ces transformateurs de lumière sont appelés photomultiplicateurs ou PM, ils produisent des électrons à partir de la lumière et jouent un rôle d'amplificateur de ces électrons, qui sont produits initialement en très faible nombre.

Le photomultiplicateur

Composition d'un PM

Le but d'un photomultiplicateur est de convertir les photons de scintillation en un signal électrique, qui peut être ensuite traité électroniquement. Le principe physique est l'effet photo-électrique, produit avec la photocathode, qui est en général une mince couche d'un alliage métallique alcalin.

Derrière la photocathode se trouve une série de 10 à 14 électrodes appelées dynodes, formées d'un alliage particulier, souvent du CuBe, portées à des potentiels électriques croissants.

Les photo-électrons émis par la photocathode sont accélérés et focalisés sur la première dynode, en arrachant 2 à 5 électrons par photo-électron, amplifiant ainsi le signal électrique. Le même mécanisme d'amplification se reproduit sur chacune des dynodes successives, produisant un gain pouvant atteindre 107 après 14 étages.