II.B. Scintillation.

1)Les scintillateurs

Les scintillateurs sont faits de matériaux où l'énergie des particules incidentes provoque l'émission de photons lumineux. Il s'agit d'un phénomène de fluorescence en ce sens que la production de lumière est rapide, par opposition à la phosphorescence où l'émission est plus tardive.

Une particule qui traverse le milieu actif provoque par choc le long de son parcours la transition d'électrons vers des niveaux excités, dont ils redescendent en émettant un photon. Il peut s'agir d'excitation moléculaire (scintillateurs organiques) ou d'excitation d'un réseau cristallin (scintillateurs inorganiques)

a.Scintillateurs organiques.

L'excitation est de type moléculaire en ce sens que ce sont surtout les électrons de valence qui sont concernés Les matériaux couramment utilisés sont des plastiques scintillateurs de type polymère, l'anthracène, le stilbène, la naphtaline ou le polystyrène. Leur numéro atomique moyen n'étant pas très élevé, ils ne favorisent pas l'effet photoélectrique et dès lors ne conviennent pas vraiment pour la spectrométrie des rayons X ou gammas. Par contre ils sont très bien adaptés à la détection des particules chargées, auxquelles ils sont très sensibles et pour lesquelles leur réponse en fonction de l'énergie est très linéaire.

b.Scintillateurs inorganiques.

Il s'agit de milieux cristallins transparents, où des électrons de la bande de valence se voient portés vers la bande de conduction. Il apparaît ainsi une paire électron-trou qui peut se déplacer dans le cristal. Des impuretés présentes dans le cristal y créent des niveaux d'énergie dans la bande normalement interdite, entre la bande de valence et la bande de conduction. Ce sont ces impuretés qui provoquent l'émission du photon.

En choisissant des matériaux comprenant des éléments de nombre atomique élevé, on peut en faire d'excellents détecteurs bien adaptés à la spectrométrie des photons durs.

Le NaI(Tl), cristal d'iodure de sodium dopé à 1% de thallium, lequel fournit les centres fluorescents, a été historiquement et de très loin le plus utilisé. Son défaut est qu'il vieillit mal lorsqu'il est exposé à l'air. Il jaunit et perd ainsi en transparence. D'autres milieux lui sont aujourd'hui préférés, en particulier le germanate de bismuth BGO ou le LSO à base de lutétium, cristaux très élevés en densité (7g/cm³ pour le BGO) et donc dotés d'un haut pouvoir d'arrêt.

Le sulfure de zinc ZnS possède une haute efficacité intrinsèque, autrement dit un haut pouvoir de conversion de l'énergie en lumière, mais il n'est pas transparent à ses propres photons. Pour cette raison on ne l'utilise qu'en très fines couches, faites de petits cristaux compactés, qui servent d'écrans d'entrée dans certains systèmes tels que par exemple les amplificateurs de luminance.

2)Conversion du signal.

Le scintillateur doit être couplé à un photomultiplicateur ou à une photodiode, dont le rôle est de convertir le signal lumineux en signal électrique. L'ensemble forme ce qu'on appelle un compteur ou détecteur à scintillation.

a.Photomultiplicateur.

Un photomultiplicateur (PM) possède une paroi de verre à l'intérieur de laquelle règne le vide. La face en contact avec le scintillateur est la face d'entrée, ou photocathode. Elle est tapissée à l'intérieur d'une fine couche d'un métal choisi pour son faible travail d'extraction (énergie minimum nécessaire pour extraire un électron). La photocathode est suivie d'un nombre très variable d'électrodes intermédiaires appelées dynodes, puis en bout de course par l'anode connectée au circuit électronique extérieur qui traitera les signaux.

Chaque étage de cet assemblage, de la photocathode à l'anode en passant par les dynodes, est soumis à une différence de potentiel accélératrice pour des électrons, donc négatif en amont et positif en aval. La distribution du potentiel d'une extrémité à l'autre s'obtient par un diviseur de tension, soit un ensemble simple de résistances en série reliées chacune à une dynode. Pour un PM comportant 10 étages par exemple, on obtient 200V d'accélération entre deux électrodes successives en appliquant -2000V à la cathode par rapport à l'anode.

Quand un photon provenant du scintillateur atteint la photocathode il peut, par effet photoélectrique, en éjecter un électron qui se voit alors accéléré vers la première dynode. L'énergie acquise est en général suffisante pour que le choc qui s'ensuit éjecte du métal deux ou trois électrons. Ceux-ci vont à leur tour être accélérés vers la deuxième dynode et en extraire chacun deux ou trois autres, et ainsi de suite jusqu'à l'anode. L'effet multiplicatif est important: Pour un gain égal à deux à chaque étape, l'amplification est de mille pour un ensemble de dix étages. Un signal lumineux relativement faible à l'entrée peut ainsi générer à la sortie un signal électrique parfaitement mesurable.

Le défaut principal des photo-tubes vient des thermo-électrons: Etant donné que le travail d'extraction est à dessein choisi dans les valeurs basses, il n'est pas rare qu'un électron libre d'une dynode s'en échappe de par son seul mouvement thermique. Une fois sorti, il se voit entraîné dans la cascade accélératrice et s'en va ainsi produire à l'anode un signal parasite.

b.Photodiode.

N.B.:Le prochain chapitre (II.C) donne les détails du fonctionnement d'un détecteur à semi-conducteurs, dont le principe rejoint ce qui est décrit ici.

Une photodiode est un semi-conducteur travaillé en jonction p-n, ou plus précisément en jonction PIN, les zones p et n jouant en quelque sorte le rôle d'électrodes de part et d'autre de la région intrinsèque I. Contrairement au photomultiplicateur il n'y a pas d'effet d'amplification interne, et par ailleurs on se trouve ici à une autre échelle en termes de dimensions: Une photocathode se mesure en centimètres, une photodiode en millimètres.

Dans une jonction p-n, la région n est une région neutre mais riche en électrons libres et la région p une région neutre également mais en manque d'électrons de liaison. L'exemple type est le silicium, qui est tétravalent, et où on obtient la région n en y remplaçant certains atomes par des éléments pentavalents comme le phosphore ou l'arsenic, qui ont donc tendance à libérer un électron en excès, alors que la région p est obtenue en utilisant le bore, qui est trivalent et présente donc une lacune en termes de liaison. Quand une région dopée-n est en contact avec une région dopée-p, la pression électronique entre charges libres tend à faire diffuser des électrons vers la zone p, laissant des lacunes en zone n. A l'équilibre on obtient deux couches chargées et donc une différence de potentiel à la jonction p-n. Le système a été amélioré en ménageant au centre une zone non dopée, ou région intrinsèque, d'où le sigle PIN.

L'essentiel des interactions intéressantes se passe dans la région intrinsèque. Quand un électron lié absorbe un photon, il passe en conduction en laissant une lacune là où il se trouvait. Si la diode est polarisée comme on le fait pour un détecteur à électrodes, l'électron négatif et le trou positif migrent chacun vers la région de polarité opposée. La récolte de ces charges crée un signal proportionnel à l'énergie déposée. Ce système est utilisé par exemple dans de nombreux scanners.

On peut aussi laisser les charges s'accumuler un certain temps avant lecture de l'information. La photodiode agit alors en condensateur, la capacité étant inversement proportionnelle à la largeur de la région intrinsèque. On retrouve cela entre autres dans les écrans numériques actuels de type conversion indirecte (voir radiologie) où chaque photodiode fournit un pixel d'image.

3)Couplage optique.

Le scintillateur doit être collé au PM ou aux photodiodes au moyen d'une graisse optique dont l'indice de réfraction est proche des deux surfaces à coupler, de façon à favoriser la transmission de la lumière et en tout cas d'éviter la réflexion.

Il arrive parfois qu'on insère entre scintillateur et photomultiplicateur un guide de lumière. Cet élément intermédiaire est fait de verre ou de plexiglas et joue sur le phénomène de réflexion totale aux grands angles pour amener la lumière de la région de production à l'instrument de mesure. Ceci pour le principe, car en pratique le guide est souvent entouré d'un matériau réfléchissant qui est censé renvoyer dans la bonne direction les photons qui seraient sortis par réfraction. (N.B.: Le scintillateur lui-même est souvent lui aussi habillé d'une feuille réfléchissante, dans le même but).

Pour les photodiodes de taille réduite ce sont des fibres optiques qui sont utilisées, mais une fibre optique n'est en fait rien d'autre… qu'un guide de lumière.