VUE D'ENSEMBLE DES DÉTECTEURS Les types de détecteurs couramment utilisés peuvent être classés comme :
Détecteurs à gaz
Détecteurs à scintillation
Détecteurs à semi-conducteurs
Le choix d'un type de détecteur particulier pour une application dépend de la gamme d'énergie des rayons X ou gamma et des exigences de résolution et d'efficacité de l'application. Les facteurs supplémentaires comprennent les performances du taux de comptage, l'adéquation du détecteur pour les expériences de synchronisation et, bien sûr, le prix.
EFFICACITÉ DU DÉTECTEUR L 'efficacité d'un détecteur est une mesure du nombre d'impulsions qui se produisent pour un nombre donné de rayons gamma. Divers types de définitions de l'efficacité sont couramment utilisés pour les détecteurs de rayon gamma :
Efficacité absolue : le rapport entre le nombre de comptages produits par le détecteur et le nombre de rayons gamma émis par la source (dans toutes les directions).
Efficacité intrinsèque : le rapport entre le nombre d'impulsions produites par le détecteur et le nombre de rayons gamma frappant le détecteur.
Efficacité relative : efficacité d'un détecteur par rapport à un autre ; généralement celle d'un détecteur au Germanium par rapport à un cristal NaI de 3 pouces de diamètre, chacun à 25 cm d'une source ponctuelle et spécifié à 1,33 MeV seulement.
Pic d'énergie maximale (ou Photopeak) : l'efficacité de production des impulsions de pic d'énergie maximale uniquement, plutôt qu'une impulsion de n'importe quelle taille pour le rayon gamma.
Il est évident que le détecteur doit être capable d'absorber une grande partie de l'énergie de rayon gamma pour être efficace. Cela nécessite l'utilisation d'un détecteur de taille appropriée ou le choix d'un matériau de détecteur de pic d'énergie maximale appropriée. La figure 1.1 montre un exemple de courbe d'efficacité de pic d'énergie maximale pour un détecteur au Germanium.
Figure 1.1 - Calibration de l'efficacité
RÉSOLUTION DU DÉTECTEUR La résolution est une mesure de la largeur (demi-max de largeur complète) d'un pic d'énergie unique à une énergie particulière, soit exprimée en keV absolu (comme les détecteurs au germanium), soit en pourcentage de l'énergie à ce point (détecteurs Iodure de sodium). Une meilleure résolution (valeur LMH inférieure) permet au système de séparer plus clairement les pics dans un spectre. La figure 1.2 montre deux spectres collectés à partir de la même source, l'un utilisant un détecteur à iodure de sodium (NaI(TI)) et l'autre utilisant le germanium (HPGe). Même si ce spectre est assez simple, les pics présentés par le détecteur à iodure de sodium se chevauchent dans une certaine mesure, tandis que ceux du détecteur au germanium sont clairement séparés. L'analyse devient impossible sans un détecteur au germanium dans un spectre complexe comportant des centaines de pics.
Figure 1.2
DÉTECTEURS REMPLI DE GAZ Le détecteur rempli de gaz est essentiellement un tube métallique rempli de gaz et renfermant un fil d'anode polarisé positivement. Un photon traversant le gaz produit des électrons libres et des ions positifs. Les électrons sont attirés par l'anode, produisant une impulsion électrique.
Lorsque la tension de l'anode est faible, les électrons peuvent se recombiner avec les ions. La recombination peut également se produire pour une densité d'ions élevée. Presque tous les électrons sont rassemblés à une haute tension, et ce type de détecteur est appelé chambre d'ionisation. Plus d'électrons sont produits lorsque la tension est élevée, car les électrons sont accélérés vers l'anode à des énergies suffisamment élevées pour ioniser d'autres atomes. Ce détecteur est appelé compteur proportionnel. La quantité d'électrons recueillis est indépendante de l'ionisation initiale et augmente d'autant plus que la tension est élevée. Ce détecteur est le compteur Geiger-Mueller, dans lequel la grande impulsion de sortie est la même pour tous les photons. Dans la figure 1.3, les différentes zones de tension sont représentées de manière schématique.
Les différentes régions de tension sont indiquées schématiquement dans la figure 1.3. Les tensions réelles peuvent varier largement d'un détecteur à l'autre, en fonction de la géométrie du détecteur, du type de gaz et de la pression.
Figure 1.3 - Sortie du détecteur de gaz par rapport à la tension de l'anode
CHAMBRE D'IONISATION Ce détecteur est difficile à utiliser pour la détection individuelle des rayons gamma en raison du signal de sortie extrêmement faible de la chambre d'ionisation. Il est utilisé dans les situations où les flux de radiation sont élevés et où un grand courant total peut être généré. De nombreux instruments de surveillance des rayonnements utilisent des chambres d'ionisation. Un électromètre peut être utilisé pour enregistrer la sortie et effectuer des mesures de l'ionisation absolue. 1
COMPTEUR PROPORTIONNEL Les compteurs proportionnels sont souvent utilisés pour les mesures de rayons X lorsqu'une résolution de l'énergie modérée est requise. La figure 1.5 montre un spectre de 57 Co qui sépare clairement les rayons X de 6,4 keV provenant du fer des rayons gamma de 14,4 keV.
Les compteurs proportionnels peuvent être achetés dans différentes tailles et formes, allant des cylindres à fenêtres d'extrémité ou latérales aux cylindres plats en forme de « crêpe ». Ils peuvent être des détecteurs scellés ou fonctionner avec un flux de gaz, et ils peuvent avoir de minces fenêtres en béryllium ou être sans fenêtres. En général, un détecteur est spécifié en termes de dimension physique, de taille de fenêtre effective et de longueur de trajectoire du gaz, de gamme de tension de fonctionnement et de résolution pour le rayon X de 5,9 keV provenant d'une source 55Fe (rayon X Mn). Les résolutions typiques sont environ 16 à 20 % de pleine largeur à la moitié du maximum (LMH).
Les tensions de fonctionnement dépendent du gaz de remplissage et de la géométrie. Pour les rayons X, les gaz nobles sont souvent utilisés, avec des choix courants comme le xénon, le krypton, le néon et l'argon. Le xénon et le krypton sont sélectionnés pour des rayons X de l'énergie plus élevée ou pour obtenir des efficacités plus élevées, tandis que le néon est sélectionné quand il est souhaitable de détecter les rayons X de faible énergie en présence de rayons X d'énergie plus élevée intempestifs. On utilise parfois des mélanges de gaz, comme le gaz P-10, qui est un mélange de 90 % d'argon et de 10 % de méthane. La pression des gaz est généralement d'une atmosphère. La figure 1.4 présente le préamplificateur 2006 disponible pour les compteurs proportionnels.
Figure 1.4 - Compteur proportionnel et préamplificateur
COMPTEUR GEIGER-MUELLER Le compteur Geiger-Mueller produit une grande impulsion de tension qui est facilement comptée sans amplification supplémentaire. Aucune mesure d'énergie n'est possible puisque la hauteur de l'impulsion de sortie est indépendante de l'ionisation initiale. En général, les compteurs Geiger-Mueller sont dotés d'une fine fenêtre en mica et ils sont disponibles dans une large gamme de tailles. La tension de fonctionnement est dans la région du plateau (voir la figure 1.3), qui peut être relativement plate sur une gamme de tension de polarisation. Le plateau est déterminé en mesurant le taux de comptage en fonction de la tension de l'anode.
La décharge produite par une ionisation doit être éteinte pour que le détecteur soit renvoyé à un état d'ionisation neutre pour la prochaine impulsion. Cela est accompli en utilisant un gaz de remplissage qui renferme une petite quantité d'halogène en plus d'un gaz rare. La décharge peut également être interrompue par la chute de tension dans une grande résistance placée entre l'anode et l'alimentation de polarisation, ce qui abaisse la tension de fonctionnement en dessous du plateau.
Le compteur Geiger-Mueller est inactif ou « mort » après chaque impulsion jusqu'à ce que la désactivation soit terminée. Ce temps mort peut être des centaines de micro-ondes long, ce qui limite le compteur aux applications à faible taux de comptage.
DÉTECTEURS À SCINTILLATION Un rayon gamma interagissant avec un scintillateur produit une impulsion lumineuse, qui est convertie en impulsion électrique par un tube photomultiplicateur. Le photomultiplicateur se compose d'une photocathode, d'une électrode de focalisation et de 10 dynodes ou plus qui multiplient le nombre d'électrons les frappant plusieurs fois chacune. L'anode et les dynodes sont polarisées par une série de résistances généralement situées dans un ensemble de base de tube enfichable. Mirion propose à la vente des ensembles complets comprenant le scintillateur et le tube photomultiplicateur.
Les propriétés du matériau de scintillation requises pour de bons détecteurs sont la transparence, la disponibilité en grande taille et une grande sortie de lumière proportionnelle à l'énergie de rayon gamma. Seul un petit nombre de matériaux conviennent aux détecteurs. Les cristaux NaI et CsI activés par le thallium sont couramment utilisés, ainsi qu'une grande variété de plastiques. Les cristaux LaBr3 (Ce) sont un type de détecteur à scintillateur plus récent offrant une meilleure résolution, mais sinon, ont des caractéristiques similaires à celles des cristaux de détecteurs NaI. Le NaI est toujours le matériau dominant pour la détection des rayons gamma, car il offre une bonne résolution de rayon gamma et est économique. Bien qu'ils offrent souvent une résolution de l'énergie faible ou nulle, les plastiques sont utilisés dans les applications de chronométrage en raison de la désintégration beaucoup plus rapide de la lumière pulsée.
Figure 1.5 - 57 Spectre Co provenant du compteur
DÉTECTEURS À SCINTILLATION NaI (Tl) Le niveau élevé de Z de l'iode dans NaI donne une bonne efficacité pour la détection de rayon gamma. Une petite quantité de Tl est ajoutée pour activer le cristal, de sorte que la désignation est généralement NaI (Tl) pour le cristal. Pour le rayon gamma de 662 keV émis par le 137Cs, la meilleure résolution que l'on puisse obtenir se situe entre 7,5 % et 8,5 % pour un cristal de 3 pouces de diamètre par 3 pouces de long. Cette résolution diminue légèrement pour des tailles plus grandes et plus petites. Les efficacités d'absorption de différentes épaisseurs de cristaux de NaI et le coefficient de transmission à travers les fenêtres d'entrée les plus utilisées sont représentés dans la figure 1.7. De nombreuses configurations de détecteurs NaI sont disponibles dans le commerce, allant des cristaux pour les mesures de rayons X dans lesquelles le détecteur est relativement mince (pour optimiser la résolution au détriment de l'efficacité à des énergies plus élevées) aux grands cristaux avec plusieurs phototubes. Les cristaux construit à partir d'un puits permettant un comptage à géométrie 4π presque sphérique d'échantillons faibles sont également une configuration largement utilisée. La figure 1.6 présente une combinaison typique de préamplificateur et d'amplificateur.
Figure 1.6 - Électronique de détecteur NaI (Tl)
La durée de dégradation de la lumière dans NaI est d'environ 0,25 microsecondes. Les préamplificateurs sensibles à la charge typiques traduisent cette constante en un temps de montée de l'impulsion de sortie d'approximativement 0,5 microsecondes. C'est pourquoi les détecteurs au NaI ne sont pas aussi bien adaptés que les détecteurs en plastique pour les mesures de coïncidence rapide, qui nécessitent des temps de résolution très courts. Les détecteurs LaBr 3 (Ce) ont une durée de dégradation de la lumière de 0,03 microsecondes, ce qui en fait une autre solution possible pour les mesures de coïncidences.
DÉTECTEURS À SEMI-CONDUCTEUR Un semi-conducteur est un matériau qui peut agir comme isolant ou conducteur. Dans l'électronique, le terme « état solide » est souvent utilisé de manière interchangeable avec le semi-conducteur, mais dans le domaine du détecteur, le terme peut évidemment être appliqué aux scintillateurs solides. Le terme semi-conducteur est donc préféré pour les détecteurs fabriqués à partir de matériaux monocristaux élémentaires ou composés ayant une largeur de bande interdite de l'ordre approximatif de 1 à 5 eV. Les éléments du groupe IV, le silicium et le germanium, sont de loin les semi-conducteurs les plus utilisés, bien que certains matériaux semi-conducteurs composés trouvent une utilisation dans des applications spéciales à mesure que les travaux de développement se poursuivent.
Le tableau 1.1 montre certaines des principales caractéristiques de divers semi-conducteurs en tant que matériaux de détecteur :
Les détecteurs semiconducteurs ont une structure de diode p-i-n dans laquelle la région intrinsèque (i) est créée par l'épuisement de porteur de charge lorsqu'une polarisation inverse est appliquée à travers la diode. Lorsque les photons interagissent dans la région de déplétion, les porteurs de charge (trous et électrons) sont libérés et balayés vers leur électrode de collecte respective par le champ d'électricité. Un préamplificateur sensible à la charge intègre la charge résultante et la transforme en une impulsion de tension dont l'amplitude est proportionnelle à l'énergie initiale du photon.
De grands volumes de matériaux extrêmement purs sont nécessaires pour garantir une grande efficacité de comptage des photons à haute énergie, car la profondeur d'appauvrissement est inversement proportionnelle à la concentration nette d'impuretés électriques et l'efficacité de comptage dépend de la pureté du matériau.
Figure 1.7
Avant le milieu des années 1970, les niveaux de pureté requis de Si et de Ge ne pouvaient être atteints qu'en dopant les cristaux de type p avec l'impureté de type n et le lithium, dans un processus appelé lithium-ion drifting. Bien que ce processus soit encore largement utilisé dans la production de détecteurs de rayons X Si (Li), il n'est plus nécessaire pour les détecteurs au germanium, car des cristaux suffisamment purs sont disponibles depuis 1976.
La sensibilité à la température des matériaux et les applications utiles de ces matériaux en tant que détecteurs sont indiquées par les valeurs de bande interdite dans le tableau 1.1. Comme les dispositifs Si, les détecteurs Ge peuvent fonctionner à des températures maximales nettement inférieures à celles des transistors Ge. En pratique, les détecteurs de photons Ge et Si doivent être refroidis afin de réduire la génération de porteurs de charge thermique (bruit) à un niveau acceptable. Cette exigence est tout à fait différente du problème de précipitation au lithium qui a rendu les anciens détecteurs Ge (Li) et, dans une certaine mesure, périssables à température ambiante.
Le moyen le plus commun pour le refroidissement des détecteurs est l'azote liquide, mais les progrès récents dans les systèmes de refroidissement électriques ont fait des cryostats réfrigérés électriquement une alternative viable pour de nombreuses applications de détecteurs.
Les détecteurs refroidis à l'azote liquide (LN2) utilisent une chambre à vide propre placée à l'intérieur d'un Dewar LN2 ou fixée à celui-ci pour contenir l'élément détecteur et, dans certaines situations, les composants du préamplificateur. L'azote liquide refroidit le détecteur à environ 77 K, ou -200 °C, lorsqu'il entre en contact thermique avec lui. À ces températures, les courants de fuite inversés sont de l'ordre de 10 - 9 à 10 - 12 ampères.
Dans les détecteurs réfrigérés électriquement, les systèmes de réfrigération mixte à cycle fermé et à l'hélium ont été développés pour éliminer le besoin d'azote liquide. Outre l'avantage évident de pouvoir fonctionner dans des situations où l'azote liquide est rare ou indisponible, les détecteurs réfrigérés sont idéaux pour les applications nécessitant une opération sans intervention à long terme, ou pour des conditions telles que les opérations sous-marines, où il n'est pas pratique de libérer le gaz LN2 d'un cryostat traditionnel dans l'air ambiant.
La figure 1.8 présente une vue en coupe d'un cryostat d'azote liquide typique.
Figure 1.8 - Cryostat vertical modèle 7500SL
STRUCTURE DU DÉTECTEUR Les premiers détecteurs de photons semi-conducteurs avaient une structure plane simple similaire à leur prédécesseur, le détecteur de barrière de surface de silicium (SSB). L'objectif du détecteur Si (Li) plan rainuré devrait être bientôt atteint en réduisant les courants de fuite et en améliorant la résolution.
Le détecteur coaxial Ge (Li) a été développé afin d'augmenter le volume global du détecteur, et donc l'efficacité de la détection, tout en maintenant les profondeurs d'épuisement (dérive) raisonnables et en minimisant la capacité. Certaines de ces structures sont actuellement utilisées, avec d'autres variantes qui sont apparues et d'autres qui ont disparu. Leurs caractéristiques principales et leurs gammes d'énergie approximatives sont présentées à la figure 1.9.
Figure 1.9 - Structures de détecteur et gammes d'énergie
PERFORMANCES DES DÉTECTEURS Les détecteurs de à semi-conjducteurs offrent une résolution de l'énergie grandement améliorée par rapport à d'autres types de détecteurs de radiation pour de nombreuses raisons. Fondamentalement, l'avantage principal de la résolution peut être attribué à la petite quantité d'énergie nécessaire pour produire un porteur de charge et le grand « signal de sortie » qui en résulte par rapport à d'autres types de détecteur pour la même énergie de photon incident. Avec la paire de 3 eV/eh (voir le tableau 1.1), le nombre de porteurs de charge produits dans Ge est environ un et deux ordres de grandeur plus élevé que dans les détecteurs à scintillation et gaz respectivement. La multiplication de charge qui se produit dans les compteurs proportionnels et dans les multiplicateurs d'électrons liés aux détecteurs à scintillation, qui conduit à des signaux de sortie importants, n'améliore en rien les statistiques fondamentales de la production de charges.
La réduction de l'énergie résultante en keV (LMH), par rapport à l'énergie pour divers types de détecteurs, est illustrée dans le tableau 1.2.
À basse énergie, l'efficacité du détecteur dépend de la surface de la section transversale et de l'épaisseur de la fenêtre, mais à haute énergie, le volume actif total du détecteur est plus ou moins responsable de l'efficacité du comptage. Les détecteurs à focale fine, par exemple les détecteurs Si (Li), détecteurs Ge à basse énergie et à électrode inversée, sont généralement équipés d'une fenêtre Be ou cryostat de carbone composite pour tirer pleinement parti de leur réponse énergétique intrinsèque.
Les détecteurs Ge coaxiaux sont spécifiés en termes de leur efficacité de pic de pleine énergie relative par rapport à celle d'un détecteur Ge de 3 po x 3 po. Détecteur à scintillateur NaI (Tl) à une distance de la source de 25 cm par rapport du détecteur à une distance de source. Des détecteurs d'efficacité relative supérieure à 100 % ont été fabriqués à partir de cristaux de germanium allant jusqu'à environ 75 mm de diamètre. Environ deux kg de germanium sont nécessaires pour un tel détecteur.
La section des produits de détecteurs de ce catalogue contient des courbes montrant l'efficacité des détecteurs en fonction de l'énergie pour différents types de détecteurs Ge.
1. A.C. Melissinos, Experiments in Modern Physics, Academic Press, New York (1966), p. 178.
