Scintillateur - Définition et Explications

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Un scintillateur, est un matériau qui émet de la lumière suite à l'absorption d'un rayonnement.

Il existe des scintillateurs organiques (anthracène, naphtalène, stilbène et terphényl) que l'on retrouve sous forme de monocristaux ou en solution, des scintillateurs minéraux qui sont utilisés en poudre (La poudre est un état fractionné de la matière. Il s'agit d'un solide présent...) et des scintillateurs inorganiques utilisés sous forme de monocristaux (par exemple iodure de sodium (Le sodium est un élément chimique, de symbole Na et de numéro atomique 11. C'est un...) NaI).

Les scintilateurs sont utilisés en général de deux manières :

  • sous la forme d'un écran (Un moniteur est un périphérique de sortie usuel d'un ordinateur. C'est l'écran où s'affichent...) fluorescent, permettant la visualisation à l'œil nu ; cette écran est maintenant souvent couplé à une caméra numérique (Une caméra numérique est un appareil d'enregistrement d'images animées et du son sur un support...) (type CCD) qui permet une acquisition (En général l'acquisition est l'action qui consiste à obtenir une information ou à acquérir un...) informatique ;
  • sous la forme d'un détecteur (Un détecteur est un dispositif technique (instrument, substance, matière) qui change...) à scintillation, ou compteur à scintillation : les photons émis par la matériau (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne...) scintillant sont amplifiés par un photomultiplicateur (Le photomultiplicateur est un dispositif permettant la détection de photons. Il se présente sous...) (PM), puis comptés, on estime donc ainsi le flux (Le mot flux (du latin fluxus, écoulement) désigne en général un ensemble d'éléments...) de photons dans le scintillateur (Un scintillateur, est un matériau qui émet de la lumière suite à l'absorption d'un rayonnement.).

Mécanisme de scintillation

La scintillation est un phénomène de fluorescence : les atomes du matériau reçoivent un rayonnement (Le rayonnement, synonyme de radiation en physique, désigne le processus d'émission ou de...) incident et sont " excités ", c'est-à-dire qu'un électron (L'électron est une particule élémentaire de la famille des leptons, et possèdant une charge...) passe à un niveau énergétique supérieur. La désexcitation , c'est-à-dire la redescente de l'électron à son niveau initial, s'accompagne de l'émission d'un photon (En physique des particules, le photon est la particule élémentaire médiatrice de l'interaction...), qui en l'occurrence est un photon (En physique des particules, le photon (souvent symbolisé par la lettre γ — gamma)...) visible.

Pour expliquer la scintillation des cristaux inorganiques, on utilise la théorie (Le mot théorie vient du mot grec theorein, qui signifie « contempler, observer,...) des bandes des solides cristallins proposée par Bloch en 1928. Les électrons d'un atome (Un atome (du grec ατομος, atomos, « que l'on ne peut...) libre se retrouvent sur des niveaux d'énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la...) discrets définis par l'équation de Schrödinger (L'équation de Schrödinger, conçue par le physicien autrichien Erwin Schrödinger en 1925, est...). Dans les cristaux, les niveaux supérieurs sont perturbés par les interactions mutuelles entre les atomes et les ions qui forment le cristal (Cristal est un terme usuel pour désigner un solide aux formes régulières, bien que...). Par conséquent, les niveaux d'énergie s'élargissent en une série de bandes d'énergies permises séparées les unes des autres par des bandes interdites dans lesquelles on ne retrouve aucun électron. Les bandes d'énergies s'étendent à tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou...) le cristal et les électrons sont libres de s'y mouvoir sans apport externe d'énergie (les électrons ne sont plus liés à un atome (Un atome (grec ancien ἄτομος [atomos], « que...) en particulier).

Ainsi, lorsqu'un électron lié à un atome du réseau (Un réseau informatique est un ensemble d'équipements reliés entre eux pour échanger des...) cristallin reçoit de l'énergie, il a accès à plusieurs niveaux d'énergie situés dans une bande permise. De façon générale, les bandes d'énergies situées le plus près des noyaux du cristal, bandes dites de valence, sont remplies, tandis que les bandes les plus éloignées, les bandes de conduction, sont vides ou partiellement occupées.

Constitution d'un compteur à scintillation

Un compteur à scintillation est donc l'association :

  • d'un cristal de scintillation, en général du NaI ;
  • d'un photomultiplicateur (PM) ou d'un CPM (Channel PhotoMultiplier);
  • d'une électronique de comptage.

Le cristal et le PM sont associés dans un compartiment sec ; en effet, le cristal est hygroscopique et s'opacifie sous l'effet de l'humidité (L'humidité est la présence d'eau ou de vapeur d'eau dans l'air ou dans une substance...), diminuant le rendement du détecteur. L'étanchéité (L'étanchéité est le résultat de l'interdiction d'un passage. Ce terme général peut être...) est assurée par de la graisse (La graisse est un corps gras se présentant à l'état solide à température...) silicone (Les silicones, ou polysiloxanes, sont des composés inorganiques formés d'une chaine...). Le tout est isolé de la lumière (La lumière est l'ensemble des ondes électromagnétiques visibles par l'œil...) ambiante qui viendrait perturber le signal ( Termes généraux Un signal est un message simplifié et généralement codé. Il existe...).

Le PM nécessite une haute tension (La tension est une force d'extension.) pour l'accélération (L'accélération désigne couramment une augmentation de la vitesse ; en physique,...) des électrons, en général entre 700 et 1 200 volts. Le préamplificateur nécessite une tension continue de l'ordre de quelques volts, typiquement +24 V, -24 V ou +15 V.

Le rendement du photomultiplicateur baisse au cours du temps ; pour retarder cette " usure ", il faut éviter d'envoyer un flux trop important de rayonnement (saturation). On peut compenser une diminution du gain en augmentant la haute tension. Le détecteur peut aussi avoir des problèmes d'électronique (par exemeple assèchement des condensateurs électrolytiques, ou défaillance quelconque), de la haute tension, ou bien des problèmes d'étanchéité à l'air (L'air est le mélange de gaz constituant l'atmosphère de la Terre. Il est inodore et...) induisant une entrée d'humidité. Mais ces détecteurs sont en général très fiables et il n'est pas rare d'en voir encore en service après 20 ou 30 ans.

Utilisation de la scintillation

Médecine nucléaire (La médecine nucléaire est l'ensemble des applications médicales des radiotraceurs,...)

Les caméras de cette discipline utilisent des scintillateurs afin de transformer les photons énergétiques en photons visibles permettant la détection avec des photomultiplicateurs et ainsi, la formation des images: le cristal d'iodure de sodium est souvent utiliser pour faciliter la mesure de rayon gamma (Les rayons gamma, symbolisés par la lettre grecque γ, sont une forme de rayonnement...).

Détection des rayons X

Les scintillateurs sont utilisés en radiocristallographie, ainsi que pour la fluorescence (La fluorescence est une émission lumineuse provoquée par diverses formes d'excitation autres que...) X dispersive en longueur (La longueur d’un objet est la distance entre ses deux extrémités les plus...) d'onde (Une onde est la propagation d'une perturbation produisant sur son passage une variation...).

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