Scintillateur

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 et des scintillateurs inorganiques utilisés sous forme de monocristaux (par exemple iodure de sodium NaI).

Les scintilateurs sont utilisés en général de deux manières :

• sous la forme d'un écran fluorescent, permettant la visualisation à l'œil nu ; cette écran est maintenant souvent couplé à une caméra numérique (type CCD) qui permet une acquisition informatique ;
• sous la forme d'un détecteur à scintillation, ou compteur à scintillation : les photons émis par la matériau scintillant sont amplifiés par un photomultiplicateur (PM), puis comptés, on estime donc ainsi le flux de photons dans le scintillateur.

La scintillation est un phénomène de fluorescence : les atomes du matériau reçoivent un rayonnement incident et sont « excités », c'est-à-dire qu'un électron 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, qui en l'occurrence est un photon visible.

Pour expliquer la scintillation des cristaux inorganiques, on utilise la théorie des bandes des solides cristallins proposée par Bloch en 1928. Les électrons d'un atome libre se retrouvent sur des niveaux d'énergie discrets définis par l'équation de Schrödinger. Dans les cristaux, les niveaux supérieurs sont perturbés par les interactions mutuelles entre les atomes et les ions qui forment le cristal. 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 cristal et les électrons sont libres de s'y mouvoir sans apport externe d'énergie (les électrons ne sont plus liés à un atome en particulier).

Ainsi, lorsqu'un électron lié à un atome du réseau 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.

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, diminuant le rendement du détecteur. L'étanchéité est assurée par de la graisse silicone. Le tout est isolé de la lumière ambiante qui viendrait perturber le signal.

Le PM nécessite une haute tension pour l'accélération 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 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.

Médecine nucléaire

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.

Détection des rayons X

Les scintillateurs sont utilisés en radiocristallographie, ainsi que pour la fluorescence X dispersive en longueur d'onde.