Détecteur à semiconducteur - Définition
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Introduction
Un détecteur à semiconducteur est un détecteur de particules qui s'appuie sur la technologie des semiconducteurs.
Principe
Détection
Une particule avec une énergie suffisante, rencontrant un semi-conducteur, va arracher un électron à un atome du cristal (par effet photoélectrique, effet Compton ou création de paires) en lui cédant une partie ou la totalité de son énergie sous forme d'énergie potentielle (ionisation) et cinétique. Le semiconducteur à la particularité de se comporter comme un conducteur lorsqu'il y a interaction du rayonnement et comme un isolant lorsqu'il n'y a pas interaction. Le gap est l'énergie minimum qui doit être apportée au cristal pour qu'un électron de la bande valence (participant aux liaisons entre les atomes) soit libéré dans la bande de conduction. Le semiconducteur est particulièrement bien adapté à la mesure de rayonnements gamma car il permet de discriminer le courant provoqué par les particules du courant de bruit thermique.
L'électron éjecté lors de l'interaction va déclencher à son tour d'autres ionisations en cascade. Après thermalisation avec le cristal, on obtient au sein du semi-conducteur un nuage de porteurs libres. Le semi-conducteur étant polarisé par une haute tension, les porteurs libres vont être attirés vers les électrodes et engendrer ainsi un courant mesurable dans un circuit connecté au détecteur.
Il existe différents modes d'utilisation impliquant une électronique différente à la sortie du semi-conducteur :
- spectrométrie,
- comptage,
- intégration.
Spectrométrie
Le détecteur analyse chaque particule incidente séparément.
Les charges sont collectées aux électrodes et forment un signal électrique transitoire appelé impulsion. Si la collecte est complète, l'intégrale du courant mesuré est proportionnelle à l'énergie déposée par la particule incidente. On utilise un circuit électronique pour mesurer cette intégrale ; en général il s'agit soit d'un condensateur, soit d'un préamplificateur de charge.
On obtient la correspondance entre la valeur du signal électrique intégré et l'énergie déposée par la particule à l'aide d'un étalonnage du détecteur.
On mesure donc pour chaque particule incidente une valeur proportionnelle à son énergie. Si l'on mesure pendant un temps donné le rayonnement incident, on peut compter le nombre de particules ayant frappés le cristal (on parlera de "coups") et les classer par énergie.
On obtient ainsi un spectre montrant le nombre de coups par niveau d'énergie. On pourra ainsi observer des pics à des énergies bien précises, correspondant aux énergies des particules incidentes.
Les éléments radioactifs émettant des rayonnements avec des énergies bien précises, on peut retrouver quel élément est la source des rayonnements mesurés.
Comptage
Le détecteur compte les particules.
L'électronique effectue un simple comptage du nombre d'impulsions mesurées par le détecteur. L'impulsion électrique consécutive à une interaction déclenche un circuit électronique (nommé discriminateur) qui se contente d'en signaler l'existence, sans extraire l'information d'énergie. La quantité de déclenchements mesurés peut alors servir à mesurer l'activité d'une source ou la fluence du rayonnement.
Intégration
Le détecteur mesure une intensité de rayonnement en continu. Cela ne permet pas de faire de la spectrométrie.
Les courants induits par les charges collectées sont ici intégrés en continu. La mesure est trop lente pour séparer les contributions individuelles mais on observe un signal à l'image du courant moyen dans le détecteur sur une certaine constante de temps. Ce courant fluctue selon l'intensité du rayonnement, quel qu'il soit.
On peut ainsi localiser des sources d'émission de radioactivité en dotant le détecteur d'un collimateur lui permettant de recevoir les particules selon un angle solide restreint. Le détecteur devient ainsi sensible à la direction. Selon la sensibilité du semi-conducteur, la radioactivité ambiante peut également très vite se superposer au signal utile et noyer les pics intéressants dans un fond continu.
