Qu’est-ce qu’un scintillateur ?
Les scintillateurs sont un terme générique désignant les matériaux qui émettent de la lumière lorsque des particules chargées ou des rayonnements les traversent.
Ils sont classés en scintillateurs inorganiques et en scintillateurs organiques. Les scintillateurs inorganiques conviennent à la détection des rayons γ et des rayons X. Ils sont constitués de cristaux de substances à grand nombre d’atomes, qui émettent de grandes quantités de lumière et ont une bonne résolution énergétique, mais ont un temps de réponse lent. Les scintillateurs organiques comprennent les scintillateurs plastiques et liquides, qui sont peu coûteux, légers et ont un temps de réponse rapide, ce qui les rend adaptés à la détection des rayonnements alpha et bêta.
Les scintillateurs peuvent être utilisés dans un grand nombre de domaines en tant que détecteurs à scintillation en combinaison avec des détecteurs.
Utilisations des scintillateurs
Les scintillateurs convertissent le rayonnement en lumière dans la gamme de l’ultraviolet à la lumière visible. Cette lumière est convertie en signaux électriques par des tubes photomultiplicateurs et des opto-semiconducteurs, et les données sont traitées pour produire des images et d’autres informations sur le rayonnement.
Cette fonctionnalité peut être utilisée dans un grand nombre de domaines, tels que la tomographie par rayons X, la tomographie par émission de positons et d’autres applications de médecine nucléaire, le contrôle des bagages dans les aéroports, l’inspection des aliments, les essais non destructifs de composants électroniques, la prospection pétrolière et minière, la surveillance des rayonnements dans les réacteurs nucléaires et les applications de recherche en physique nucléaire, physique des particules et physique spatiale.
Principe des scintillateurs
Le principe d’émission des scintillateurs diffère entre les scintillateurs inorganiques et les scintillateurs organiques.
1. Scintillateurs inorganiques
Lorsque des particules chargées ou un rayonnement traversent un scintillateur inorganique, les électrons de la bande de valence du réseau cristallin gagnent de l’énergie et sont excités vers la bande de conduction, où ils peuvent se déplacer librement. Lorsque les électrons de la bande de conduction rencontrent les trous de la bande de valence, les électrons retournent dans la bande de valence et une lumière de scintillation d’une longueur d’onde correspondant à la différence d’énergie est produite.
Si le réseau cristallin ne contient pas d’impuretés, l’écart entre la bande de valence et la bande de conduction (bande interdite) est important et la longueur d’onde de la lumière produite est courte. Les impuretés, en revanche, modifient une partie de la structure cristalline et créent de nouveaux niveaux d’énergie dans la bande interdite. L’énergie d’excitation de l’impureté est faible et l’émission est de la lumière visible.
2. Scintillateurs organiques
Les scintillateurs organiques peuvent émettre de la lumière à partir de l’excitation d’une seule molécule plutôt que d’un réseau cristallin. À température ambiante, la plupart des électrons sont dans leur état fondamental et sont excités par l’énergie du rayonnement lorsqu’il les traverse. La plupart des électrons atteignent le premier état excité, qui possède le niveau d’énergie le plus bas des états excités, et émettent de la lumière lorsqu’ils retournent à l’état fondamental. Cette émission est appelée fluorescence, et la lumière produite par les scintillateurs organiques est principalement de la fluorescence.
Certains électrons gagnent tellement d’énergie grâce au rayonnement qu’ils atteignent le deuxième état excité ou plus, et reviennent très rapidement au premier état excité par conversion interne et transition vers l’état fondamental.
Certains des électrons excités au premier état excité subissent une transition intersystème vers l’état triplet de spin, qui émet de la lumière avec le temps et retourne à l’état fondamental ; cette émission est appelée phosphorescence. L’état triplet de spin a un niveau d’énergie plus bas que le premier état excité, de sorte que la longueur d’onde de la phosphorescence est plus grande que celle de la fluorescence. Certains électrons retournent également de l’état triplet de spin au premier état excité, émettent de la fluorescence et retournent à l’état fondamental : c’est la fluorescence retardée.
Structure des scintillateurs
La structure des scintillateurs diffère entre les scintillateurs inorganiques et les scintillateurs organiques.
1. Scintillateurs inorganiques
Les scintillateurs inorganiques comprennent le NaI:Tl, le LSO:Ce, le tungstate de plomb, le silicate de gadolinium (GSO) et le germanate de bismuth (BGO). La formule chimique du tungstate de plomb est PbWO4, tandis que le GSO est Gd2SiO5 additionné de Ce ; le BGO est également connu sous le nom de germanate de bismuth et est représenté par la formule chimique Bi4Ge3O12.
NaI:Tl forme une structure cristalline avec l’halogénure alcalin NaI (iodure de sodium) et le centre luminescent TI (thallium) ; il émet de la lumière lorsque Tl+ passe de 6sp à 6s2 et est souvent utilisé comme étalon pour l’intensité lumineuse. Il est soluble dans les marées et absorbe l’humidité de l’atmosphère, ce qui entraîne sa dégradation.
LSO:Ce est un scintillateur inorganique composé de l’oxyde Lu2SiO5 et du centre luminescent Ce3+ ; il émet de la lumière lorsque Ce3+ passe de 5d à 4f et a une durée de vie luminescente inférieure d’un ordre de grandeur à celle de NaI:Tl.
2. Scintillateurs organiques
Parmi les scintillateurs organiques, on peut citer les scintillateurs à cristaux organiques, les scintillateurs liquides et les scintillateurs en plastique. Les scintillateurs liquides, tels que le naphtalène, ne sont pas solides et ne sont pas facilement endommagés par une forte irradiation.
Les molécules organiques telles que l’anthracène et le stilbène dans les scintillateurs organiques ont une structure pi-électronique et possèdent plusieurs états excités. Elles ne sont souvent pas utilisées car leur réponse est anisotrope et ne peut pas être facilement traitée. L’anthracène a un niveau de luminescence élevé, qui est parfois exprimé en pourcentage du niveau de luminescence d’autres scintillateurs.
Les scintillateurs plastiques fabriqués en dissolvant plusieurs substances organiques luminescentes dans du plastique sont faciles à manipuler et à traiter. Ils conviennent pour les rayons α et β, mais pas pour les rayons γ.