Bibliographie & annexes
Présentation
En anglais
RÉSUMÉ
Les matériaux scintillateurs sont des convertisseurs d’énergie utilisés dans une grande variété d’applications. Ce domaine scientifique est à l’interface entre chimie, physique du solide et ingénierie de la détection. Cet article décrit le concept de scintillation, les critères de qualité de ces matériaux en fonction des performances attendues et donc des applications. Il se focalise ensuite sur les processus complexes de relaxation d’énergie qui permettent, à partir de l’absorption d’un rayonnement ionisant de plusieurs keV l’émission de centaines ou milliers de photons de quelques eV. Quelques recherches actuelles sont décrites en guise de conclusion.
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Scintillating materials can be viewed as energy converters. They are used in a wide range of applications. The science involved spans materials chemistry, solid-state physics and detection engineering. This article describes the scintillation concept, the quality criteria for these materials with respect to expected performance, and applications. A focus is made on the complex energy relaxation processes, which allow the conversion of ionizing radiation of several keV into hundreds or thousands of visible photons of a few eV. To conclude, a few important ongoing research topics are described.
Auteur(s)
-
Christophe DUJARDIN : Professeur Institut Lumière Matière – UMR 5306 CNRS-Université Lyon 1, Villeurbanne, France
INTRODUCTION
Voir l’invisible, c’est le rôle principal du scintillateur qui convertit en lumière visible l’énergie déposée par des photons X, γ, mais également par des électrons et des neutrons. Chaque flash de lumière ainsi généré pourra donc être détecté par un photodétecteur. Le scintillateur est donc une pièce maîtresse des détecteurs de rayonnements dits ionisants. Il est largement utilisé dans les secteurs du médical, de la sécurité ou bien de l’exploration pétrolière. Il existe une très grande variété de matériaux scintillateurs. Certains sont arrivés à maturité technologique et sont commercialisés en grande quantité, d’autres sont plus exploratoires, développés dans les laboratoires de recherche. Cette large variété de choix s’explique de par la grande variété de paramètres et critères requis pour les différentes applications.
Après une introduction sur la définition de la scintillation et de ses modes d’utilisation, l’article décrit les grands champs d’applications et les secteurs sociétaux associés. Il vise ensuite à expliquer au lecteur, utilisateur potentiel de matériaux scintillateurs, le rôle et l’impact de ses différents critères de qualité. Il propose ensuite une approche pour hiérarchiser l’importance de ces paramètres en fonction de l’application visée, puis traite du mode d’interaction entre les différents rayonnements ionisants et le matériau. Ce dernier est également important pour la sélection du matériau en fonction de l’application. Dans un second temps, les fondements théoriques des processus de relaxation de l’énergie d’excitation sont décrits. Les processus étant relativement complexes, cette approche n’est pas nécessaire pour appréhender la première. Néanmoins, la compréhension fine des processus devient utile pour les utilisateurs orientés sciences des matériaux. En effet, optimiser les performances et les procédés d’élaboration nécessitent une vision relativement globale de cet ensemble de processus de relaxation et transferts d’énergie, ainsi que de luminescence, car de petites modifications de matériaux peuvent aboutir à de grandes modifications de performances. Enfin, la conclusion traite des développements et recherches les plus récentes.
Un glossaire et un tableau des symboles utilisés sont présentés en fin d’article.
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KEYWORDS
medical imaging | ionizing radiation detection | energy convecters
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Présentation
Principaux paramètres et critères de qualité
En anglais
2. Champs d’applications
2.1 Santé
Le premier matériau utilisé pour la détection de rayons X fut involontairement le BaPt(CN)4 en 1895. Cette poudre servait de convertisseur de photons UV, mais elle s’est avérée briller lorsque les tubes cathodiques de Wilhem Röntgen étaient en fonctionnement et protégés de sorte à ce qu’aucune lumière puisse s’en échapper ; c’est ce qui a permis de découvrir les rayons X. La fameuse photographie de Wilhem Röntgen où l’on voit le squelette de la main de sa femme avec la bague est désormais célèbre. La capacité des rayons X à traverser la matière permettait de « voir » à l’intérieur du corps. Très rapidement, l’impact dans le secteur médical fut important, avec notamment le service de radiologie mobile mis en place par Marie Curie lors de la guerre de 1914-1918.
Cependant, les rayons X traversent la matière et donc les plaques photographiques. Un convertisseur est donc interposé (le terme d’écran renforçateur est parfois utilisé). Son but est d’absorber les rayons X au profit de l’émission de photons permettant de sensibiliser les plaques photographiques. Le terme généralement utilisé est « X-ray phosphor ». Le ZnS et le CdWO4 ont rapidement été utilisés, car plus efficaces en termes de brillance et de pouvoir d’arrêt, ce dernier étant lié à la densité du matériau. La radiographie est longtemps restée basée sur ce principe d’un écran de poudre scintillatrice couplée à un film photographique, mais les évolutions des photodétecteurs et des matériaux scintillateurs ont rendu possible des images numériques et dynamiques (vidéos) avec des résolutions spatiales très bonnes (entre 100 et 200 μm selon les configurations). Notons que l’aspect « dynamique » existait avant l’introduction des imageurs numériques. En effet, les intensificateurs d’image remplissent également cette fonction. Le principe consiste en un écran scintillant couplé à une photocathode. Les électrons induits sont accélérés dans un tube à vide et détectés par un écran secondaire. Cet écran secondaire convertit les électrons accélérés en photons. On parle de cathodo-ray phosphor, exactement comme dans nos anciens téléviseurs cathodiques, et qui correspond donc également à un...
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Champs d’applications
BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - SHIMIZU (S.) et al - * - NIM-A, 537, p. 57-60 (2005).
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(2) - BIRKS (J.B.) - The theory and practice of scintillation counting. - Oxford, UK, Pergamon (1964).
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(4) - KNOLL (G.) - Radiation detection measurements. - Wiley (2000).
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(5) - BETHE (H.) - Annalen des physik. - 397, p. 99325-99400 (1930).
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(6) - LECOQ (P.), ANNENKOV (A.), GEKTIN (A.), KORZHIK (M.), PEDRINI (C.) - Innorganic scintillators for detector systems. - Spinger, Berlin (2006).
-
...
DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
ANNEXES
Calcul des spectres de transmission des matériaux https://www.researchgate.net/publication/275207314_ANALYSE_DES_SPECTRES_DE_TRANSMITTANCE_DES_COUCHES_MINCES_PAR_UNE_MODELISATION_MATHEMATIQUE_APPROPRIEE
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SCINT, International Conference on Inorganic Scintillator and their Applications. Cette conférence internationale a lieu tous les deux ans http://Scint.univ-lyon1.fr
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