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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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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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7. Conclusion
Comme cela a été indiqué plus haut, le scintillateur universel n’existe pas et chaque application nécessite un compromis parmi les nombreux critères de qualité. L’émergence d’applications très spécifiques ou bien l’amélioration des photodétecteurs peut nécessiter des fonctionnalités très particulières amenant le monde de la recherche à se focaliser sur ces performances encore inégalées avec les matériaux connus à ce jour, et ce, malgré l’extraordinaire grand nombre de matériaux déjà étudiés. Voici quelques exemples de thèmes de recherches actifs :
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Fast timing : une réponse ultra rapide permet d’assigner une « date » à l’événement. Si ce marqueur de temps est très précis (< 1 ns), alors une information sur le temps de vol du photon γ détecté peut être obtenue, ce qui permet, dans le cas par exemple de l’imagerie par émission de positons, d’améliorer de manière très significative le rapport signal/bruit. Avec les meilleurs échantillons de Lu2SiO5:Ce3+ (LSO), les records actuels se situent avec une résolution autour de 100 ps . Les projets de recherche actuels visent néanmoins 10 ps et aucune solution n’a été trouvée à ce jour. De nouveaux modes de luminescence ultra rapide tels que la luminescence de bandes très excitées , ou bien l’usage de nanostructures permettant des effets de confinements quantiques propices à l’accélération des performances temporelle sont envisagés . Cependant, ces approches n’en sont qu’à leurs balbutiements ;
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Amélioration...
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BIBLIOGRAPHIE
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(6) - LECOQ (P.), ANNENKOV (A.), GEKTIN (A.), KORZHIK (M.), PEDRINI (C.) - Innorganic scintillators for detector systems. - Spinger, Berlin (2006).
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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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