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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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Champs d’applications
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1. Scintillateurs
1.1 Qu’est-ce que la scintillation ?
La luminescence correspond à l’émission froide de lumière par de la matière, cette matière pouvant se présenter sous forme gazeuse, liquide ou solide. Ce phénomène provient d’une relaxation dite radiative entre un état d’énergie excité et un état moins excité ou relaxé de cette matière. C’est un apport d’énergie extérieur au système considéré qui permet de le promouvoir dans l’état excité. La nature physique de l’apport d’énergie distingue les différents types de luminescence. Ainsi, si cet apport d’énergie s’effectue par l’intermédiaire de la lumière, on parlera de photoluminescence, s’il est électrique d’électroluminescence, s’il est chimique de chimie-luminescence. Si le système est irradié par des rayons X et qu’il en résulte une émission de lumière, le terme généralement utilisé est la radioluminescence. Cette radio-luminescence est en fait un cas particulier de la scintillation, qui s’applique dans le cas général d’une excitation par des rayons ionisants.
La scintillation correspond donc à une émission de lumière issue de l’interaction entre la matière et un rayonnement ionisant.
Il existe de nombreux types de rayonnements ionisants et les plus couramment utilisés sont les rayons X, les rayons γ, les neutrons, les électrons, les rayons α. Les matériaux présentant cette propriété sont appelés matériaux scintillateurs.
HAUT DE PAGE1.2 Comment sont utilisés les matériaux scintillateurs ?
Le phénomène de scintillation existe dans les gaz, les liquides et les solides. C’est néanmoins à l’état solide que les scintillateurs sont majoritairement utilisés, et nous focaliserons cet article sur ces derniers. Quelle que soit la grandeur à mesurer, les détecteurs modernes nécessitent une conversion en un signal électrique mesurable. Lorsque les rayonnements ionisants interagissent avec la matière, par définition ils la ionisent. Cela sous-entend qu’ils génèrent un grand nombre de charges libres. Si ce matériau est un semi-conducteur et qu’il...
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Scintillateurs
BIBLIOGRAPHIE
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(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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(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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