PARTICULES (DÉTECTEURS DE) - Détecteurs électroniques

PARTICULES (DÉTECTEURS DE) - Détecteurs électroniques

Les détecteurs servent à compter les particules émises par des noyaux ou des atomes instables, à mesurer leur flux moyen, leur énergie, leur position spatiale, ou à déterminer leur nature. Les problèmes varient suivant la nature des rayonnements dont l’interaction avec la matière conditionne le choix du type de détecteur. Mais, en règle générale, l’impulsion électrique finale est commandée par l’interaction électromagnétique du rayonnement, ou du produit de ses réactions, avec les milieux détecteurs; ces derniers sont limités à quelques classes importantes que nous utilisons pour diviser cet article.

La libération d’ions et surtout d’électrons est exploitée dans les détecteurs gazeux, liquides ou solides, décrits dans le chapitre 1.

La détection des photons différés, produits dans les scintillateurs, est décrite au chapitre 2.

L’émission instantanée de photons, due à l’interaction cohérente avec les atomes d’un milieu homogène ou hétérogène, est exploitée dans le compteur de Tcherenkov ou à radiation de transition et est décrite au chapitre 3.

1. Détection des électrons et des ions libérés dans les milieux détecteurs

Détecteurs à remplissage gazeux

Une particule chargée traversant un gaz ionise celui-ci par des collisions avec le cortège électronique. Les électrons éjectés peuvent rester libres, dans les gaz nobles par exemple, ou être rapidement capturés par certaines molécules, comme l’oxygène. Si un champ électrique est appliqué dans le milieu ionisé, une grande diversité de phénomènes peut être observée, suivant la nature des gaz et l’intensité du champ électrique. L’exploitation de ces phénomènes conduit à divers types de détecteurs.

Si le champ électrique est faible et que les électrons n’acquièrent pas suffisamment d’énergie entre deux collisions atomiques pour exciter ou ioniser les niveaux atomiques qui sont en général supérieurs à 10 électrons-volts (eV), les électrons se déplacent dans la direction du champ. Leur vitesse de dérive varie avec le gaz, et la figure 1 illustre cette diversité de comportement dans quelques gaz couramment utilisés. La mesure de cette vitesse, pour déterminer la position des particules ionisantes, est exploitée dans les chambres à dérive pour mesurer les positions.

Si le champ électrique est plus intense, il peut y avoir excitation des atomes, sans ionisation. Dans certains gaz, cette excitation se traduit par l’émission de photons dans l’ultraviolet lointain. Ce phénomène est lié, dans les gaz rares, à la formation de molécules appelées états exomères; et ces photons sont distribués en raies larges, d’environ 1 eV, caractéristiques des divers gaz. La figure 2 montre le spectre typique de quelques gaz rares. Les photons jouent un rôle clef dans les compteurs proportionnels à scintillation stimulée. Ils gouvernent les mécanismes de propagation des décharges dans les compteurs Geiger-Muller , les compteurs à décharges limitées , les chambres étagées à avalanches.

Lorsque le champ électrique est suffisamment intense, les électrons acquièrent assez d’énergie pour produire à leur tour des collisions ionisantes. Il y a alors une multiplication électronique qui peut atteindre au maximum, en régime permanent, une valeur qui varie de 10³ à 10⁷ suivant la nature du gaz. Au-delà, les phénomènes de propagation, dus en particulier aux photons ultraviolets mentionnés ci-dessus, entrent en jeu, et des avalanches multiples, étendues dans l’espace, peuvent soit conduire à des décharges incontrôlables soit être exploitées dans certains détecteurs.

Les conditions de champ électrique régnant dans un détecteur ne sont pas toujours uniformes. Dans certaines structures, il peut y avoir des zones où règnent successivement les diverses conditions que nous avons énumérées, et cela contribue à la grande diversité des détecteurs gazeux que l’on rencontre dans les expériences.

Le mélange gazeux dépend souvent étroitement de l’utilisation du détecteur. L’interaction primaire avec le rayonnement peut conditionner le choix de certaines composantes. Ainsi, pour absorber les neutrons lents avec grande efficacité, on utilise le fluorure de bore ou l’hélium 3; pour les rayons X, on utilise le xénon ou le krypton; pour les particules chargées, le critère recherché est souvent le gain maximal permis. En raison de son bas prix, l’argon est souvent une composante majeure des mélanges utilisés. Les additifs que l’on trouve fréquemment (méthane, isobutane, gaz carbonique, alcool... ) ont des fonctions variées: empêcher la propagation des rayons ultraviolets qui conduisent à des étincelles, empêcher le dépôt d’hydrocarbures polymérisés isolants sur les cathodes, contrôler le temps de résolution en agissant sur les vitesses de dérive. L’énergie moyenne nécessaire pour libérer un électron varie, suivant les gaz, entre 20 et 35 eV.

Dans tous les grands systèmes dont l’étanchéité est difficile à réaliser, on emploie en général un flux continu de mélange gazeux rejeté dans l’atmosphère. Les gaz capturant les électrons, comme l’oxygène, sont même en petite proportion des poisons réduisant l’amplification. Mais, dans certains cas, on introduit volontairement certains composants fortement électronégatifs (comme le fréon), en très faible quantité, pour limiter la région sensible à un millimètre des fils seulement, par exemple.

Enfin, il faut noter le développement récent des compteurs à photo-ionisation. Des composants gazeux dont le potentiel d’ionisation est exceptionnellement bas, comme le triéthylamine (7,5 eV) ou le tétrakis (5,4 eV), permettent de détecter des photons dans l’ultraviolet lointain, en équipant la chambre avec une fenêtre adéquate, transparente à ces photons.

Chambres d’ionisation

Dans une chambre d’ionisation, le champ électrique entre deux électrodes est utilisé pour collecter les ions produits dans le gaz, sans aucune multiplication. Les chambres servent en général à mesurer le flux moyen de rayonnement. Elles sont un élément important des instruments utilisés pour la dosimétrie des rayonnements ionisants (tabl. 1). En raison de la stabilité de ce mode de détection, liée à l’absence de fluctuations des processus de multiplication, on peut effectuer des mesures de flux moyen avec une précision proche de 10^-4, difficile à atteindre avec toute autre méthode; c’est pourquoi il est utilisé lorsque la précision est un facteur important, par exemple comme cellule de détection de rayons X dans certains scanners modernes.

Il est aussi possible de détecter individuellement les particules lorsque celles-ci libèrent suffisamment d’électrons qui produisent une impulsion de charge supérieure au bruit d’entrée des amplificateurs. C’est ainsi qu’il est aisé de détecter les produits de recul de la fission nucléaire ou bien les particules 見. Toutefois, les progrès de l’électronique ont reculé considérablement les limites de détection des particules ionisantes. Les meilleurs amplificateurs électroniques ont désormais un bruit de fond à l’entrée dont le niveau se situe au niveau de 100 électrons; toute particule perdant beaucoup plus de 100 électrons dans le gaz peut alors être détectée. Dans les compteurs à amplification gazeuse, toutefois, cette limite est ramenée aisément à un seul électron, même avec des amplificateurs peu performants.

Compteurs proportionnels à fils

Dans le compteur le plus simple, un fil très fin, de quelques dizaines de microns de diamètre, est tendu dans l’axe d’un cylindre par rapport auquel il est porté à un potentiel positif (fig. 3 a). Le champ électrique varie en fonction inverse de la distance à l’axe. Le potentiel appliqué aux électrodes varie avec le remplissage gazeux, dont la pression, suivant l’utilisation, peut varier d’une centaine de pascals à des dizaines de mégapascals, mais se situe en général au voisinage de la pression atmosphérique. Il est choisi de façon que règne, au voisinage du fil, un champ électrique conduisant à une multiplication des électrons. À la pression atmosphérique, le libre parcours moyen d’un électron dans le gaz, pour produire une collision ionisante, est voisin de 1 micromètre. Les gains habituels d’un compteur, en régime stable, dépassent rarement 10⁵, et tout le processus de multiplication se développe sur une distance inférieure à 15 micromètres. Les électrons sont rapidement collectés par le fil. Il est important de noter que leur collection n’induit pas en général d’impulsion détectable. En effet, la charge induite sur une électrode collectrice est proportionnelle à la chute de potentiel sur le chemin parcouru par la charge. Or l’électron ne parcourt, sur 15 micromètres, qu’une infime partie du potentiel total appliqué. Les ions positifs, au contraire, doivent parcourir presque toute la distance entre le fil et la cathode, et c’est leur mouvement qui induit les charges observées. Il importe d’avoir à l’esprit le rôle des ions positifs pour comprendre les phénomènes qui gouvernent les chambres proportionnelles.

Le temps de résolution d’un compteur proportionnel (tabl. 1), c’est-à-dire la précision avec laquelle il peut définir le temps de passage d’un phénomène ionisant, est égal au temps maximal que met un électron libéré dans le gaz pour arriver à la région multiplicatrice. Il atteint environ 0,5 microseconde pour un diamètre de 1 centimètre. En raison de ce mauvais temps de résolution ce compteur a été détrôné, pendant plusieurs décennies, par le compteur à scintillation, plus rapide. Son utilisation s’est néanmoins trouvée considérablement étendue lorsque les structures multifils ont permis de gagner un grand facteur dans le temps de résolution, en même temps qu’elles permettaient de localiser les particules. L’intérêt de ce compteur monofil subsiste pour la détection des rayons X mous. Ceux-ci produisent dans le gaz, par effet photo-électrique, un électron de faible parcours, libérant un nombre d’électrons proportionnel à l’énergie du photon, qui donnent, après multiplication près du fil, une impulsion proportionnelle à l’énergie dont la résolution est voisine de 13 p. 100 (largeur à mi-hauteur) à 6 KeV et varie comme E size=1^漣1/2. C’est une résolution bien plus médiocre que celle qui est obtenue avec les détecteurs à semi-conducteurs, mais c’est un appareil plus simple et moins coûteux.

Dans la chambre multifils, une nappe de fils fins est placée en sandwich entre deux électrodes par rapport auxquelles elle est portée à un potentiel positif. Le champ électrique régnant dans une enceinte comporte deux régions: l’une très voisine des fils est radiale, exactement comme dans un compteur cylindrique, l’autre est uniforme (fig. 3 b).

Les électrons libérés dans le gaz migrent jusqu’à la région des fils où ils rencontrent un champ suffisant pour provoquer la multiplication. La collection des électrons ne provoque pas, en général, d’impulsion détectable comme dans le compteur monofil. Le mouvement des ions positifs qui s’éloignent de la nappe de fils provoque une série de phénomènes qui confèrent à cette structure son intérêt:

– ils induisent sur le fil, siège de l’avalanche, une impulsion négative;

– ils induisent, sur les fils voisins, des impulsions positives, ce qui permet la localisation du fil collectant les charges;

– ils induisent sur les cathodes des charges positives dont la distribution est centrée sur la position de l’avalanche. Si la cathode est subdivisée en bandes perpendiculaires aux fils d’anode et dans lesquelles on mesure l’intensité des charges induites, le centroïde des charges fournit, avec une précision meilleure que 100 micromètres, la position de l’avalanche.

Cette propriété est primordiale pour la détection des rayonnements, comme les rayons X, dont on peut déterminer les deux coordonnées du point d’absorption. On peut, avec une mesure suffisamment précise des impulsions induites par le mouvement des ions, déterminer la position des points d’absorption entre les fils d’anode; cela confère à ce détecteur les propriétés d’un écran de localisation presque continu, à deux dimensions pour les rayons X mous, d’énergie inférieure à 20 KeV environ.

Le développement de ce détecteur, en physique des hautes énergies, a été lié au fait qu’on a pu réaliser des grandes surfaces de localisation, de dizaines ou centaines de mètres carrés, nécessaires dans ce domaine de la physique, combinées avec un bon temps de résolution, voisin de 50 nanosecondes (ns). Celui-ci est en partie déterminé par la distance entre les fils qui peut être voisine de 1 millimètre. À titre d’exemple, le premier grand détecteur de ce genre au Cern (Laboratoire européen pour la physique des particules) à Genève, comportait 70 000 fils de 2 mètres de longueur. Le développement de composants électriques à bon marché, parallèle à celui de ces chambres, a joué un grand rôle pour l’essor de ces systèmes. Dans tous les phénomènes de physique où se rencontrent les problèmes de localisation de particules ionisantes, l’emploi de ce détecteur s’est généralisé, par exemple pour l’équipement des plans focaux des spectromètres magnétiques.

Chambres à dérive

Dans une chambre à dérive, on mesure l’intervalle de temps qui sépare la production de l’ionisation primaire dans le gaz de l’arrivée des électrons d’ionisation dans la région d’amplification où ils produisent un signal détectable. La figure 3 c montre une cellule de chambre à dérive.

Les traits caractéristiques de cette méthode sont les suivants:

– une électronique simple permet d’atteindre une précision de l’ordre de 2 nanosecondes dans la mesure du temps de dérive, ce qui donne une précision spatiale de 100 microns pour l’ionisation initiale;

– la distance entre les fils détecteurs peut être de plusieurs centimètres, ce qui réduit considérablement le nombre de fils et permet, par la répétition d’éléments comme celui de la figure 3 d, d’obtenir de grandes surfaces de détection.

Il est courant d’utiliser des chambres dont la surface sensible est de 25 m². C’est pourquoi ce détecteur est devenu l’élément privilégié pour les grandes surfaces de localisation de haute précision, irradiées par des flux modérés. Le flux est limité par les ambiguïtés introduites par les particules détectées simultanément dans une cellule de dérive.

Compteurs à faces parallèles

La structure à faces parallèles conduit à des champs électriques uniformes qui ne sont pas favorables à l’obtention de multiplications élevées, car cette structure est plus favorable, à champ moyen égal, à la propagation des étincelles entre les électrodes. Pendant longtemps, ce détecteur a été confiné à la détection de particules très ionisantes, nécessitant de faibles gains (inférieurs à 10³), en raison de son excellent temps de résolution, voisin de 1 nanoseconde. Celui-ci est dû au fait que l’amplification d’une charge est une fonction exponentielle de sa distance à l’électrode positive; alors, les électrons qui contribuent à l’impulsion sont confinés ou localisés dans une bande très mince située contre l’électrode négative, ce qui évite la dispersion des temps caractéristiques d’une structure cylindrique, ou, au contraire, c’est la multiplication qui est confinée dans une fraction minime du volume, voisine du fil.

Ce compteur connaît un regain d’intérêt avec l’introduction des détecteurs à étages (fig. 3 d). Il est en effet possible d’extraire des électrons produits entre deux grilles parallèles et de les transférer soit dans une chambre à fils, soit dans une autre structure à faces parallèles. Cela conduit à des gains similaires à ceux d’une chambre à fils, car les mécanismes responsables de la propagation des étincelles sont fortement réduits. Il est alors possible d’atteindre, avec de telles structures, des gains permettant de détecter un seul électron libéré dans l’intervalle d’entrée.

L’intérêt de ces chambres tient surtout à deux caractéristiques. D’abord, on peut placer des grilles de contrôle entre deux intervalles d’amplification et n’accepter, dans les circuits électroniques finals, que des événements présélectionnés par des compteurs auxiliaires. Ensuite, en raison de la dépendance exponentielle du facteur d’amplification, les avalanches de l’étape finale sont nourries surtout par les électrons libérés près de la cathode d’entrée; alors, lorsque des traces de grand parcours traversent le premier intervalle, on peut localiser le point de la trajectoire proche de la cathode d’entrée. Cela donne une image précise d’émetteurs d’électrons placés contre la fenêtre; on trouve des applications pratiques pour la chromatographie sur papier ou gels des éléments radioactifs et pour l’«imagerie» des neutrons lents, avec des convertisseurs minces de gadolinium qui absorbent les neutrons lents en émettant des électrons.

Compteurs à gaz non proportionnels

Si on augmente le champ électrique qui règne au voisinage d’un fil, au-delà d’une valeur critique dépendant de la nature du gaz et du diamètre du fil, il peut y avoir émission de photons dans l’ultraviolet lointain. Si le mélange gazeux contient une composante qui peut être ionisée par ces photons, il peut alors s’établir divers types de décharges dont chacun donne naissance à un type particulier de compteur.

Compteurs Geiger-Müller

Les photons produisent des avalanches qui se propagent tout le long du fil, à une vitesse voisine de 5 cm/ 猪s, et entourent tout le fil. Aux temps héroïques de l’électronique à tubes, ce compteur présentait un intérêt particulier car la charge produite était énorme par rapport à celle d’un compteur proportionnel. À présent, le prix négligeable d’un amplificateur, qui est inférieur à celui de n’importe quelle pièce mécanique utilisée pour fabriquer le compteur, annule cet avantage. L’inconvénient de ce mode de fonctionnement est que le compteur a un temps de paralysie considérable, qui est dû au délai nécessaire pour que la gaine des ions positifs, entourant le fil et neutralisant le champ externe appliqué, soit collectée par la cathode. Ce temps est de l’ordre d’une fraction de milliseconde. Il faut noter que ce temps mort est le même en fonctionnement proportionnel, mais il est limité alors à l’extension latérale d’une avalanche le long du fil, qui est de l’ordre de 0,1 millimètre seulement en général (tabl. 1).

Compteurs à décharges limitées

Ces dernières années ont permis la mise en évidence d’un mode de fonctionnement particulier, caractérisé par la propagation limitée d’un chapelet d’avalanches le long du fil, ou bien, radialement, vers la cathode, sur une distance du quelques millimètres. La collection des électrons est alors capable d’induire une impulsion très rapide, cent fois plus grande qu’avec un compteur proportionnel, sans avoir l’inconvénient majeur des compteurs de Geiger-Müller, d’une zone morte s’étendant à tout le fil pendant une longue durée.

De nombreux problèmes de physique moderne, comme la recherche de la vie moyenne du proton ou la physique du neutrino, demandent la construction de détecteurs atteignant des milliers de tonnes, comportant des dizaines de milliers de compteurs proportionnels; ce mode de fonctionnement est choisi en raison de la simplification de l’électronique entraînée par les caractéristiques de ces impulsions.

Compteurs à étincelles

Il est possible de construire des compteurs dans lesquels l’amplification est poussée jusqu’au stade où une étincelle se produit au point de production de l’ionisation initiale. Ils sont peu utiles en raison du temps considérable nécessaire pour que le compteur puisse être déclenché à nouveau. Un nouvel intérêt est né pour ce type de détecteur; en effet, les travaux de Pestov et Fedotovitch ont montré qu’avec une structure spéciale, comportant une électrode de verre faiblement conducteur, il était possible d’obtenir un temps de résolution de quelques dizaines de picosecondes (10^-12s), qui n’est atteint par aucun autre détecteur. Il permet d’effectuer des mesures de temps de vol sur des bases très courtes. La paralysie de compteur est seulement locale en raison de la présence du verre et permet de grands taux de comptage.

Compteurs proportionnels à scintillation stimulée par les champs électriques

Le fonctionnement des compteurs, dans un régime d’amplification où les électrons d’ionisation sont utilisés pour exciter les atomes de gaz nobles sans les ioniser et pour produire l’émission de photons dans l’ultraviolet lointain, trouve un intérêt croissant en raison de deux faits:

– l’absence de multiplication des charges électriques permet d’atteindre des taux de comptage beaucoup plus élevés que les compteurs à amplification électronique;

– la détection des photons ultraviolets permet de réaliser des détecteurs de rayons X dont la résolution en énergie est meilleure que celle des compteurs à amplification électronique (tabl. 1); on obtient des résolutions (largeur à mi-hauteur) de 50 eV pour des photons de 150 eV, de 500 eV pour des photons de 6 keV, et de 2 keV pour des photons de 60 keV. La détection des photons ultraviolets se fait soit avec des photomultiplicateurs soit avec des chambres à fils remplies d’une vapeur photo-ionisable (fig. 3 e). Dans ce dernier cas, on réalise des caméras à rayons ultraviolets ayant une précision de l’ordre de 1 millimètre.

Détecteurs liquides

Les détecteurs liquides, pour lesquels les phénomènes d’interactions exploités sont les mêmes que ceux qui sont rencontrés dans les détecteurs gazeux, ont des applications plus restreintes. Les exigences de pureté sont plus grandes en raison de la densité élevée.

Citons la chambre d’ionisation à liquide organique dont le pouvoir d’arrêt aux rayons X et 塚 est identique à celui des tissus humains entre 25 keV et 20 MeV, ainsi que la chambre d’ionisation à impulsions et à argon liquide. Pour ce dernier type, l’argon a les mêmes propriétés qu’un gaz noble sous haute pression; on l’utilise, en général, avec des plaques de métal intercalées afin de réaliser des détecteurs massifs de dizaines de tonnes destinés à absorber totalement les rayonnements de très haute énergie. Il fournit alors une impulsion de charge proportionnelle à l’énergie totale. Un tel détecteur est appelé calorimètre en physique des hautes énergies.

La résolution typique qu’il permet d’obtenir est de 10 p. 100 (largeur à mi-hauteur) pour des électrons de 10 GeV, tandis que le même calorimètre utilisant des chambres à fils ne permet d’atteindre que 30 p. 100. La perte d’énergie d’une particule ionisante dans un liquide est suffisante pour détecter les particules au minimum d’ionisation, dans des détecteurs minces sans aucun processus d’amplification. Mais l’argon liquide est peut-être en voie d’être détrôné par des liquides organiques comme le TMS (Tetramethylsilane) ou le TMP (Tetramethylpropane), purifiés suffisamment pour qu’ils conduisent les électrons sur de grandes distances. Des calorimètres de centaines de tonnes sont en voie de construction avec ces liquides qui ont l’avantage de fonctionner à la température ambiante. On a pu également faire des chambres à fils, avec une amplification modérée ne dépassant pas 10, dans des milieux de gaz noble condensés intéressants, en raison des avantages du xénon condensé pour la détection et la localisation de rayons 塚 utilisés en médecine (tabl. 1). Ces recherches ne semblent pas devoir déboucher vers des appareils d’emploi facile.

Détecteurs semi-conducteurs

Les détecteurs semi-conducteurs sont essentiellement des chambres d’ionisation solides (fig. 4), dans lesquels la perte d’énergie nécessaire pour libérer les électrons est voisine de 3 eV, contre près de 30 eV dans un gaz et 1 000 eV dans la combinaison scintillateur-photomultiplicateur.

Cela leur confère leur principale propriété, qui est une résolution en énergie exceptionnelle. Celle-ci a révolutionné les domaines de la physique où la spectroscopie des rayons 塚 jouait un rôle primordial, en particulier l’étude de la structure nucléaire. La grande résolution en énergie est intéressante pour les applications liées à la possibilité d’identifier des atomes par leurs émissions de rayons X ou 塚, nucléaires ou atomiques (tabl. 1).

C’est le silicium et le germanium qui sont les deux éléments essentiels de ces détecteurs. La figure 4 montre la structure typique d’un détecteur à germanium. Celui-ci a un numéro atomique Z = 32 et une densité de 5,33 g/cm³, contre Z = 14 et une densité de 2,33 g/cm³ pour le silicium. Le premier est donc plus avantageux pour les rayonnements X ou 塚, mais il doit être employé à la température de l’azote liquide. Il doit même être stocké à basse température s’il est dopé au lithium, tandis que les cristaux de grande pureté, dits intrinsèques, peuvent être conservés à la température ambiante sans être détériorés. La résolution varie avec l’énergie des rayons 塚; on atteint, pour des énergies de 6, 122 et 661 keV, des résolutions respectives de 0,15, 3,3 et 4,3 keV (largeurs à mi-hauteur), ce qui est de dix à vingt fois mieux qu’avec le meilleur scintillateur, l’iodure de sodium activé au thallium (INaCTl).

Des cristaux de germanium de plus de 10 cm³ sont réalisables, mais le prix élevé interdit les volumes comparables à ceux des scintillateurs. C’est pourquoi, malgré leurs performances supérieures, leur usage n’a pas supplanté ceux-ci, en médecine nucléaire par exemple. Le silicium peut être utilisé à la température ambiante. En physique nucléaire de basse énergie et en raison de la taille des détecteurs, c’est un outil privilégié pour la détection des particules, leur identification et la mesure des pertes d’énergie. On peut également localiser le point d’impact d’une particule en comparant les courants recueillis en divers points du détecteur.

Les besoins de la physique des hautes énergies ont conduit à rechercher des détecteurs permettant de localiser les particules relativistes avec une précision de quelques micromètres. Il est en effet souvent important de pouvoir obtenir la signature de particules ayant une très faible durée de vie, se désintégrant à une distance de quelques dizaines de micromètres de leur lieu de production. Un effort de recherche considérable a permis de réaliser des détecteurs à semi-conducteurs ayant une résolution de 5 猪m. Deux approches sont surtout utilisées: les détecteurs ayant un substrat de silicium et des électrodes faites de bandes ayant une largeur de 20 猪m (fig. 5), et des détecteurs basés sur des matrices à transfert de charges (appelées CCD), couramment employées pour les images vidéo. Les techniques ainsi dévoloppées auront rapidement des retombées dans tous les domaines où la localisation précise de rayonnements ionisants X, 廓, X ou 塚, est un problème important.

En médecine, l’intérêt de détecteurs de haute résolution en énergie, mais pouvant fonctionner à la température ambiante, conduit à une recherche prometteuse sur les propriétés des cristaux détecteurs de grand numéro atomique, donc plus efficace pour les rayons 塚: l’iodure mercurique (HgI²) et le tellurure de cadmium (CdTe).

2. Détection des photons différés dans des milieux scintillateurs

Le scintillateur est un élément dans lequel une particule provoque l’émission de lumière détectée par une cellule photo-électrique sensible, le photomultiplicateur, capable en général de fournir une impulsion électrique pour chaque photon absorbé par effet photo-électrique sur une surface photosensible (fig. 6). Les scintillateurs peuvent être solides, liquides, ou gazeux.

Les scintillateurs inorganiques sont constitués de cristaux purs dopés par une impureté. Le plus important d’entre eux est l’iodure de sodium dopé avec du thallium dans la proportion de 1 p. 1 000 environ.

Les rayonnements ionisants perdent leur énergie par interaction avec le réseau d’iodure de sodium, mais l’énergie est transférée avec une efficacité voisine de 12 p. 100 au thallium qui émet la lumière dans une large bande autour de 3 eV (430 nm). Celle-ci est favorable à la détection efficace par les photomultiplicateurs. NaI(Tl) est le plus employé des cristaux en raison de sa résolution en énergie qui atteint 7 p. 100 pour des photons de 662 keV, de sa bonne efficacité aux rayons 塚 due à l’iode, et de son prix modéré qui permet de réaliser des cristaux d’un diamètre de 40 à 50 centimètres indispensables pour l’imagerie nucléaire médicale. C’est d’ailleurs là que son usage est le plus répandu. Avec un ensemble de photomultiplicateurs recueillant les impulsions lumineuses provoquées par l’absorption de rayons 塚 émis par des radioéléments injectés dans des organes humains, il est possible de déterminer, avec des collimateurs appropriés, la position des atomes émetteurs à 0,5 centimètre près. Des milliers de telles caméras, inventées par O. Anger, sont employées dans les hôpitaux (tabl. 2).

Des cristaux de taille modeste sont couramment utilisés en laboratoire lorsque la résolution en énergie, qui est dix fois moins bonne que celle des détecteurs semi-conducteurs, est suffisante. Des cristaux gigantesques de plusieurs tonnes sont employés en physique des hautes énergies, en raison de leur résolution exceptionnelle, de 1 à 2 p. 100 de 4 à 14 GeV. Leur usage est alors limité uniquement par leur prix.

Parmi les autres cristaux scintillateurs, citons le florure de barium (BaF²), l’iodure de césium (CsI) et surtout le germanate de bismuth (Bi⁴Ge³¹²). Ce dernier a une densité de 7,3 contre 3,6 pour NaI, et un numéro atomique moyen plus élevé qui le rend plus efficace, à épaisseur égale. En dépit d’un prix très élevé, ses caractéristiques sont telles qu’un effort intense de développement est observé. Il a été adopté dans certains modèles de scanners à rayons X au lieu des cellules à xénon, et son emploi se généralisera si son prix baisse. Aux hautes énergies, sa longueur de radiation plus petite compense le prix et, en permettant une réduction de taille, il conduit à des détecteurs moins chers, surtout s’il y a un champ magnétique.

Il faut noter que les photomultiplicateurs n’ont plus le monopole de la détection des photons émis par les scintillateurs. Les progrès des photodiodes à semi-conducteurs les font parfois préférer dans certaines applications en raison de leur plus faible encombrement ou prix. La récente introduction des vapeurs photo-ionisables dans les détecteurs gazeux permet à ceux-ci de détecter les photons ultraviolets émis par un scintillateur comme le fluorure de Barium (BaF²). La résolution spatiale des chambres à fils combinée au prix beaucoup plus bas comparé à celui des photomultiplicateurs a ouvert des possibilités nouvelles considérables pour la calorimétrie des rayons 塚 aux hautes énergies ou pour des applications nouvelles en imagerie médicale.

Beaucoup de corps organiques émettent de la lumière lorsqu’ils absorbent des radiations ionisantes. Citons les cristaux d’anthracène de stilbène, les solutions cristallines comme l’anthracène dans le naphtalène ou les solutions de plastiques: le p -terphényl dans le xylène ou le toluène (liquide) ou dans le polystyrène ou le polyvinyl-toluène (solide). On ajoute souvent dans ceux-ci une composante ternaire, telle le 1, 4-bis-(2-(5-phényloxyloxazolyl))-benzène, connu sous le nom de Popop. Leurs caractéristiques principales sont le temps de réponse rapide et leur prix très bas. C’est pourquoi ils constituent un outil privilégié en physique des hautes énergies où ils permettent de réaliser des surfaces de détection de dizaines de mètres carrés, avec une résolution en temps de l’ordre de 1 nanoseconde, c’est-à-dire de dix à cent fois meilleure que celle des chambres à fils. Ils sont employés dans les faisceaux intenses et servent souvent à la présélection des événements intéressants admis dans des systèmes plus complexes, lents, fondés sur des détecteurs gazeux dont la localisation est bien plus précise.

Dans le domaine des rayons 塚, le numéro atomique très bas des composantes leur procure une faible efficacité. Aux très hautes énergies, toutefois, la combinaison de plaques de métal et de scintillateurs en fait un calorimètre très employé, car il permet de réaliser un ensemble dont la masse est suffisante pour absorber totalement une particule et le produit de ses réactions; sa résolution modérée, 10 p. 100 (largeur à mi-hauteur) à 10 GeV, est la même que celle des calorimètres à argon liquide, mais avec des possibilités de localisations moindres (tabl. 2). Un progrès considérable, qui a beaucoup compté dans le développement des applications de ces scintillateurs, a été l’introduction de barres de conversion de lumière. Celles-ci sont des bandes de plastique, contenant une composante qui absorbe les photons du scintillateur et réémet, dans un domaine de longueurs d’onde plus élevées, des photons guidés par réflexions totales jusqu’au photomultiplicateur.

Les scintillateurs liquides sont moins commodes à manipuler, mais permettent de réaliser à bas prix de très grands volumes. Des solvants peu coûteux, comme des huiles minérales, peuvent aussi être utilisés.

Enfin, on peut dissoudre dans les scintillateurs organiques des composantes ayant des propriétés nucléaires spéciales, par exemple des sels de cadmium ou de bore pour l’absorption des neutrons thermiques.

3. Détection des photons instantanés produits par interaction cohérente avec les milieux détecteurs

Lorsqu’une particule chargée rapide traverse des milieux matériels, il existe des formes d’interaction électromagnétique où la charge en mouvement interagit de façon cohérente avec tous les atomes du milieu, cela donne lieu à une émission de photons dont la contribution à la perte totale d’énergie est négligeable, mais dont les caractéristiques (intensité, angle d’émission) sont liées à des paramètres cinématiques importants: la radiation de Tcherenkov dans des milieux homogènes et la radiation de transition dans les milieux hétérogènes.

Compteurs de Tcherenkov

Lorsqu’une particule chargée traverse un milieu avec une vitesse v supérieure à la vitesse de la lumière c /n dans ce milieu, où c est la vitesse de la lumière dans le vide et n l’indice de réfraction du milieu, il y a émission de photons faisant un angle avec la trajectoire tel que cos = vnc .

La distribution d’intensité lumineuse, en fonction de l’énergie des photons, est constante par unité d’intervalle d’énergie. La détection des photons peut être effectuée à l’aide de chambres proportionnelles remplies d’une vapeur photo-ionisable ou, plus fréquemment, de photomultiplicateurs. Le milieu «radiateur» peut être un gaz, un liquide ou un solide. Les gaz ont un indice de réfraction ajustable au moyen de la variation de la pression (tabl. 3).

Les détecteurs de Tcherenkov sont utilisés de deux façons: les particules dont la vitesse est inférieure à un certain seuil n’émettent pas de photons. Cela permet, si la quantité de mouvement ou l’énergie des particules est connue par ailleurs, de discriminer des particules suivant leur masse. Si on peut mesurer l’angle d’émission, on dispose aussi de la mesure de la vitesse des particules au-dessus de ce seuil. On est capable aujourd’hui de séparer des pions ou des kaons ayant des énergies égales à 300 GeV. Au-delà d’une certaine vitesse, l’angle change trop peu pour que l’on puisse mesurer sa variation.

La pression des gaz ne peut être poussée au-delà de certaines limites, et on a développé des milieux hétérogènes qui simulent les gaz sans haute pression: les aérogels. Avec des grains de silice de quelques nanomètres, on réalise des gels dont la densité est très inférieure à 1 et dont l’indice de réfraction peut descendre à 1,02. Si la longueur d’onde du rayonnement de Tcherenkov est plus grande que la taille des grains, le milieu se comporte comme un milieu homogène. Ces aérogels ont pris une très grande importance dans beaucoup d’expériences de hautes énergies où des centaines de cellules de Tcherenkov aident à identifier les particules dans des réactions à haute multiplicité.

On utilise des blocs de verre au plomb, très denses, pour contenir tous les électrons de gerbes de très haute énergie provoquées par des rayons 塚 ou des électrons. Le rayonnement de Tcherenkov produit dans le plomb donne une résolution en énergie de 5 p. 100 (largeur à mi-hauteur) à 10 GeV, avec une bonne discrimination contre les hadrons dont les gerbes ne sont pas contenues dans les blocs de verre qui, de plus, ne réagissent pas aux fragments nucléaires trop lents.

L’introduction de détecteurs gazeux avec des composantes photo-ionisables a étendu le domaine d’applications de la radiation de Tcherenkov. Il est possible, avec des systèmes optiques simples, de focaliser tous les photons Tcherenkov émis sous un angle donné, correspondant à une vitesse donnée, sur un anneau dont le rayon donne la vitesse de la particule. La localisation des photons Tcherenkov se fait à l’aide de chambres à fils ou à dérive remplies d’une vapeur photo-ionisable. Ces détecteurs jouent souvent un rôle clef pour l’identification des particules dans les réactions aux très hautes énergies.

Détecteurs à radiation de transition

Un effet voisin de l’effet Tcherenkov est exploité dans la traversée de milieux hétérogènes constitués de lamelles minces espacées ou de milieux hétérogènes comme des mousses plastiques. Lorsqu’une particule rapide chargée traverse un tel milieu, il y a émission d’un rayonnement électromagnétique dont l’avantage considérable vient de ce que son intensité est proportionnelle au facteur de Lorenz 塚 (rapport entre l’énergie totale et la masse au repos). L’intérêt de cette méthode va en croissant avec l’énergie des accélérateurs, car l’effet Tcherenkov se sature pour les 塚 très élevés. Ce type de détecteur comprend mille plaques de lithium de 50 micromètres d’épaisseur, séparées par un intervalle de 500 micromètres. La détection des rayons X de quelques dizaines de kiloélectronvolts émis dans ce type d’interaction se fait avec une chambre proportionnelle multifils (tabl. 3).Les détecteurs de particules précités ont la particularité de produire une impulsion électrique chaque fois qu’ils interagissent avec une particule. Leur taux de comptage peut être élevé. Le développement de l’électronique moderne a généralisé leur emploi.

Encyclopédie Universelle. 2012.