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RÉSUMÉ
Cet article traite du fonctionnement des principaux détecteurs nucléaires utilisés aujourd’hui. Ces dispositifs de mesure interviennent dans de nombreux domaines, l’industrie nucléaire bien sûr, mais également la recherche en physique, le monde médical…sans oublier la sécurité. En introduction, les différentes manières de détecter un rayonnement (mode courant, mode impulsionnel) sont présentées, ainsi que les définitions essentielles. Sont ensuite détaillés les principes physiques de la détection directe, avant de s’attarder sur ceux de la détection physique indirecte.
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Lire l’articleAuteur(s)
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Thierry POCHET : Nuclear Instrumentation Specialist Chercheur détaché du CEA - Agence Internationale de l’Énergie Atomique (AIEA)
INTRODUCTION
La détection nucléaire est une mesure qui s’impose dans de nombreux secteurs d’activité. Sans être exhaustif, on peut citer la recherche en physique, l’industrie nucléaire dans son ensemble (réacteurs, usines de retraitement, etc.), le milieu médical (radiothérapie, méthodes diagnostiques, etc.), le milieu industriel (radiographie, analyse), la sécurité (contrôle douanier, déchetteries, trafic illicite…), etc. Les particules d’intérêt sont les α, les β, le rayonnement X et γ et les neutrons.
Ce document est scindé en trois parties indépendantes. La première partie est consacrée aux propriétés physiques de base de la détection de rayonnement [BN 3 480], la seconde partie présente les caractéristiques générales des différentes classes de détecteurs existants et la troisième partie fait un rappel, pour chaque type de particules, de l’interaction avec la matière et montre les détecteurs qui sont utilisés en pratique .
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4. Principes physiques de la détection indirecte
4.1 Introduction
La détection directe impose des critères très contraignants sur les propriétés des matériaux que seuls certains SC ou gaz peuvent satisfaire. En revanche, de nombreux matériaux restituent l’énergie perdue par le rayonnement sous forme de lumière, phénomène que l’on appelle la radioluminescence. Lorsque l’émission de lumière est rapide (typiquement quelques ns), on parle de fluorescence, lorsque celle-ci s’étend sur une plus longue période de temps (µs à s) on parle soit de fluorescence retardée, soit de phosphorescence. Pour la détection de rayonnement, on choisira des matériaux, dits scintillants, qui favorisent la fluorescence. Cette méthode a été l’une des premières techniques de détection utilisée en physique nucléaire.
On classe les scintillateurs en deux grandes catégories : les matériaux inorganiques (cristaux) et les matériaux à base de molécules organiques.
Comme tout signal doit être électrique pour pouvoir être traité, il est nécessaire in fine de récupérer l’émission de lumière et de la convertir en impulsion électrique. Cette transformation (voir § 3) entraîne à la fois une perte de signal et de résolution en énergie.
HAUT DE PAGE4.2 Mécanismes de scintillation
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Scintillateurs inorganiques
Dans ces scintillateurs, l’émission de lumière est généralement due à la présence d’un dopant en faible quantité (comme le thallium dans le Nal ou le Csl) qui induit dans le cristal des niveaux localisés à l’intérieur du gap (figure 18). Lorsque des paires électron-trou sont créées, ces charges se retrouvent rapidement piégées sur ces niveaux localisés appelés centres de luminescence. La transition d’un électron du niveau excité au niveau « libre » fondamental se traduit alors par l’émission d’un photon. Celui-ci, ayant une énergie inférieure à celle de la bande interdite, peut se propager aisément dans le scintillateur avec une probabilité faible d’être autoabsorbé. Un autre processus concurrent permet à l’électron,...
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