Instrumentation nucléaire
L'instrumentation nuclĂ©aire regroupe les techniques et mĂ©thodes mettant en Ćuvre des systĂšmes de dĂ©tection de rayonnements (rayons X, gamma, neutrons, Ă©lectrons, particules alpha, etc.) permettant d'effectuer des mesures (mesures nuclĂ©aires), en vue de crĂ©er un systĂšme d'acquisition de donnĂ©es ou de commande.
Les mesures nucléaires et les systÚmes de détection associés sont multiples selon leur usage (nature du rayonnement à détecter, application industrielle...).
Présentation
L'instrumentation nucléaire est utilisée et développée dans le domaine de la recherche en physique, biologie ou encore géologie.
Dans le tissu industriel, le secteur de l'énergie nucléaire est un important utilisateur de cette technologie tout au long du cycle, depuis la fabrication de combustible, la production dans les centrales, les procédés de retraitement et la gestion des déchets nucléaires ainsi que des matiÚres recyclées.
On rencontre également une instrumentation nucléaire spécifique dans d'autres secteurs industriels pour du contrÎle de procédés (radiographies de soudures, contrÎle d'épaisseurs, contrÎle d'humidité, par exemple), la caractérisation de matériaux (industrie du ciment), ou encore le domaine de la sécurité (détecteurs à rayons X et balises de détection de sources radioactives).
Enfin, la médecine nucléaire fait appel massivement à l'instrumentation nucléaire à des fins diagnostiques (scanner, radiographie, scintigraphie, TEP, etc.) ou thérapeutiques (radiothérapie, curiethérapie...).
Types de détecteurs
DĂ©tecteurs Ă scintillation inorganiques
Dans les scintillateurs inorganiques, lâĂ©mission de lumiĂšre est due Ă la prĂ©sence dâun dopant en faible quantitĂ© (par exemple le thallium dans le NaI ou le CsI) qui induit dans le cristal des niveaux localisĂ©s Ă lâintĂ©rieur du gap. Lorsque des paires « Ă©lectron-trou » sont crĂ©Ă©es par le rayonnement ionisant incident, ces charges se retrouvent piĂ©gĂ©es sur ces centres de luminescence. La transition dâun Ă©lectron du niveau excitĂ© au niveau fondamental se traduit par lâĂ©mission dâun photon. Celui-ci, ayant une Ă©nergie infĂ©rieure Ă celle de la bande interdite, peut se propager facilement dans le matĂ©riau scintillateur avec une probabilitĂ© faible dây ĂȘtre absorbĂ©.
Un autre processus concurrent permet Ă lâĂ©lectron dâeffectuer une transition non radiative vers lâĂ©tat fondamental par dĂ©sexcitation vers des niveaux localisĂ©s dans le gap, ce qui induit que la totalitĂ© de l'Ă©nergie dĂ©posĂ©e par le rayonnement n'est pas transformĂ©e en lumiĂšre de scintillation (effet de quenching).
NaI(Tl)
L'iodure de sodium est le plus ancien et le plus rĂ©pandu des scintillateurs pour la spectromĂ©trie gamma. Il offre un excellent rendement lumineux : environ 12 % de lâĂ©nergie dĂ©posĂ©e par un rayonnement est convertie en Ă©nergie lumineuse. Cependant, Ă©tant hygroscopique, il doit en permanence ĂȘtre maintenu Ă lâabri de lâhumiditĂ©. Les cristaux bruts d'iodure de sodium en sortie de fabrication font environ 60 cm de diamĂštre sur une longueur de prĂšs d'un mĂštre. La taille de ces scintillateurs peut ainsi facilement atteindre 20 cm de diamĂštre sur 20 cm de long, mĂȘme si les tailles standards couramment utilisĂ©es oscillent entre Âčââ Ă 1/2 pouces et 3 Ă 3 pouces (le premier nombre indique le diamĂštre et le second la longueur ; 1 pouce = 25,4 mm).
La rĂ©solution en Ă©nergie dĂ©pend de la taille et de la forme du scintillateur, elle est par exemple de 6,5 % Ă 662 keV et de 5 % Ă 1,33 MeV pour un NaI(Tl) de 2,5âČâČ Ă 2,5âČâČ (63 Ă 63 mm).
Le NaI(Tl) est surtout recherchĂ© pour sa grande sensibilitĂ© (grĂące Ă un numĂ©ro atomique Z et Ă un volume Ă©levĂ©s), on peut lâutiliser en spectromĂ©trie Îł dans une grande variĂ©tĂ© dâapplications.
L'iodure de sodium possÚde un inconvénient qui est que son rendement de scintillation (nombre de photons de scintillation produits par unité d'énergie déposée) dépend de la température. Une correction de gain s'avÚre de fait souvent nécessaire lorsque des variations de températures importantes existent lors de son utilisation.
CsI(Tl)
Lâiodure de cĂ©sium est un scintillateur proche de l'iodure de sodium. Il offre en revanche un pouvoir dâabsorption aux rayons gamma supĂ©rieur Ă celui du NaI(Tl). Son rendement lumineux est Ă©galement supĂ©rieur, mais la longueur dâonde des photons de scintillation Ă©mis (540 nm) est mal adaptĂ©e aux rĂ©ponses spectrales des photocathodes de tubes photomultiplicateurs. Le CsI(Tl) est ainsi le plus souvent couplĂ© Ă des photodiodes (classiques ou Ă avalanche). Il est disponible dans des tailles similaires Ă celles du NaI(Tl) mais son coĂ»t est supĂ©rieur.
CouplĂ© Ă une photodiode, il peut atteindre une rĂ©solution en Ă©nergie de 8 % Ă 662 keV pour une taille de 64 Ă 112 mm. Le CsI(Tl) couplĂ© Ă une photodiode est utilisĂ© dans des sondes portables miniatures. Il est Ă©galement souvent utilisĂ© sous forme de barrettes ou en rĂ©seau 2D (pixels de quelques mm3) pour lâimagerie X (contrĂŽle de bagages).
BGO
Le germanate de bismuth ou BGO est un scintillateur qui a un pouvoir dâabsorption supĂ©rieur Ă celui du NaI(Tl) grĂące Ă un numĂ©ro atomique et une densitĂ© Ă©levĂ©s. Il possĂšde l'avantage de ne pas ĂȘtre hygroscopique. Ses inconvĂ©nients sont un rendement lumineux faible (cinq fois infĂ©rieur Ă celui du NaI(Tl)) et un coĂ»t trĂšs Ă©levĂ©.
Le BGO est principalement utilisé pour la spectrométrie gamma de haute énergie (énergies supérieures à 1 MeV). Il est également utilisé en tomographie X en mode courant (sans spectrométrie).
Un gros avantage de ce scintillateur est qu'il ne montre pratiquement pas d'afterglow, ce qui permet de suivre des variations trÚs rapides d'intensité de rayonnements (par exemple des sources pulsées de rayons X).
LaBr3
Le bromure de lanthane dopé au Cérium (LaBr3:Ce) est un scintillateur de nouvelle génération qui possÚde la principale caractéristique d'une excellente résolution spectrale, jusqu'à 2,9 % à 662 keV, ce qui est le record dans la catégorie des scintillateurs inorganiques.
Il possĂšde Ă©galement une rĂ©solution spatiale qui lui permet d'ĂȘtre utilisĂ© dans des applications nĂ©cessitant des temps de rĂ©ponse trĂšs courts (de l'ordre d'une dizaine de nano-secondes) avec un trĂšs bon rendement lumineux (de l'ordre de 60 000 photons par MeV)[1].
Cependant, étant encore assez récent, les coûts de fabrication sont souvent trÚs élevés dépassant parfois le millier d'euros pour un cristal d'un centimÚtre cube.
DĂ©tecteurs Ă scintillation organiques liquides
DĂ©tecteurs Ă scintillation organiques solides
Notes et références
- « ThÚse de doctorat de l'Université Pierre et Marie CURIE Paris IV de Ludivine PIDOL. », sur tel.archives-ouvertes.fr, (consulté le )