Détecteurs à base de semi-conducteur

 



où Emax est l’énergie maximale du spectre et N(E) est le nombre de photons incidents sur le détecteur à l’énergie E.

Dans cette équation on observe qu’on donne plus de poids aux photons de haute énergie qu’à ceux de basse énergie.

1.3.2. Détecteurs à base de semi-conducteur

Contrairement aux détecteurs à base de scintillateur, les détecteurs à base de semi-conducteur permettent la conversion directe des photons X en charges électriques.

Lors de l’exposition d’un matériau semi-conducteur aux rayons X, le numéro atomique élevé de ce matériau donne un fort pouvoir d’absorption par effet photoélectrique. Les photons caractéristiques générés lors de l’interaction peuvent à leur tour interagir par effet photoélectrique.

Le mode de fonctionnement d’un détecteur à base de semi-conducteur est illustré dans la Figure 1. 11. Il est constitué d’une électrode pleine face (la cathode) et d’une électrode souvent pixellisée (l’anode). L’interaction d’un photon dans le semi-conducteur va générer une quantité de charge proportionnelle à l’énergie déposée. Ces charges, en migrant vers les

électrodes sous l’effet du champ appliqué, vont induire une charge proportionnelle à l’énergie déposée.

Les détecteurs à base de semi-conducteur sont des détecteurs qui peuvent être utilisés en mode comptage. Ce mode de fonctionnement permet de compter le nombre de photons qui arrivent sur le détecteur. Différents seuils peuvent être fixés sur cette mesure afin de définir différents compteurs d’énergie (Figure 1. 12).

Figure 1. 11 : Principe de fonctionnement d’un détecteur à base de semi-conducteur

Figure 1. 12 : Signal mesuré avec un détecteur en mode comptage

Le signal mesuré dans un compteur défini sur la gamme d’énergie [E_min,E_max] est exprimé comme :

 



où N(E) représente le nombre de photons absorbés dans le détecteur.

Détecteur en comptage

A bas flux photonique on constate un bon fonctionnement de ces détecteurs. Si la taille des pixels varie en fonction de l’application, en ce qui concerne les matériaux, les plus utilisés pour les détecteurs qui fonctionnent en mode comptage sont le silicium (Si), la telluride de cadmium (CdTe) et la telluride de cadmium dopée de zinc (CdZnTe ou CZT).

30 Des effets indésirables apparaissent dans ces détecteurs, et les principaux phénomènes sont:

 Partage de charges : Le nuage de charges crée par le photon va s’étaler sur les pixels voisins du détecteur situés autour du pixel où a eu lieu l’interaction. Cet effet augmente lorsque la taille des pixels du détecteur diminue. Il a un impact aussi sur la résolution spatiale du détecteur et provoque une corrélation entre le signal et le bruit entre les pixels voisins.

 Fluorescence et échappement : L’interaction entre un photon X incident sur le semi-conducteur par effet photoélectrique peut créer dans le pixel du détecteur un photon de fluorescence qui a une énergie caractéristique. Si ce photon de fluorescence est lu par un pixel voisin, il sera interprété comme un photon X incident. C’est le phénomène de fluorescence. Dans le pixel d’interaction initial, l’énergie du photon détecté sera égale à la différence entre l’énergie initiale du photon et l’énergie du photon de fluorescence. Si le photon de fluorescence n’est pas détecté par le même pixel, cette perte d’énergie va donner naissance au phénomène d’échappement.

 Induction : L’anode du pixel du détecteur va collecter les charges qui sont le résultat de l’interaction entre un photon X et le pixel du détecteur. Par effet d’induction, la collecte des charges sur l’anode va induire un signal de faible intensité sur les pixels voisins. Ce signal va apparaître dans les canaux de faible énergie des pixels voisins du pixel où a eu lieu l’interaction.

L’ensemble de ces phénomènes peut être modélisé par une fonction de réponse du détecteur qui correspond au signal généré par un photon dans un pixel d’intérêt.

La Figure 1. 13 présente un exemple de fonction de réponse mesurée avec une source de Cobalt-57 et représentée pour tous les 16 pixels d’un détecteur en comptage à base de CdTe fourni par ACRORAD [Brambilla et al., 2013], sur des mesures effectuées dans notre laboratoire. La largeur du canal d’énergie est de 1.2 keV. Les variations d’un pixel à l’autre ne peuvent pas être ignorées. Des méthodes de traitement par calibrage sont nécessaires pour tenir compte du comportement de chaque pixel.

La fonction de réponse du détecteur permet de caractériser le détecteur par deux paramètres :  La résolution en énergie du détecteur, définie comme la largeur à mi-hauteur de la

réponse. Ce paramètre mesure la capacité du détecteur à séparer des photons d’énergies proches.

 La hauteur et la forme de la trainée sont la conséquence du partage d’induction, du partage de charges et de la fluorescence.

L’amélioration de la réponse du détecteur dépend de l’électronique utilisée et du traitement associé. Des méthodes de correction des phénomènes d’induction et de partage de charges sont développées afin de limiter la traînée.

Figure 1. 13 : Exemple de spectre mesuré avec un détecteur barrette de 16 pixels à base de CdTe fourni par ACRORAD, avec une largeur du canal de 1.2 keV. Mesures effectuées avec

une source Cobalt-57 ( ⁵⁷Co ). Représentation des différents phénomènes physiques

Pour des forts flux photoniques, comme c’est par exemple le cas de la tomographie, un autre phénomène indésirable présent dans les détecteurs en comptage pixellisés est l’effet des

empilements de photons. Quand deux photons interagissent de manière quasi instantanée dans

un même pixel, les impulsions générées se superposent. Ils seront comptés comme un seul photon d’énergie supérieure à celle des deux photons qui ont interagi. Ce phénomène n’est pas modélisé par la fonction de réponse du détecteur car le modèle est plus complexe et non-linéaire.