Dopage en plomb pour la d´etection X et gamma

En marge des travaux portant sur les aspects mat´eriaux de la d´etection neu- tronique, nous avons conduit, sous l’impulsion de coll`egues de la Direction des Ap- plications Militaires, des travaux sur le dopage en m´etaux lourds des mat´eriaux fluorescents solides de type plastique scintillant [Wang 06]. Ce travail s’inscrit dans l’objectif de d´evelopper des optiques de mesures d´ecal´ees au plus possible vers le rouge pour s’affranchir de l’effet Cerenkov [Akchurin 05], mais ´egalement plus ra- pides que leurs homologues inorganiques. Comme montr´e sur la figure 2.14, nous avons pu atteindre des niveaux de dopage atteignant 20 % en masse de Plomb pour ce type de mat´eriau sans toutefois d´et´eriorer les performances de transmission de la lumi`ere. La base fluorescente utilis´ee est un naphthalimide.

Fig. 2.14 – Exemple de scintillateur dop´e en Plomb `a 10% en masse, dont nous

avons d´ecal´e la longueur d’onde d’´emission vers le rouge par du Nilred.

L’objectif du dopage en plomb n’est pas tant d’augmenter la densit´e, avec le

dopage maximum de 20% en masse, la densit´e vaut autour de 2 g.cm−3_{. Il s’agit}

plutˆot d’augmenter le Z (le Z moyen du mat´eriau passe de l’ordre de 5,7 `a 53) et par l`a mˆeme d’augmenter la probabilit´e d’occurence de l’effet photo´electrique. Comme l’objectif est de r´ealiser une imagerie X de basse ´energie (zone 10 `a 40 keV), l’im- pact du Z moyen est direct vis-`a-vis de l’efficacit´e de d´etection, notamment en ce qui concerne la quantit´e d’effet photo´electrique se produisant dans le mat´eriau. De plus, leurs performances en termes de r´esolution temporelle (environ 10 ns) permet d’aller au-del`a de ce que font les scintillateurs inorganiques.

6.1.2 1,8-Naphthalimides pour la discrimination n/γ

Dans le cadre d’un projet de l’ANR baptis´e Neutromania, nous avons pu explo- rer un certain nombre de voies durant le post-doctorat de M. Matthieu HAMEL, notamment en ce qui concerne les syst`emes mol´eculaires pr´esentant une certaine richesse en noyaux benz´eniques, bien connus pour disposer de niveaux pi ´electro- niques, niveaux ´energ´etiques a priori n´ecessaires pour la r´ealisation d’une bonne

discrimination neutron-gamma. Ce programme ANR blanc Neutromania a permis aux ´equipes du CEA dont je m’occupe, ainsi qu’aux ´equipes du IN2P3/LPC de CAEN et IN2P3/IRES de STRASBOURG de travailler ensemble sur ce th`eme. Ce programme permettait de r´eunir des chimistes et des physiciens dans le seul but d’ob- tenir des performances de discrimination neutron gamma identiques aux mat´eriaux organiques liquides mais sur des scintillateurs organiques solides. Malheureusement, `a l’issue des deux ans d’´etudes, seules deux voies d’acc`es `a ces r´esultats ont pu ´emer- ger. L’approche mol´ecules naphthalimides sur Saclay et l’approche solide ionique `a Strasbourg.

La discrimination neutron thermique / gamma ne se pose pas pour les scintilla- teurs dop´es [Kamaya 04] et [Banerjee 07], dont les ´el´ements dopants sont sensibles aux neutrons thermiques. Par contre, la s´eparation des signaux issus des protons de recul de celui issu des ´electrons Compton, cons´ecutifs respectivement de l’interac- tion du mat´eriau scintillant avec des neutrons rapides ou des gamma ne s’effectue pas aussi ais´ement. Ceci nous a conduit `a r´ealiser des recherches tant du point de vue du mat´eriau que de l’analyse du signal [Katagiri 04]. De mani`ere g´en´erale, les mat´eriaux organiques restent fragiles vis-`a-vis du vieillissement sous flux gamma et neutron [Buss 95], mais ils peuvent ˆetre renforc´es en diphenyl oxyde [Senshishi 95]. De nombreuses familles de mol´ecules aromatiques poss`edent la facult´e de fluo- rescer. Parmi elles, les 1,8-naphthalimides fonctionnalis´es en position 4 par un grou- pement ´electro-donneur ont ´et´e largement ´etudi´es dans la litt´erature, notamment grˆace au fait que la longueur d’onde d’´emission peut ˆetre quasiment s´electionn´ee en fonction du groupement. Plusieurs d´eriv´es ont ainsi ´et´e synth´etis´es `a partir d’un mˆeme pr´ecurseur brom´e, obtenu ais´ement par r´eaction entre l’anhydride 4- bromonaphthalique et la 2,5-di-t-butylaniline Le compos´e brom´e 1 r´eagit ensuite avec diff´erents alcools en pr´esence d’hydroxyde de potassium selon les conditions d´e- crites par Grabchev. Ces compos´es se synth´etisent comme pr´esent´es sur les figures 2.15 et 2.16. Nous avons pris le parti de r´ealiser nos scintillateurs par moulage : l’approche utilisant l’injection existe [Martins 03], mais a tendance `a donner des mat´eriaux moins purs en raison des adjuvants n´ecessaires au bon d´eroulement de la phase d’injection.

Fig. 2.15 – Premi`ere ´etape de synth`ese des naphthalimides utilis´es pour la discri-

mination neutron/gamma

La figure 2.17 donne par exemple le spectre d’absorption et d’´emission pour un groupement EtO. Le tableau 2.18 effectue une synth`ese des essais principaux r´eali- s´es de discrimination neutron/gamma en phase liquide avec l’aide de fluorophores

Fig. 2.16 – Seconde ´etape de la synth`ese des naphthalimimdes de type naphthalimide.

Fig. 2.17 – Spectre d’´emission et d’absorption de naphthalimide

La figure 2.19 pr´esente un r´esultat de discrimination observ´e pour un naphthali- mide en phase liquide. La m´ethode utilis´ee est la m´ethode de comparaison de charge, permettant de comparer la charge totale contenue dans le signal `a celle contenue dans la traˆıne du signal qui est caract´eristique des ´etats `a vie longue. Malgr´e l’ensemble des essais que nous avons pu conduire, il n’a pas ´et´e possible de mettre en ´evidence une am´elioration significative des propri´et´es de discrimination pour les mat´eriaux solides. Par contre, nous avons montr´e exp´erimentalement que l’utilisation de mo- l´ecules fluorescentes de type naphthalimide permet d’ˆetre insensible `a la pr´esence d’Oxyg`ene dans le cocktail scintillant, ce qui n’est pas le cas des syst`emes pr´esent´es dans la litt´erature (Cf. Birks).

Fig. 2.18 – Tableau de synth`ese des principaux essais de discrimination en phase liquide r´ealis´es avec des naphthalimides et les principales matrices ou solvants dis- ponibles au laboratoire

Fig. 2.19 – R´esultat de discrimination neutron gamma obtenu avec des naphthali-

mides par la m´ethode de la comparaison de charge, ie charge retard´ee en fonction de la charge totale contenue dans le signal.