Dans cette partie, il sera question d’étudier l’influence de la nature du rayonnement sur un scintillateur organique cristallin : le paraterphényle (p-TP). Les résultats présentés ici concernent des déclins de fluorescence obtenus lors d’irradiations de protons et de 2 MeV et de issus d’une source de 60Co (Figure 3.8).
Contrairement au cas précédent, le scintillateur n’est plus sous forme de film mince mais se présente en un morceau de cristal relativement épais (e ~ 5 mm et ~ 10 mm) de manière à avoir une section efficace d’interaction avec les photons gammas suffisante pour avoir une bonne statistique de comptage. De ce fait, la quasi-totalité du faisceau, dans le cas des particules alpha et des protons, sera arrêté dans le milieu.
Nature du faisceau Q1 Q2 Q3
alpha 0.70 0.29 0.41
proton 0.35 0.20 0.56
gamma 0.06 0.05 0.76
Tableau 3.4 : Rapport des composantes lente, rapide et totale de la fluorescence du p-TP pour différents rayonnements. Q1 = Ld/Lp, Q2 = Ld/Lt et Q3 = Lp/Lt.. Nature du faisceau F (ns) n [30,150] ns [150,600] ns alpha 3.56 1.22 1.36 proton 3.19 1.24 1.53 gamma 3.03 1.45 1.45
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Figure 3.8 : Déclins de fluorescence, normalisés aux maxima d’intensités, du p-TP soumis à un bombardement de particules alphas de 2 MeV (vert), de protons de 2 MeV (rouge) et de photons de
1,17 et 1,33 MeV issus d’une source de 60Co (bleu) (échelle semi-log).
II21 Etude quantitative
Les rapports des composantes lentes sur rapide , lente sur totale et rapide sur totale de la fluorescence, désignés respectivement par , et et présentés dans le Tableau 3.4, ont été définis en fonction du temps de vie de fluorescence du p-TP et de manière a pouvoir les comparés aux valeurs calculées pour le BC-418 (cf borne supérieure de l’intervalle d’intégration de et ). Ainsi a été calculé sur [0,4] ns et sur [35,600]. a été défini comme l’intégrale de l’intensité sur [0,600] ns.
Afin de donner une interprétation correcte de ces résultats, il est important de prendre en compte le pouvoir ionisant de chaque rayonnement ainsi que l’épaisseur de l’échantillon. D’après les résultats (Tableau 3.4), on constate de manière générale que plus le dE/dx dans le cristal de p-TP est important, plus les rapports et sont élevés et plus est faible. On observe ainsi les mêmes tendances que lors les expériences réalisées avec le BC-418 avec notamment une augmentation de la composante lente, c’est-à-dire des recombinaisons à l’origine de la fluorescence différée, avec le pouvoir ionisant des particules incidentes.
II22 Etude cinétique
En ce qui concerne l’étude cinétique, le Tableau 3.5 nous informe sur la nature des recombinaisons à l’origine de la fluorescence. Ainsi, contrairement à l’étude
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précédente où l’on avait pu constater que l’énergie des protons (gamme du MeV) ne modifiait pas la nature des recombinaisons des paires, on constate ici une variation des lois en puissance avec la nature des particules incidentes. On remarquera particulièrement le cas des gammas où la loi en puissance nous indique que les recombinaisons à l’origine de la fluorescence retardée sont contrôlées par des phénomènes de diffusion ( 3/2).
Le cas des particules chargées est plus complexe. En admettant que le rapport est très petit, c’est-à-dire que la distance de thermalisation des électrons est largement supérieure au rayon de réaction, nous pouvons faire l’hypothèse qu’à temps court (< 150 ns), il existe deux processus de recombinaison en proportion non négligeable, à savoir des recombinaisons de type statique ou par saut, avec une loi en
et des recombinaisons de type multipaires, avec une loi en . Ainsi, en négligeant les phénomènes de diffusion aux temps courts, la composante lente de la fluorescence serait régie par une loi de type . Cette hypothèse resterait alors valable aux temps longs dans le cas des particules alpha alors que pour les protons, on retrouve une loi en caractéristique des diffusions.
Aux vues des premières tendances observées, cette étude préliminaire permet de valider notre approche globale ainsi que nos différents plateaux expérimentaux. Les nombreuses expériences, menées à Strasbourg ainsi qu’au HIMAC à Chiba, dans le cadre de la thèse de Till Sohier [110], notamment en faisant varier la nature et l’énergie du rayonnement incident, nous montré qu’il est possible de relier fluorescence de recombinaison et dépôt d’énergie via des mesures en résolution temporelle nanoseconde.
III DISCRIMINATION NEUTRON GAMMA
Les résultats présentés ici concernent des déclins de fluorescence obtenus lors d’irradiations avec des protons de 2 MeV et des photons issus du 60Co. Les milieux étudiés sont le BC-418, le p-TP cristallin et le NE-213.
Les épaisseurs des différents milieux ont été choisies de manière à ce que la totalité de l’énergie y soit déposée dans le cas des protons. Rappelons que parmi ces 3 scintillateurs, deux sont connus pour être de bons discriminateurs : le p-TP, utilisé dans le passé dans les expériences de discriminations neutron gamma et le NE-213, largement utilisé de nos jours. Compte tenu de sa faible fluorescence différée, le BC-418 ne permet, à priori, pas une bonne discrimination.
Le pouvoir de discrimination d’un détecteur, calculé par la méthode de mesure de la forme de l’impulsion (PSD), sera principalement définit par sa réponse aux neutrons (proton de recul). En effet, les étant moins ionisants, ceux-ci produiront peu de fluorescence différée par rapport aux protons. Ainsi, nous comparerons dans un premier temps la réponse des trois détecteurs soumis à un rayonnement de proton. Nous déterminerons ensuite, grâce à notre technique de mesure de fluorescence résolue en
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temps, le pouvoir de discrimination proton- des différents détecteurs par comparaison des déclins de fluorescence obtenus pour les deux types de rayonnement. Ces résultats seront enfin comparés à ceux obtenus par la méthode PSD.