Détecteurs solides

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Détecteurs solides

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1. Introduction

2. Détecteurs à scintillation

3. Détecteurs à semiconducteur a) Silicium

b) Germanium

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Pourquoi ?

La radiation est observable seulement dans des processus qui

s’écoulent sur une échelle temporelle soit trop grande soit trop courte, ou est trop faible pour pouvoir l’observer directement!

Originairement développés pour physique atomique, nucléaire ou physique des particules élémentaires, les détecteurs de

1. Introduction

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Types de radiation

c) Particules chargées : électrons, protons, noyaux atomiques, beaucoup de particules élémentaires

d) Particules neutres: neutrons, beaucoup de particules élémentaires, gravitons

e) Photons: micro-ondes, lumière, rayonnement X, rayonnement γ

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Le développement de systèmes de détection est un activité interdisciplinaire entre physique et électronique .

Par exemple, pour comprendre un détecteur des traces modern

dans la physique de hautes énergies ou un système d’imagerie médicale on a besoin de connaissances de:

• physique du corps solide

• physique des semi-conducteurs

• technologie de fabrication des semi-conducteurs

• techniques d’électronique de bas bruit

• microélectronique analogique et digitale

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Quelques exemples

• Imagerie en astronomie

• Imagerie médicale

• Détection d’éléments en trace par fluorescence X

• Détecteurs de rayonnement γ en physique nucléaire

• Détecteurs de traces dans la physique des hautes énergies

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Imagerie en astronomie

Pratiquement toute l’imagerie en astronomie est basée sur des senseurs électroniques:

• Lumière visible

• IR

• UV

• Rayonnement X

• Rayonnement γ

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Les senseurs sont des matrices de détecteurs à semi-conducteur pixélisée, nommés CCDs (charge coupled devices). Pixel size 10-30 µ m.

CCDs similaires sont utilisés largement dans les vidéo-cameras, mais celles pour astronomie ont une sensitivité beaucoup plus grande et peuvent

détecter des signaux très faibles (~1 e^-).

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Imagerie en médicine

Positron émission tomographie (PET):

• Patient injecté avec un molécule contenant l’isotope émetteur β⁺

• La molécule se localise dans l’organisme

• L’isotope se désintègre en émettant β⁺

• Le β⁺ s’annihile avec un électron du

tissue, en formant une paire de photons de 511 keV émis à 180°

• La paire de photons 511 keV sont

détectés à travers une coïncidence en temps

• Le positron se trouve sur la ligne définie par la paire de détecteurs

• Se forme une image planaire d’une

« tranche » à travers le patient

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Les principaux traceurs radioactives

• ¹⁸F – 2 h temps de demi-vie chimiquement moyen production – cyclotron

• ¹⁵O, ¹¹C, ¹³N – 2h20 temps de demi-vie chimiquement excellent

production – cyclotron

• ⁸²Rb – 2h temps de demi-vie chimiquement difficile production – générateur

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Détecteurs de particules chargées en physique nucléaire

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Bethe-Bloch Formula

 

 



 − − −

=

− Z

C I

T v m

z A c Z

m r dx N

dE

_e

e e

a

ln( 2 ) 2 2

2

² ² ²₂

γ

²₂² ^max

β

²

δ

ρ β

π

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18/12/07 C. Petrache, UE6I 24

Features of “Bethe-Bloch”

-minimum is at β = 0.96

-particles in the same material:

-particles with same T

-Variation with Energy

−dE

dx =z² f (

β

)

−dE₂

dx (T₂) =−z₂² z₁²

dE₁

dx (T₂ M₁ M₂)

−dE

dx ∝ z²

v² = A z² E

∆E ≈ −dE dx ∆x E ⋅ ∆E ∝A z²

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Range of Particles: Medical Perspectives

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E∙(dE/dx)~AZ

²

Charged Particle Selection with the ISIS detector

Measure E and ∆ E simultaneously

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Measure E and ∆ E simultaneously

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YAP:Ce *

* YAP (Yttrium Aluminium Provskite YAlO₃ ) crystals

Linear attenuation coefficient (cm1 )

Energy (MeV)

The intensity I of a gamma beam traversing a target of thickness d is

Where µ is the sum of three processes taking place in the material:

Photoel. Abs. → Z⁴ to Z⁵ Compton scatt. → Z

Pair production → Z²

e

d

I

I =

₀ ⁻^µ

Absorption of Photons

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Détecteurs de rayonnement γ en physique nucléaire

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Segmented detector array

RISING GSI

EXOGAMGANIL

MINIBALLCERN SeGA MSU

GRAPERIKEN

9 seg ×2 xtal 1 seg × 7 xtal

4 seg × 4 xtal

6 seg × 3 xtal 32 seg × 1 xtal

currently operational

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Segmented detector array

TIGRESS (2009)TRIUMF ANL

36 seg × 4 xtal 8 seg × 4 xtal

36 seg × 3 xtal

32 seg × 2 xtal

under construction

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D’habitude, on ne voit pas la réaction, mais

seulement les

produits de la réaction (particules, photons, etc.).

Pour reconstruire le mécanisme de réaction et les propriétés des

particules impliquées,

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Le détecteur « ideal » devrait fournir:

- Couverture de tout angle solide (pas de fissures, segmentation fine)

- Mesure du quantité de mouvement ou de l’énergie

- Détecter, tracer et identifié toutes les particules (masse, charge) - Réponse rapide, pas de temps mort Limites pratiques: technologie,

espace, budget

- Les particules sont détectées à travers leur interaction avec la matière

- Beaucoup de principes physique sont concernés (surtout de nature e.m.)

- Finalement on observe toujours ionisation et excitation de la matière

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Détecteurs solides