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Les secrets des détecteurs à semi-conducteurs : comment mesurent-ils le rayonnement avec autant de précision ?
Dans le contexte technologique actuel en évolution rapide, les détecteurs à semi-conducteurs jouent un rôle important dans le domaine de la mesure du rayonnement grâce à leurs excellentes performances. Ces dispositifs sont basés sur des matériaux semi-conducteurs (généralement du silicium ou du germanium) et sont capables de détecter et de mesurer les effets des particules chargées incidentes, ou photons. Ces détecteurs sont largement utilisés dans la radioprotection, la spectroscopie gamma et X et comme détecteurs de particules, où ils ont démontré leur valeur irremplaçable.
L’essence des détecteurs à semi-conducteurs réside dans la détection de porteurs de charge libres, qui repose sur des porteurs excités par le rayonnement.
Mécanisme de détection
Dans un détecteur à semi-conducteur, lorsque le rayonnement ionisant pénètre dans le détecteur, il excite les électrons libres et les trous électroniques dans le matériau de détection. Le nombre de ces porteurs libres est proportionnel à l’énergie du rayonnement. Cela signifie que le nombre de paires électron-trou induites par événement de rayonnement peut être utilisé pour mesurer l’énergie du rayonnement testé.
Sous l'influence du champ électrique, les électrons et les trous se déplacent respectivement vers les électrodes, générant ainsi des impulsions mesurables dans le circuit externe. Ce processus est décrit par le théorème de Shockley-Ramo. Par rapport aux détecteurs de gaz, les détecteurs à semi-conducteurs nécessitent une énergie relativement faible pour générer des paires électron-trou, ce qui entraîne une faible variation statistique de l'amplitude des impulsions et une résolution énergétique améliorée. De plus, en raison de la vitesse élevée du déplacement des électrons, sa résolution temporelle est également excellente.
Types de détecteurs
Détecteur de silicium
La plupart des détecteurs de particules de silicium sont fabriqués en dopant une étroite bande de silicium, en la transformant en diode, puis en la polarisant en sens inverse. Lorsque des particules chargées traversent ces bandes, elles induisent un petit courant d’ionisation, qui peut être détecté et mesuré. Cette conception permet aux détecteurs au silicium, dont des milliers sont déployés autour du point de collision d’un accélérateur de particules, de représenter avec précision les trajectoires des particules.
Détecteur de diamants
Les détecteurs de diamant partagent de nombreuses similitudes avec les détecteurs de silicium, mais devraient offrir des avantages significatifs en termes de dureté élevée aux radiations et de courant de dérive très faible. Ils conviennent également à la détection de neutrons. À l’heure actuelle, le coût de fabrication des détecteurs de diamants est élevé et la production est difficile.
Détecteur de germanium
Les détecteurs au germanium sont principalement utilisés en spectroscopie gamma et en spectroscopie de rayons X en physique nucléaire. Leur épaisseur de couche sensible peut atteindre plusieurs centimètres, ce qui leur permet d'agir comme détecteurs d'absorption complète des rayons gamma. Les détecteurs au germanium doivent être maintenus à la température de l'azote liquide pour obtenir une bonne efficacité spectrale. En effet, à des températures plus élevées, les électrons peuvent facilement traverser la bande interdite énergétique, introduisant trop de bruit électrique, ce qui limite également son application.
Détecteurs de tellurure de cadmium et de tellurure de zinc-cadmium
Des détecteurs de tellurure de cadmium (CdTe) et de tellurure de cadmium et de zinc (CZT) ont été développés pour être utilisés en spectroscopie de rayons X et gamma. La haute densité de ces matériaux les rend efficaces pour bloquer les rayons X et gamma supérieurs à 20 keV, qui sont indétectables par les capteurs traditionnels à base de silicium. Étant donné que les deux matériaux présentent une large bande interdite, ils peuvent fonctionner à une température proche de la température ambiante, ce qui leur confère une plus grande flexibilité dans les applications.
Systèmes intégrés
Les détecteurs à semi-conducteurs sont souvent intégrés dans des systèmes plus grands pour diverses applications de mesure de rayonnement. Par exemple, les spectromètres gamma utilisant des détecteurs au germanium de haute pureté sont souvent nécessaires pour mesurer des traces de radionucléides gamma dans un environnement à faible bruit de fond. À mesure que la technologie a progressé, des systèmes d’échantillonnage automatisés transparents ont été développés pour déplacer automatiquement les échantillons dans un blindage en plomb fermé.
ConclusionLes détecteurs à semi-conducteurs étant de plus en plus utilisés dans la mesure des rayonnements, leur innovation et leur amélioration technologiques continues favoriseront davantage le développement de la physique nucléaire et de la radioprotection. Comment ces détecteurs de haute technologie changeront-ils notre compréhension des rayonnements dans les applications futures ?
