FR2983310A1 - Detecteur a scintillation et procede de fabrication associe - Google Patents

Abstract

L'invention a trait à un détecteur à scintillation comprenant un premier scintillateur et un deuxième scintillateur constitués chacun d'un matériau polymérique, caractérisé en ce que ledit premier scintillateur et ledit deuxième scintillateur sont en contact direct l'un avec l'autre sans l'intermédiaire d'une couche de liaison.

Description

DETECTEUR A SCINTILLATION ET PROCEDE DE FABRICATION ASSOCIE DESCRIPTION DOMAINE TECHNIQUE ET ART ANTERIEUR L'invention concerne un détecteur à scintillation ainsi qu'un procédé de fabrication de ce détecteur à scintillation. Les détecteurs à scintillation sont utilisés dans les systèmes de mesure pour la détection des rayonnements ionisants. Ils permettent de détecter la présence de sources radioactives à la surface ou à l'intérieur d'objets ou de personnes en fonction de la nature du rayonnement. Ils ont pour but d'identifier de manière qualitative ou quantitative la nature des rayonnements détectés (tels que les rayonnements issus de photons, d'électrons, d'ions légers (comme les protons, les deutons, les tritons, les hélions, les particules cx) et d'ions lourds (avec Z3) d'énergie supérieure à 1 keV). Ils comprennent à cette fin des moyens aptes à discriminer les particules détectées. Parmi les détecteurs à scintillation, il est connu des détecteurs composés de plusieurs scintillateurs empilés les uns sur les autres et couplés à un système de photodétection. Ces détecteurs sont communément appelés détecteurs « phoswich », le terme « phoswich » étant une contraction de l'anglais « phosphor sandwich », « phosphor » correspondant à la dénomination utilisée pour désigner les premiers scintillateurs.

Les différents scintillateurs qui composent un détecteur « phoswich » sont choisis pour leurs propriétés de scintillation différentes, généralement le temps de décroissance. Le signal lumineux émis par chacun des scintillateurs d'un détecteur phoswich à la suite du passage d'une particule ionisante est caractéristique du scintillateur. Une analyse de forme du signal lumineux total recueilli par le système de photodétection permet alors de remonter à la région, ou aux régions, d'interaction. Ceci est généralement mis à profit de deux façons : -dans le domaine de la radioprotection et de la dosimétrie (chaque scintillateur est alors optimisé en épaisseur et en composition pour ne détecter qu'un seul type de particules, permettant ainsi de les discriminer), et -dans le domaine de la recherche fondamentale (chaque scintillateur fournit une information énergétique permettant de distinguer isotopiquement les ions incidents mis en jeu). La figure 1 représente une vue en coupe transversale d'un détecteur « phoswich » de l'art connu qui est divulgué dans le brevet US 5,514,870. Le détecteur « phoswich » comprend un scintillateur plastique (ou scintillateur organique) de faible épaisseur 1, un cristal scintillant (ou scintillateur inorganique) épais 2 et un photomultiplicateur 3. Le scintillateur plastique 1 et le cristal scintillant 2 sont fixés l'un à l'autre à l'aide d'un ciment optique 5 et inserés dans une enveloppe 8. De même, le photomultiplicateur 3 et le cristal scintillant 2 sont fixés l'un à l'autre à l'aide d'un ciment optique 6. Une fine couche métallique 4 recouvre la face du scintillateur plastique 1 sur laquelle le rayonnement R à détecter est incident. Les parois latérales du cristal scintillant 2 sont recouvertes d'un réflecteur de lumière 7. Un inconvénient de cette structure est la présence du ciment optique 5. En effet, le ciment 10 optique constitue une zone morte pour la détection de particules, ce qui limite la sensibilité de détection. Dans le domaine de la recherche fondamentale, il est connu de coupler des scintillateurs par pressage thermomécanique. Le 15 pressage thermomécanique consiste à chauffer les scintillateurs autour de 100°C tout en les pressant l'un contre l'autre sous une pression comprise entre 0,1 et 100 kg/cm2. Les inconvénients potentiels relevés sont une dégradation potentielle des molécules 20 fluorescentes contenues dans les scintillateurs lors du chauffage, une hétérogénéité importante de l'épaisseur du scintillateur le plus fin et une répartition non homogène de la matière. Le détecteur à scintillation de l'invention 25 ne présente pas les inconvénients de l'art antérieur. EXPOSE DE L'INVENTION En effet, l'invention concerne un détecteur à scintillation comprenant un premier scintillateur et un deuxième scintillateur constitués chacun d'un 30 matériau polymérique, caractérisé en ce que ledit premier scintillateur et ledit deuxième scintillateur sont en contact direct l'un avec l'autre sans l'intermédiaire d'une couche de liaison. Par couche de liaison, on entend une couche distincte du matériau du premier scintillateur et du 5 matériau du deuxième scintillateur, cette couche de liaison pouvant être une couche d'adjonction ou une couche en un matériau intermédiaire résultant de la fusion du matériau du premier scintillateur et du matériau du deuxième scintillateur, comme cela est le 10 cas des détecteurs à scintillation comprenant deux scintillateurs liés l'un à l'autre par pressage thermomécanique. Le premier scintillateur peut être un scintillateur amont, tandis que le deuxième 15 scintillateur peut être un scintillateur aval, ce qui signifie, en d'autres termes, que le scintillateur amont reçoit le rayonnement incident tandis que le scintillateur aval est situé à la suite du scintillateur amont et reçoit le rayonnement après que 20 celui-ci ait traversé le scintillateur amont. D'un point de vue structural, le premier scintillateur et le deuxième scintillateur peuvent présenter une forme parallélépipédique ou une forme cylindrique selon les besoins de l'application 25 concernée. Dans le cas où les scintillateurs sont de forme parallélépipédique, le premier scintillateur et le deuxième scintillateur sont, classiquement, en contact l'un avec l'autre, via une de leurs faces, qui 30 correspondent aux faces de plus grande surface et de surfaces identiques à l'endroit du contact entre le premier scintillateur et le deuxième scintillateur. Dans le cas où les scintillateurs sont de forme cylindrique, le premier scintillateur et le deuxième scintillateur sont, classiquement, en contact l'un avec l'autre via leurs faces circulaires, qui sont de surfaces identiques à l'endroit du contact entre le premier scintillateur et le deuxième scintillateur. Le premier scintillateur et le deuxième scintillateur peuvent présenter des épaisseurs différentes, l'épaisseur du premier scintillateur pouvant être inférieure à celle du deuxième scintillateur. Par exemple, le premier scintillateur peut présenter une épaisseur allant de 10 pm à 1 mm, par exemple, de 50 pm à 1 mm, de préférence, de 100 pm à 500 pm, tandis que le deuxième scintillateur peut présenter une épaisseur allant de 1 mm à plusieurs centimètres, par exemple de 1 mm à 100 cm, de préférence de 1 à 4 cm. Comme mentionné ci-dessus, le premier scintillateur et le deuxième scintillateur sont, tous deux, en un matériau polymérique. En particulier, le matériau polymérique du 25 premier scintillateur et du deuxième scintillateur peut consister en une matrice polymérique, dans laquelle sont intégrées une ou plusieurs molécules fluorescentes (lesquelles peuvent être également qualifiées de fluorophores), lesquelles vont permettre de générer la 30 scintillation (à savoir, une émission de lumière) caractéristique de l'absorption d'un rayonnement donné.

L'intégration d'une ou plusieurs molécules fluorescentes peut se faire soit par dispersion d'une ou plusieurs de ces molécules dans la matrice polymérique soit par greffage d'une ou plusieurs de ces molécules au sein de la matrice polymérique susmentionnée. Dans ce dernier cas, le ou les molécules fluorescentes sont liées à la matrice polymérique par le biais de liaisons covalentes (la formation de ce type de liaisons pouvant être effectuée lors de la fabrication par polymérisation de la matrice polymérique, par incorporation d'une ou plusieurs molécules fluorescentes comportant au moins une fonction polymérisable).

Que ce soit pour le premier scintillateur ou le deuxième scintillateur, la matrice polymérique peut être constituée d'un ou plusieurs polymères choisis de sorte à ne pas affecter les propriétés de détection du scintillateur, la matrice polymérique pouvant être identique pour le premier scintillateur et le deuxième scintillateur. Concernant le premier scintillateur, la matrice polymérique peut comprendre, en particulier : -un polymère comprenant des unités répétitives issues de la polymérisation d'au moins un monomère styrénique, tel que le styrène ; -un polymère comprenant des unités répétitives issues de la polymérisation d'au moins un monomère (méth)acrylate ; -un polymère comprenant des unités répétitives du type siloxane ; et/ou -un polymère réticulé comprenant des unités issues de la polymérisation d'au moins un monomère styrénique, d'au moins un monomère (méth)acrylate et éventuellement d'au moins un monomère comprenant au moins deux fonctions polymérisables. Par unité répétitive du type siloxane, on entend, une unité répétitive comprenant un groupe -Si-O-, l'atome de silicium étant lié, outre à un atome d'oxygène de ladite unité et à un autre atome d'oxygène de l'unité adjacente, à deux autres groupes. En particulier, les polymères comprenant des unités répétitives du type siloxane peuvent avoir au moins une partie des unités répétitives susmentionnées, dont l'atome de silicium est lié à un groupe aromatique, tel qu'un groupe phényle. La présence de groupes aromatiques au sein de la matrice polymérique contribue à améliorer le transfert énergétique entre la matrice polymérique et les molécules fluorescentes.

Les polymères constitutifs de la matrice polymérique comprenant des unités répétitives du type siloxane peuvent comprendre des unités répétitives répondant à la formule (I) suivante : 0 25 dans laquelle R1 représente un groupe alkyle comprenant de 1 à 10 atomes de carbone, un groupe hydrocarboné aromatique comprenant de 5 à 10 atomes de carbone (tel qu'un groupe phényle) ou un atome d'hydrogène, et éventuellement des unités répétitives répondant à la formule (II) suivante : R2 ( Si 0 R3 (II) dans laquelle les R2 et R3, identiques ou différents, représentent un groupe alkyle comprenant de 1 à 10 atomes de carbone, un groupe hydrocarboné aromatique comprenant de 5 à 10 atomes de carbone (tel qu'un groupe phényle) ou un atome d'hydrogène.

Les polymères du type susmentionné peuvent être des polymères réticulés, à savoir des polymères comprenant plusieurs chaînes polymériques liées les unes aux autres via un pont de réticulation unissant des motifs répétitifs de chaînes distinctes.

Dans ce cas, de tels polymères, outre éventuellement des motifs répétitifs de formules (I) et (II) tels que mentionnés ci-dessus, peuvent comprendre des motifs répétitifs de formule (III) suivante : R4 Si 0 dans laquelle R4 représente un groupe alkyle comprenant de 1 à 10 atomes de carbone, un groupe hydrocarboné aromatique comprenant de 5 à 10 atomes de carbone (tel qu'un groupe phényle) ou un atome d'hydrogène, le crochet indiquant l'endroit par lequel ladite unité est liée à une autre chaîne polymérique.

Des polymères conformes à la définition donnée ci-dessus peuvent être des polymères résultant d'une réaction d'hydrosilylation d'au moins un composé polysiloxane répondant au moins à l'une des formules (IV) et (V) suivantes : R6 Si 0) ( Si 0 ) // R5 n R7 m (IV) O Siv 1r I ( Si o Si R9 -Si-O R8 (V) dans lesquelles : -R5, R6, R7, R8 et R9 représentent, indépendamment l'un de l'autre, un groupe alkyle comprenant de 1 à 10 atomes de carbone, un groupe hydrocarboné aromatique comprenant de 5 à 10 atomes de carbone, un groupe alcényle comprenant une insaturation en bout de chaîne et comprenant de 2 à 10 atomes de carbone ; et -n, m, n1 et m1 représentent le nombre de répétition des motifs pris entre parenthèses, avec au moins un composé polysiloxane répondant au moins à l'une des formules (VI) et (VII) suivantes : R11 Si-0 ) Si-H R12 m2 R14 -Si-0 Si 0 Si O Si ( R13 n H "3 m3 dans lesquelles : -R10, R11, R12, R13 et R14 représentent, indépendamment l'un de l'autre, un groupe alkyle comprenant de 1 à 10 atomes de carbone, un groupe hydrocarboné aromatique comprenant de 5 à 10 atomes de carbone (tel qu'un groupe phényle) ou un atome d'hydrogène ; H-Si-O ( -n2, m2, n3 et m3 représentent le nombre de répétition du motif pris entre parenthèses. De plus amples détails concernant cette réaction seront fournis dans la partie relative au 5 procédé de préparation des détecteurs de l'invention. A titre d'exemples de monomères styréniques utilisables pour la matrice polymérique du premier scintillateur, on peut citer les monomères de formules (VIII) et (IX) suivantes : 10 (VIII) (IX) A titre d'exemples de monomères (méth)acrylates, on peut citer les monomères de 15 formules (X) et (XI) suivantes : 0 R15-0 R15-0 (X) (XI) dans lesquelles R15 représente un groupe hydrocarboné 20 aromatique, tel qu'un groupe aryle, un groupe arylalkyle. Plus précisément, R15 peut être un groupe phényle, un groupe benzyle, un groupe 1-naphtyle ou un groupe 2-naphtyle. 25 La matrice polymérique peut être avantageusement réticulée, ce qui signifie qu'elle est 0 constituée de polymères comprenant plusieurs chaînes polymériques liées les unes aux autres par des ponts de réticulation. Ces ponts de réticulation peuvent être issus de l'introduction, lors de l'étape de préparation des polymères par polymérisation, de monomères porteurs d'au moins deux fonctions polymérisables. A titre d'exemples de tels monomères, on peut citer des di(méth)acrylates d'alkyle, tels que des 10 di(méth)acrylates d'alkyle répondant à l'une des formules (XII) et (XIII) suivantes : o o\ (CH2)y o o (XII) (XIII) 15 dans lesquelles x et y représentent le nombre de répétition du motif pris entre parenthèses, x et y pouvant être un entier allant de 1 à 20, de préférence de 2 à 6. Selon un mode particulier de réalisation de 20 l'invention, la matrice polymérique du premier scintillateur peut comprendre un polymère réticulé comprenant des unités répétitives issues de la polymérisation d'au moins un monomère styrénique, d'au moins un monomère (méth)acrylate et au moins un monomère comprenant au moins deux fonctions polymérisables, tels que des monomères di(méth)acrylate, lesquels monomères di(méth)acrylates peuvent correspondre à ceux, qui sont définis spécifiquement ci-dessus. A titre d'exemple, la matrice polymérique du premier scintillateur peut comprendre un polymère comprenant des unités répétitives issues de la polymérisation d'au moins un monomère choisi parmi le styrène, le vinyltoluène, le méthacrylate de phényle, le méthacrylate de benzyle, le méthacrylate de 1- naphtyle ou le méthacrylate de 2-naphtyle et d'au moins un monomère porteur d'au moins deux fonctions éthyléniques choisi parmi les di(méth)acrylates d'alkyle, tels que ceux mentionnés ci-dessus. Encore plus spécifiquement, la matrice polymérique du premier scintillateur peut comprendre un polymère comprenant des unités répétitives issues de la polymérisation du styrène, du méthacrylate de benzyle et du diméthacrylate de 1,6-hexanediyle. Les molécules fluorescentes susceptibles d'entrer dans la constitution du premier scintillateur sont avantageusement des molécules fluorescentes caractérisées par un temps de décroissance rapide, à savoir un temps de décroissance allant de 1 à 20 ns, de préférence de 1 à 10 ns. Il peut s'agir notamment d'un mélange d'une première molécule fluorescente et d'une deuxième 30 molécule fluorescente et éventuellement d'une troisième molécule fluorescente.

La première molécule fluorescente peut être choisie de sorte à présenter un spectre d'absorption, dont l'intensité maximale d'absorption est située entre 250 et 350 nm (par exemple, cette intensité maximale d'absorption peut être centrée sur 300 nm). La deuxième molécule fluorescente peut être choisie de sorte à présenter un spectre d'absorption apte à recouvrir le spectre d'émission de la première molécule fluorescente (notamment, pour optimiser les transferts énergétiques entre les deux molécules fluorescentes), ce qui signifie, en d'autres termes, que la deuxième molécule fluorescente est apte, d'une part, à absorber les photons de longueurs d'onde appartenant au spectre d'émission de ladite première molécule fluorescente, et d'autre part, suite à cette absorption, à émettre des photons, de telle sorte que le spectre d'émission de ladite deuxième molécule fluorescente s'échelonne de 350 à 650 nm avec une intensité maximale d'émission comprise entre 400 et 600 nm. Le cas échéant, la troisième molécule fluorescente peut être choisie de sorte à présenter un spectre d'absorption apte à recouvrir le spectre d'émission de la deuxième molécule fluorescente (notamment, pour optimiser les transferts énergétiques entre les deux molécules fluorescentes), ce qui signifie, en d'autres termes, que la troisième molécule fluorescente est apte à absorber les photons de longueurs d'onde appartenant au spectre d'émission de ladite deuxième molécule fluorescente, ladite troisième molécule fluorescente étant apte, suite à cette absorption, à émettre des photons, de telle sorte que le spectre d'émission de ladite troisième molécule fluorescente présente une intensité maximale d'émission comprise entre 500 et 600 nm.

Une première molécule fluorescente du type mentionné ci-dessus peut être un composé 2,5- diphényloxazone, tandis qu'une deuxième molécule fluorescente du type mentionné ci-dessus peut être un composé bis-méthylstyrylbenzène (pouvant être dénommé par bis-MSB). Concernant le deuxième scintillateur, la matrice polymérique peut comprendre, en particulier : -un polymère comprenant des unités répétitives issues de la polymérisation d'au moins un 15 monomère styrénique; -un polymère comprenant des unités répétitives issues de la polymérisation d'au moins un monomère (méth)acrylate ; et/ou -un polymère réticulé comprenant des unités 20 issues de la polymérisation d'au moins un monomère styrénique, d'au moins un monomère (méth)acrylate et éventuellement d'au moins un monomère comprenant au moins deux fonctions polymérisables. A titre d'exemples de monomères 25 styréniques, on peut citer les monomères de formules (VIII) et (IX) suivantes : (VIII) (IX) A titre d'exemples de monomères (méth)acrylates, on peut citer les monomères de formules (X) et (XI) suivantes : 0 R15-0 R15-0 (X) (XI) dans lesquelles R15 représente un groupe hydrocarboné aromatique, tel qu'un groupe aryle, un groupe arylalkyle.

Plus précisément, R15 peut être un groupe phényle, un groupe benzyle, un groupe 1-naphtyle ou un groupe 2-naphtyle. La matrice polymérique est avantageusement réticulée, ce qui signifie qu'elle est constituée de polymères comprenant plusieurs chaînes polymériques liées les unes aux autres par des ponts de réticulation. Ces ponts de réticulation peuvent être issus de l'introduction, lors de l'étape de préparation 20 des polymères par polymérisation, de monomères porteurs d'au moins deux fonctions polymérisables. A titre d'exemples de tels monomères, on peut citer des di(méth)acrylates d'alkyle, tels que des di(méth)acrylates d'alkyle répondant à l'une des 25 formules (XII) et (XIII) suivantes : 0 O\ o\(CH2)y / / O o > o o (XII) (XIII) dans lesquelles x et y représentent le nombre de répétition du motif pris entre parenthèses, x et y 5 pouvant être un entier allant de 1 à 20, de préférence de 2 à 6. Selon un mode particulier de réalisation de l'invention, la matrice polymérique du deuxième scintillateur peut comprendre un polymère comprenant 10 des unités répétitives issues de la polymérisation d'au moins un monomère styrénique, d'au moins un monomère (méth)acrylate et au moins un monomère comprenant au moins deux fonctions polymérisables, tels que des monomères di(méth)acrylates, lesquels monomères 15 di(méth)acrylates peuvent correspondre à ceux, qui sont définis spécifiquement ci-dessus. A titre d'exemple, la matrice polymérique du deuxième scintillateur peut comprendre un polymère comprenant des unités répétitives issues de la 20 polymérisation d'au moins un monomère choisi parmi le styrène, le vinyltoluène, le méthacrylate de phényle, le méthacrylate de benzyle, le méthacrylate de 1- naphtyle ou le méthacrylate de 2-naphtyle et d'au moins un monomère porteur d'au moins deux fonctions éthyléniques choisi parmi les di(méth)acrylates d'alkyle, tels que ceux mentionnés ci-dessus. Encore plus spécifiquement, la matrice 5 polymérique du deuxième scintillateur peut comprendre un polymère comprenant des unités répétitives issues de la polymérisation du styrène, du méthacrylate de benzyle et du diméthacrylate de 1,6-hexanediyle. Les molécules fluorescentes susceptibles 10 d'entrer dans la constitution du deuxième scintillateur sont avantageusement des molécules fluorescentes caractérisées par un temps de décroissance élevé, à savoir un temps de décroissance allant de 20 à 500 ns, de préférence de 50 à 200 ns, ce temps de décroissance 15 devant être 4 à 50 fois plus élevé que ne l'est le temps de décroissance des molécules fluorescentes du premier scintillateur. Il peut s'agir notamment d'un mélange d'une première molécule fluorescente, d'une deuxième molécule 20 fluorescente et éventuellement, d'une troisième molécule fluorescente. La première molécule fluorescente peut être choisie de sorte à présenter un spectre d'absorption, dont l'intensité maximale d'absorption est située entre 25 250 et 350 nm (par exemple, cette intensité maximale d'absorption peut être centrée sur 300 nm). La deuxième molécule fluorescente peut être choisie de sorte à présenter un spectre d'absorption apte à recouvrir le spectre d'émission de la première 30 molécule fluorescente (notamment, pour optimiser les transferts énergétiques entre les deux molécules fluorescentes), ce qui signifie, en d'autres termes, que la deuxième molécule fluorescente est apte, d'une part, à absorber les photons de longueurs d'onde appartenant au spectre d'émission de ladite première molécule fluorescente, d'autre part, à émettre des photons, de telle sorte que le spectre d'émission de ladite deuxième molécule fluorescente s'échelonne de 350 à 650 nm avec une intensité maximale d'émission comprise entre 400 et 500 nm.

Le cas échéant, la troisième molécule fluorescente peut être choisie de sorte à présenter un spectre d'absorption apte à recouvrir le spectre d'émission de la deuxième molécule fluorescente (notamment, pour optimiser les transferts énergétiques entre les deux molécules fluorescentes), ce qui signifie, en d'autres termes, que la troisième molécule fluorescente est apte à absorber les photons de longueurs d'onde appartenant au spectre d'émission de ladite deuxième molécule fluorescente, ladite troisième molécule fluorescente étant apte, suite à cette absorption, à émettre des photons, de telle sorte que le spectre d'émission de ladite troisième molécule fluorescente présente une intensité maximale d'émission comprise entre 500 et 600 nm.

Une première molécule fluorescente du type mentionné ci-dessus peut être un composé pyrène, tandis qu'une deuxième molécule fluorescente du type mentionné ci-dessus peut être un composé 9,10-diphénylanthracène. Outre la présence d'un premier scintillateur et d'un deuxième scintillateur en contact l'un avec l'autre, les détecteurs à scintillation de l'invention peuvent comporter au niveau de la face avant (c'est-à-dire la face opposée à celle qui est en contact avec le deuxième scintillateur) du premier scintillateur une fenêtre d'entrée du rayonnement incident, cette fenêtre d'entrée pouvant se matérialiser sous forme d'une couche, par exemple, une couche opaque (par exemple, une couche en aluminium). Cette fenêtre d'entrée permet au rayonnement incident d'entrer en contact avec le premier scintillateur tout en empêchant la lumière ambiante d'entrer en contact avec ce premier scintillateur. Cette fenêtre d'entrée, lorsqu'elle se présente sous forme d'une couche, doit être, de préférence, la plus fine possible, de sorte à dégrader le moins possible le seuil de détection du détecteur à scintillateur. Par exemple, elle peut présenter une épaisseur allant de 10 nm à 5 }gym. En outre, au niveau de la face arrière du deuxième scintillateur (c'est-à-dire la face opposée à la face du deuxième scintillateur en contact avec le premier scintillateur), il peut être prévu une fenêtre de sortie consistant en une couche de liaison de nature à faire la liaison entre le deuxième scintillateur et un photomultiplicateur. Cette couche de liaison peut être une couche en un matériau choisi parmi les graisses, les colles, les gels, les ciments, les composés élastomères, les composés silicones.

Enfin, au niveau de la surface latérale de l'empilement constitué par le premier scintillateur et le deuxième scintillateur, il peut être prévu une couche en un matériau réfléchissant, ce matériau réfléchissant pouvant comprendre de l'aluminium (par exemple, du mylar aluminisé ou du papier aluminium) ou une couche en un matériau diffusant, ce matériau diffusant pouvant comprendre du téflon, une peinture à base d'oxyde de titane TiO2, une peinture à base d'oxyde de magnésium MgO, du papier filtre Millipore. L'invention concerne également un procédé de fabrication d'un détecteur à scintillation conforme à l'invention comprenant une étape de réalisation du premier ou deuxième scintillateur sur un support, lequel support correspondant à l'autre scintillateur constitutif du détecteur (en l'occurrence, le premier 15 scintillateur si l'étape de réalisation concerne le deuxième scintillateur et vice versa). L'étape de réalisation du premier ou deuxième scintillateur peut être effectuée par polymérisation d'un milieu de polymérisation comprenant 20 des monomères ou oligomères destinés à entrer dans la constitution du premier scintillateur ou deuxième scintillateur. Ce milieu de polymérisation comprend, en outre, la ou les molécules fluorescentes destinées à entrer dans le premier scintillateur ou deuxième 25 scintillateur. Le procédé peut comprendre, avant l'étape de réalisation d'un scintillateur (premier ou deuxième) sur le support, l'étape de réalisation de l'autre scintillateur qui constitue ledit support. 30 Cette étape de réalisation peut être effectuée par polymérisation d'un milieu de polymérisation, comprenant, en outre, la ou les molécules fluorescentes destinées à entrer dans la constitution ledit scintillateur. La ou les molécules fluorescentes peuvent comprendre au moins une fonction polymérisable, auquel cas elles seront, à l'issue de la polymérisation, greffées directement par covalence, dans la matrice polymérique. Il s'entend que ces étapes de réalisation seront réalisées dans des moules de forme adaptée de sorte à ce que le produit final ait la forme que l'on souhaite obtenir pour le premier et deuxième scintillateurs. Selon un premier mode de réalisation, lorsqu'il s'agit de préparer le premier scintillateur, le milieu de polymérisation peut comprendre : -au moins un monomère styrénique tel que mentionné ci-dessus en présence éventuelle d'au moins un monomère (méth)acrylate et/ou d'au moins un monomère 20 comprenant au moins deux fonctions polymérisable ; -des initiateurs de polymérisation ; -des molécules fluorescentes. Les initiateurs de polymérisation, s'ils sont nécessaires, peuvent être un composé peroxyde, tel 25 que le peroxyde de benzoyle, ou un composé nitrile, tels que l'azo(bis)isobutyronitrile. Ces initiateurs de polymérisation peuvent être compris, dans le milieu de polymérisation à des pourcentages molaires compris entre 0,01 et 2%, de préférence, un pourcentage de 30 0,5%.

Lorsque la réaction de polymérisation est réalisée en présence de monomères méthacrylates, celle-ci peut être induite thermiquement en chauffant le milieu de polymérisation à une température adaptée, ou par dopage du milieu de polymérisation par du 2,2diméthoxy-2-phénylacétophénone suivi d'une irradiation sous UV (par exemple, à une longueur de 355 nm). La concentration molaire en 2,2-diméthoxy-2- phénylacétophénone peut être comprise entre 0,1 et 2%. 10 Préférentiellement, la concentration molaire utilisée peut être comprise entre 0,5 et 1%. Lorsque la réaction de polymérisation est réalisée en présence de monomères styréniques, celle-ci peut être induite thermiquement. 15 La proportion volumique des monomères styréniques ou méthacrylates par rapport aux monomères comprenant au moins deux fonctions polymérisables dans le mélange réactionnel peut être comprise entre 99/1 et 60/40. Préférentiellement, cette proportion volumique 20 peut être comprise entre 90/10 et 50/50. Selon un deuxième mode de réalisation, lorsqu'il s'agit de préparer le premier scintillateur, le milieu de polymérisation peut comprendre : *un composé polysiloxane répondant au moins 25 à l'une des formules (IV) et (V) suivantes : R6 Si 0) ( Si 0 ) // R5 n R7 m (IV) 1 r v 1rRi9 1 --Si-0 I Si 0 Si O Si I I R Ill m1 (V) dans lesquelles : -R5, R6, R7, R8 et R9 représentent, indépendamment l'un de l'autre, un groupe alkyle comprenant de 1 à 10 atomes de carbone, un groupe hydrocarboné aromatique comprenant de 5 à 10 atomes de carbone, un groupe alcényle comprenant une insaturation en bout de chaîne et comprenant de 2 à 10 atomes de carbone ; et -n, m, n1 et m1 représentent le nombre de répétition des motifs mis entre parenthèses ; *un composé polysiloxane répondant au moins à l'une des formules (VI) et (VII) suivantes : 1 R" 1 1 H-Si-O Si-0 Si-0 Si-H I Ru) R12 I m2 R14 -Si-0 I Si 0 I Si O I Si R13 n H "3 m3 dans lesquelles : -Rn, R11, R12, R13 et R14 représentent, indépendamment l'un de l'autre, un groupe alkyle comprenant un groupe alkyle comprenant de 1 à 10 atomes de carbone, un groupe hydrocarboné aromatique comprenant de 5 à 10 atomes de carbone (tel qu'un groupe phényle) ou un atome d'hydrogène ; -n2, m2, n3 et m3 représentent le nombre de répétition du motif pris entre parenthèses. -un catalyseur d'hydrosilylation ; et -des molécules fluorescentes. Hormis l'utilisation des composés purs, 15 toutes les fractions molaires entre les composés (IV) ou (V) et les composés (VI) ou (VII) peuvent être utilisées, c'est-à-dire de 99% à 1% et de 1% à 99%. Si nécessaire, la réaction entre les composés (IV) ou (V) et les composés (VI) ou (VII) peut 20 être facilitée thermiquement. Préférentiellement, les réactions sont réalisées entre 30°C et 50°C. n2 (VI) Le catalyseur d'hydrosilylation est un catalyseur au platine connu dans les réactions d'hydrosilylation. Plus particulièrement, le catalyseur de Karstedt ou le cis-bis(diéthylsulfato)- dichloroplatine (II) peuvent être utilisés à des concentrations molaires comprises entre 0,01% et 3%. Que ce soit pour le premier mode de réalisation ou le deuxième mode de réalisation ou encore pour d'autres modes de réalisations, les 10 molécules fluorescentes peuvent comprendre au moins une fonction polymérisable, auquel cas elles seront, à l'issue de la polymérisation, greffées directement par covalence, dans la matrice polymérique, de telles molécules pouvant être le p-vinylbiphényle ou le 15 vinylnaphtalène. Quand il s'agit de préparer le deuxième scintillateur, le milieu de polymérisation peut comprendre : - au moins un monomère styrénique tel que mentionné ci-20 dessus en présence éventuelle d'au moins un monomère (méth)acrylate et/ou d'au moins un monomère comprenant au moins deux fonctions polymérisable ; et -des molécules fluorescentes. Lorsque la réaction de polymérisation est 25 réalisée en présence de monomères méthacrylates, celle- ci peut être induite thermiquement en chauffant le milieu de polymérisation à une température adaptée, ou par dopage du milieu de polymérisation par du 2,2- dimethoxy-2-phénylacétophénone suivi d'une irradiation 30 sous UV (par exemple, à une longueur de 355 nm). La concentration molaire en 2,2-dimethoxy-2- phénylacétophénone peut être comprise entre 0,1 et 2%. Préférentiellement, la concentration molaire utilisée peut être comprise entre 0,5 et 1%. Lorsque la réaction de polymérisation est réalisée en présence de monomères styréniques, celle-ci peut être induite thermiquement. La proportion volumique des monomères styréniques ou méthacrylates par rapport aux monomères comprenant au moins deux fonctions polymérisables dans le mélange réactionnel peut être comprise entre 99/1 et 60/40. Préférentiellement, cette proportion volumique peut être comprise entre 90/10 et 50/50. La ou les molécules fluorescentes peuvent comprendre au moins une fonction polymérisable, auquel cas elles seront, à l'issue de la polymérisation, greffées directement par covalence, dans la matrice polymérique, ces molécules fluorescentes pouvant être le (méth)acrylamide de pyrényle ou le (méth)acrylate de pyrényle.

Une fois le premier scintillateur et le deuxième scintillateur réalisés, il peut être procédé à la réalisation d'une fenêtre d'entrée telle que mentionnée ci-dessus, du couplage du deuxième scintillateur avec un photomultiplicateur ainsi qu'à un revêtement latéral destiné à recouvrir la surface latérale de l'empilement constitué par du premier scintillateur et du deuxième scintillateur. La fenêtre d'entrée peut être réalisée par dépôt sur la face avant du premier scintillateur (c'est-à-dire la face opposée à la face en contact avec le deuxième scintillateur) d'une couche métallique, les techniques de dépôt pouvant être utilisées étant l'évaporation thermique sous vide, l'évaporation par faisceau d'électrons sous vide, la pulvérisation cathodique sous vide, l'électrodéposition, avec, pour préférence, l'évaporation thermique sous vide. Le couplage du deuxième scintillateur avec un photomultiplicateur peut être réalisé grâce à l'interposition d'une couche de liaison entre ledit deuxième scintillateur et le photomultiplicateur.

Avant l'interposition de cette couche de liaison, la face arrière du scintillateur aval (c'est-à-dire la face opposée à celle qui est en contact avec le scintillateur amont) peut être polie jusqu'à obtenir un état de surface adapté au transfert lumineux du scintillateur aval vers le photodétecteur. La couche de liaison peut être une couche optique, c'est-à-dire une couche, qui laisse passer le rayonnement sortant du scintillateur aval, cette couche pouvant être une couche en un matériau choisi parmi les graisses, les colles, les gels, les ciments, les composés élastomères et les composés silicones. Quant au revêtement latéral, il peut être réalisé par dépôt sur la surface latérale de l'empilement du premier et deuxième scintillateurs d'un matériau apte à réfléchir ou à diffuser la lumière. Il peut s'agir, par exemple, de mylar aluminisé ou de papier aluminium pour réaliser un matériau réfléchissant ou de ruban en téflon, d'une peinture à base de TiO2, à base de MgO, de papier filtre Millipore pour réaliser un matériau diffusant, une peinture à base de TiO2 étant préférentiellement utilisée.

Les détecteurs de scintillation de l'invention sont des détecteurs versatiles, qui vont grâce au choix des matériaux constitutifs du premier scintillateur et du deuxième scintillateur permettre d'effectuer une discrimination entre plusieurs types de rayonnements ionisants, par exemple, entre électrons et photons (d'énergie > 1 keV). D'autres détails et explications concernant le principe de détection des détecteurs de l'invention sont exposés ci-dessous, ces détails et explications ne revêtant pas de caractère limitatif. BREVE DESCRIPTION DES FIGURES D'autres caractéristiques et avantages de 15 l'invention apparaîtront à la lecture d'un mode de réalisation préférentiel fait en référence aux figures jointes, parmi lesquelles : - la figure 1, déjà décrite, représente une vue en coupe transversale d'un détecteur à scintillation 20 de l'art connu ; - la figure 2 représente une vue en coupe transversale d'un détecteur à scintillation de l'invention. 25 EXPOSE DETAILLE DE MODES DE REALISATION PARTICULIERS DE L'INVENTION La figure 2 représente une vue en coupe transversale d'un détecteur à scintillation conforme à l'invention. 30 Le détecteur D comprend un premier scintillateur organique 9, un second scintillateur organique 10 et un photodétecteur 11. Dans la suite de la description, le premier scintillateur est également nommé « scintillateur amont » et le deuxième scintillateur « scintillateur aval », en référence au 5 sens de propagation des particules incidentes sur le détecteur. Le photodétecteur 11 est, par exemple, un photomultiplicateur ou une photodiode. Le premier scintillateur organique 9 a une épaisseur inférieure à 10 l'épaisseur du second scintillateur organique 10. A titre d'exemple non limitatif, l'épaisseur du premier scintillateur organique 9 est comprise entre 10 }gym et 1 mm et l'épaisseur du second scintillateur organique 10 entre 1 mm et 100 cm. Les premier et second 15 scintillateurs organiques sont fixés l'un à l'autre par un procédé de couplage autogène. Le second scintillateur organique 10 et le photodétecteur 11 sont fixés l'un à l'autre par une couche d'interface optique 15. Les scintillateurs organiques 9 et 10 sont insérés 20 dans un réflecteur de lumière 12. Une fine couche opaque 14 peut recouvrir la face du scintillateur organique 9 sur laquelle le rayonnement R est incident. Synthèse du premier scintillateur 25 Du styrène, du méthacrylate de benzyle, du diméthacrylate de 1,6-hexanediyle, du 2,5- diphényloxazole et du bis-MSB sont mélangés sous atmosphère inerte dans un flacon sec. Lé mélange est libéré de tout gaz par la 30 méthode du dégazage à froid sous vide (correspondant à la terminologie anglaise « freeze-pump-thaw »), puis il est versé avec précaution dans un moule en téflon élaboré pour donner la morphologie finale du scintillateur à obtenir. Le mélange placé dans le moule est chauffé à 60°C pendant 7 à 10 jours.

Le produit résultant est ensuite démoulé puis poli sur un des deux plus grand cotés jusqu'à obtenir un état de surface optiquement compatible avec les applications recherchées.

Synthèse du second scintillateur Du styrène, du méthacrylate de benzyle, du diméthacrylate de 1,6-hexanediyle, du pyrène et du 9,10-diphénylanthracène sont mélangés sous atmosphère inerte dans un flacon sec.

Le mélange est libéré de tout gaz par la méthode du dégazage à froid sous vide (correspondant à la terminologie anglaise « freeze-pump-thaw »), puis il est versé avec précaution dans un moule contenant au fond le premier scintillateur. Le mélange placé dans le moule est chauffé à 60°C pendant 7 à 10 jours. Le produit résultant est ensuite démoulé puis poli sur un des deux plus grand cotés jusqu'à obtenir un état de surface optiquement compatible avec les applications recherchées.

Réalisation de la fenêtre d'entrée La métallisation des scintillateurs peut être réalisée par évaporation thermique sous vide. Le principe de cette technique consiste à chauffer dans un creuset traversé par un courant électrique (effet Joule) le matériau à déposer. Le dépôt est réalisé dans une enceinte à vide. Le matériau vaporisé vient se condenser sur le substrat (scintillateur) placé au-dessus du creuset. Le choix du creuset dépend du matériau à évaporer. Dans le cas d'un dépôt d'aluminium, il peut être utilisé un creuset en tungstène, la température de fusion de ce creuset étant supérieure à la température d'évaporation de l'aluminium. L'épaisseur des couches et la vitesse du dépôt sont contrôlées à l'aide d'une balance à quartz. Pour des scintillateurs de grande surface, un système de rotation du support permettant de déplacer le scintillateur au cours de l'évaporation peut être mis en oeuvre pour améliorer l'homogénéité des couches déposées (variation de l'épaisseur de la couche déposée). Réalisation de la fenêtre de sortie Elle consiste à enduire la surface du scintillateur d'une fine couche de graisse optique pour permettre le contact avec la cellule de photodétection.

Claims (29)

1. REVENDICATIONS1. Détecteur à scintillation comprenant un premier scintillateur et un deuxième scintillateur constitués chacun d'un matériau polymérique, caractérisé en ce que ledit premier scintillateur et ledit deuxième scintillateur sont en contact direct l'un avec l'autre sans l'intermédiaire d'une couche de liaison.
2. 2. Détecteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le premier scintillateur est un scintillateur amont, tandis que le deuxième scintillateur est un scintillateur aval.
3. 3. Détecteur selon la revendication 1 ou 2, dans lequel le premier scintillateur et le deuxième scintillateur présentent une forme parallélépipédique ou une forme cylindrique.
4. 4. Détecteur selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le premier scintillateur présente une épaisseur inférieure à celle du deuxième scintillateur.
5. 5. Détecteur selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le matériau polymérique consiste en une matrice polymérique, dans laquelle sont dispersées une ou plusieurs molécules fluorescentes, lesquelles vont permettre de générer unescintillation (à savoir, une émission de lumière) caractéristique de l'absorption d'un rayonnement donné.
6. 6. Détecteur selon la revendication 5, dans lequel la matrice polymérique du premier scintillateur comprend : -un polymère comprenant des unités répétitives comprenant des unités répétitives issues de la polymérisation d'au moins un monomère styrénique ; -un polymère comprenant des unités répétitives issues de la polymérisation d'au moins un monomère (méth)acrylate ; -un polymère comprenant des unités répétitives du type siloxane ; et/ou -un polymère réticulé comprenant des unités issues de la polymérisation d'au moins un monomère styrénique, d'au moins un monomère (méth)acrylate et éventuellement d'au moins un monomère comprenant au moins deux fonctions polymérisables.
7. 7. Détecteur selon la revendication 6, dans lequel les polymères comprenant des unités répétitives du type siloxane comprennent au moins une partie desdites unités répétitives présentant un atome de silicium lié à un groupe aromatique.
8. 8. Détecteur selon la revendication 6 ou 7, dans lequel les polymères comprenant des unités répétitives du type siloxane comprennent des unités répondant à la formule (I) suivante : 0 / R1 (I) dans laquelle R1 représente un groupe alkyle comprenant de 1 à 10 atomes de carbone, un groupe hydrocarboné aromatique comprenant de 5 à 10 atomes de carbone ou un atome d'hydrogène et éventuellement des unités répétitives répondant à la formule (II) suivante : SiR2 0 R3 (II) dans laquelle les R2 et R3, identiques ou différents, représentent un groupe alkyle comprenant de 1 à 10 atomes de carbone, un groupe hydrocarboné aromatique comprenant de 5 à 10 atomes de carbone ou un atome d'hydrogène.
9. 9. Détecteur selon l'une quelconque des revendications 7 à 8, dans lequel les polymères sont des polymères réticulés.
10. 10. Détecteur selon la revendication 9, dans lequel les polymères comprennent des unités répétitives de formule (III) suivante : dans laquelle R4 représente un groupe alkyle comprenant de 1 à 10 atomes de carbone, un groupe hydrocarboné aromatique comprenant de 5 à 10 atomes de carbone ou un atome d'hydrogène.
11. 11. Détecteur selon la revendication 6, dans lequel le monomère (méth)acrylate répond à l'une des formules (X) et (XI) suivantes : 0 R15-0 R15-0 (X) (XI) dans lesquelles R15 représente un groupe hydrocarboné aromatique.
12. 12. Détecteur selon la revendication 6, 20 dans lequel le monomère comprenant au moins deux fonctions polymérisables est un di(méth)acrylate 0d'alkyle répondant à l'une des formules (XII) et (XIII) suivantes : o\ o (CH2)X \ / (CH2)y O O\ o o (XII) (XIII) dans lesquelles x et y représentent le nombre de répétition du motif pris entre parenthèses, x et Y pouvant être un entier allant de 1 à 20.
13. 13. Détecteur selon la revendication 6, dans lequel la matrice polymérique du premier scintillateur comprend un polymère réticulé comprenant des unités répétitives issues de la polymérisation d'au moins un monomère choisi parmi le styrène, le vinyltoluène, le méthacrylate de phényle, le méthacrylate de benzyle, le méthacrylate de 1-naphtyle ou le méthacrylate de 2-naphtyle et d'au moins un monomère porteur d'au moins deux fonctions éthyléniques choisi parmi les di(méth)acrylates d'alkyle, tels que ceux définis à la revendication 12.
14. 14. Détecteur selon la revendication 13, dans lequel la matrice polymérique du premier o oscintillateur comprend un polymère comprenant des unités répétitives issues de la polymérisation du styrène, du méthacrylate de benzyle et du diméthacrylate de 1,6-hexanediyle.
15. 15. Détecteur selon l'une quelconque des revendications 5 à 14, dans lequel les molécules fluorescentes entrant dans la constitution du premier scintillateur présentent un temps de décroissance allant de 1 à 20 ns, de préférence de 1 à 10 ns.
16. 16. Détecteur selon la revendication 15, dans lequel les molécules fluorescentes consistent en un mélange d'une première molécule fluorescente et d'une deuxième molécule fluorescente.
17. 17. Détecteur selon la revendication 16, dans lequel la première molécule fluorescente est choisie de sorte à présenter un spectre d'absorption, dont l'intensité maximale d'absorption est située entre 250 et 350 nm.
18. 18. Détecteur selon la revendication 16 ou 17, dans lequel la deuxième molécule fluorescente est choisie de sorte à présenter un spectre d'absorption apte à recouvrir le spectre d'émission de la première molécule fluorescente, ce qui signifie, en d'autres termes, que la deuxième molécule fluorescente est apte, d'une part, à absorber les photons de longueurs d'onde appartenant au spectre d'émission de ladite première molécule fluorescente, et d'autre part, suite à cetteabsorption, à émettre des photons, de telle sorte que le spectre d'émission de ladite deuxième molécule fluorescente s'échelonne de 350 à 650 nm avec une intensité maximale d'émission comprise entre 400 et 600 nm.
19. 19. Détecteur selon l'une quelconque des revendications 16 à 18, dans lequel la première molécule fluorescente est un composé 2,5- diphényloxazone, tandis que la deuxième molécule fluorescente est un composé bis-méthylstyrylbenzène.
20. 20. Détecteur l'une quelconque des revendications 5 à 19, dans lequel la matrice polymérique du deuxième scintillateur comprend : -un polymère comprenant des unités répétitives issues de la polymérisation d'au moins un monomère styrénique; -un polymère comprenant des unités répétitives issues de la polymérisation d'au moins un monomère (méth)acrylate ; et/ou -un polymère réticulé comprenant des unités issues de la polymérisation d'au moins un monomère styrénique, d'au moins un monomère (méth)acrylate et éventuellement d'au moins un monomère comprenant au moins deux fonctions polymérisables.
21. 21. Détecteur selon la revendication 20, dans lequel le monomère (méth)acrylate répond à l'une des formules (X) et (XI) suivantes :30 0 0 R15-0 R15-0 (X) (XI) dans lesquelles R15 représente un groupe hydrocarboné aromatique.
22. 22. Détecteur selon la revendication 20, dans lequel le monomère comprenant au moins deux fonctions polymérisables est un di(méth)acrylate d'alkyle répondant à l'une des formules (XII) et (XIII) suivantes : o o o\ o\ / (CH2)y O O\ o o (XII) (XIII) dans lesquelles x et y représentent le nombre de 15 répétition du motif pris entre parenthèses, x et y pouvant être un entier allant de 1 à 20.
23. 23. Détecteur selon la revendication 20, dans lequel la matrice polymérique du deuxième 20 scintillateur comprend un polymère comprenant desunités répétitives issues de la polymérisation d'au moins un monomère choisi parmi le styrène, le vinyltoluène, le méthacrylate de phényle, le méthacrylate de benzyle, le méthacrylate de 1-naphtyle ou le méthacrylate de 2-naphtyle et d'au moins un monomère porteur d'au moins deux fonctions éthyléniques choisi parmi les di(méth)acrylates d'alkyle, tels que définis à la revendication 22.
24. 24. Détecteur selon la revendication 23, dans lequel la matrice polymérique du deuxième scintillateur comprend un polymère comprenant des unités répétitives issues de la polymérisation du styrène, du méthacrylate de benzyle et du diméthacrylate de 1,6-hexanediyle.
25. 25. Détecteur selon l'une quelconque des revendications 5 à 24, dans lequel les molécules fluorescentes entrant dans la constitution du deuxième scintillateur présentent un temps de décroissance allant de 20 à 500 ns.
26. 26. Détecteur selon la revendication 25, dans lequel les molécules fluorescentes consistent en 25 un mélange d'une première molécule fluorescente et d'une deuxième molécule fluorescente.
27. 27. Détecteur selon la revendication 26, dans lequel la première molécule fluorescente est 30 choisie de sorte à présenter un spectre d'absorption,dont l'intensité maximale d'absorption est située entre 250 et 350 nm.
28. 28. Détecteur selon la revendication 26 ou 27, dans lequel la deuxième molécule fluorescente est choisie de sorte à présenter un spectre d'absorption apte à recouvrir le spectre d'émission de la première molécule fluorescente, ce qui signifie, en d'autres termes, que la deuxième molécule fluorescente est apte, d'une part, à absorber les photons de longueurs d'onde appartenant au spectre d'émission de ladite première molécule fluorescente, d'autre part, à émettre des photons, de telle sorte que le spectre d'émission de ladite deuxième molécule fluorescente s'échelonne de 350 à 650 nm avec une intensité maximale d'émission comprise entre 400 et 500 nm.
29. 29. Détecteur selon l'une quelconque des revendications 26 à 28, dans lequel la première molécule fluorescente est un composé pyrène, tandis que la deuxième molécule fluorescente est un composé 9,10- diphénylanthracène.25