Les détecteurs CdTe et CdZnTe

Caractéristiques

Les détecteurs semi-conducteur sont des détecteurs de mesure nucléaire qui, associés à l’électronique adaptée, permettent des mesures de spectrométrie, comptage ou intégration. Ils présentent les caractéristiques générales suivantes :

  • compacité,
  • très bonne résolution en énergie,
  • bonne résolution spatiale.

En revanche ce sont des détecteurs qui sont souvent :

  • chers,
  • fragiles,
  • susceptibles d’être dégradés par les radiations.

Mode de fonctionnement

Les détecteurs à semi-conducteur permettent la conversion des rayons-X ou rayons gamma en électrons. Lorsqu’un photon interagit avec le cristal, une charge interne est créée et l’application d’un champ magnétique externe permet la collection de ces charges. Les trois modes d’interaction du photon avec le cristal sont les suivants :

  • Absorption photoélectrique : le photon absorbé transfert toute son énergie à l’électron de l’atome du milieu.
  • Diffusion Compton : il s’agit d’une diffusion inélastique où le photon transfert une fraction de son énergie à un électron faiblement lié de l’atome, celui-ci est éjecté et le photon est diffusé.
  • Production de paires : un photon d’énergie supérieure à 1,02 MeV interagit avec le champ coulombien d’un noyau pour produire une paire électron/positron.

Innovation

Comparé aux détecteurs à semi-conducteur plus classiquement connus, tels que les Silicium ou Germanium, les semi-conducteurs composés de deux ou plusieurs éléments ont été particulièrement étudiés ces dernières décennies, présentant des propriétés spectroscopiques intéressantes.

Le CdZnTe (ou CZT) signifiant Cadmium Zinc Telluride et le CdTe (Cadmium Tellure) présentent :

  • une efficacité de détection élevée,
  • de bonnes performances spectroscopiques à température ambiante,
  • des caractéristiques idéales pour la création de système de détection fiables et compacts.
Détecteurs CZT monolithiques Kromek (source : https://www.kromek.com/cadmium-zinc-telluride-czt/)

En effet, pour les besoins en spectroscopie, le phénomène que l’on souhaite favoriser est l’absorption photoélectrique dont la section efficace varie en ZnZ est le numéro atomique effectif est n est compris entre 4 et 5. Les CdZnTe et CdTe présentent un Z effectif de 50.

Acquisition des données

Les CdZnTe typiques sont fabriqués par la déposition d’une fine couche de métal sur la surface du détecteur constituant les électrodes. Ces électrodes permettent de polariser le détecteur et de créer un potentiel électrique à travers le cristal. Ainsi, toute particule ionisante interagissant avec le cristal (CZT ou CdTe) polarisé résultera en une création d’un nombre de paires électron-trou proportionnel à l’énergie de la particule incidente. Les électrons chargés négativement et les trous chargés positivement migrent vers leurs électrodes respectives et sont collectés. L’impulsion de charge résultante est envoyée dans préamplificateur pour produire une impulsion de tension dont l’amplitude est proportionnelle à l’énergie de la particule incidente.

Spectre d’oxyde d’uranium obtenu avec un CdTe Amptek XR-100 (source : http://amptek.com/uranium-and-plutonium-spectra)

Utilisation des CdZnTe/CdTe

On trouve de nos jours des détecteurs CdZnTe de très petites tailles, fonctionnant à température ambiante avec des résolutions en énergie autour de 2-3% à 662 keV permettant une bonne qualité spectroscopique tout en acceptant des taux de comptage relativement élevés. C’est pourquoi ces détecteurs sont des spectromètres de choix embarquables sur nos robots-capteurs ou comme capteur connecté.