Les détecteurs cryogéniques décuplent la précision des intensités d’émission photonique X et gamma
L’une des missions du laboratoire national Henri Becquerel (LNHB) du LIST est d’améliorer l’exactitude des intensités d’émission photonique X et gamma nécessaires pour quantifier les radionucléides. Généralement déterminées par spectrométrie X et gamma à l’aide de détecteurs à semi-conducteur, leur incertitude dépend notamment des performances du détecteur en résolution énergétique et rendement de détection. Cependant, les détecteurs à semiconducteur ont atteint leur limite théorique en ce qui concerne la résolution en énergie.
Pour améliorer sensiblement celle-ci, le LNHB a donc choisi de développer de nouveaux types de détecteurs : les détecteurs cryogéniques à senseur magnétique ou bolomètres magnétiques. Un bolomètre magnétique est constitué d’un absorbeur en or, dans lequel interagissent les photons, fortement couplé thermiquement à un senseur magnétique. Lors d’une interaction photonique dans l’absorbeur, le photon provoque une élévation de température inversement proportionnelle à la capacité calorifique du détecteur. Le senseur magnétique traduit cette variation de température en variation d’aimantation. Cette grandeur physique peut être alors mesurée très précisément à l’aide d’une électronique à double SQUID (Superconducting Quantum Interference Device). On construit ainsi le spectre en énergie des photons émis par la source. Pour obtenir la meilleure résolution en énergie sur le spectre, le détecteur fonctionne à très basse température (T < 50 mK).
Le détecteur MG2 (figure de droite) a été réalisé sur ce principe pour une gamme d’énergie de 1 à 100keV. Il est constitué d’un absorbeur en or de 1,1mm de diamètre et de 0,34mm d’épaisseur dont le rendement de détection intrinsèque est d’environ 70 % à 100keV. Le senseur magnétique est couplé magnétiquement aux SQUID (figure de gauche) à l’aide d’une bobine de lecture réalisée en film mince en collaboration avec l’université de Heidelberg.
Le détecteur a été caractérisé avec une source de 133Ba (voir graphiques ci-dessous) à une température de 12,5mK, température minimale du réfrigérateur à dilution du LNHB. La largeur à mi-hauteur mesurée par déconvolution du spectre en énergie est de 58 eV à 81keV, soit un pouvoir de résolution de 1400 et une performance près de 7 fois meilleure que celle d’un détecteur planar germanium (400 eV à 81keV).
Les prochaines étapes du développement porteront sur les points suivants :
- approcher la limite théorique de la résolution en énergie pour ce type de détecteur (25 eV),
- augmenter le taux de comptage (3 coups par seconde),
- caractériser le rendement de détection pour permettre l’analyse quantitative des spectres en énergie mesurés.
Spectre d’énergie du 133Ba avec le bolomètre magnétique MG2 |
|
