Brevet FR2637088A1 — publié le 19900330

FIBRES OPTIQUES SCINTILLANTES DE FAIBLE DIAMETRE ET DETECTEUR COMPORTANT DE TELLES FIBRES. Description La présente invention a pour objet des fibres optiques scintiLLantes de faibLe diamètre et un détecteur comportant de telles fibres. ELLe s'applique notamment à La détection de particules et de rayonnements ionisants. Certains détecteurs de particules ou de rayonnements ionisants utiLisent des fibres optiques scintiLLantes réparties en nappe ou en faisceau. Les pa-+icules, en traversant cette nappe ou ce faisceau, engendrent une scintillation des fibres à l'origine d'une émission lumineuse visible de fluorescence dont une part est piégée à l'intérieur des fibres. Les fibres contituent ainsi un détecteur de particuLes à émission de pnotons. Par L'observation à L'aide de aétecteurs de photons, des émissions de lumière à une extrémité des fibres formant Le détecteur, on peut visuaLiser La trajectoire des particuLes. La précision de La reconstitution dépend du nombre et du diamètre des fibres utiLisées; La meilleure résolution spatiaLe est obtenue avec des fibres de pLus petit diamètre possibLe. De manière connue, on utiLise comme détecteur des fibres de verre dopées au cerium. L'articLe de R. Ruchti et aL. "A cerium gLass fiber-optic active target for high energy physics experiments" contenu dans Les "Proceedings of the IEEE 1985 NucLear Science Symposium, San Francisco, CaLifornia, October 23-25, 1985" décrit de telles fibres. Pour un diamètre réduit au minimum à 25 micromètres, la résolution est de 28 micromètres. Mais ces fibres présentent un premier inconvénient : elles ne permettent pas un transport du signaL Lumineux produit par La scintiLLation au-deL3 de que L que s centimètres. Cette di stance correspond à La Longueur d'atténuation de La fibre (distance au bout de laquelle L'intensité du signaL Lumineux émis est multipliée par 1/e au cours de La transmission de La Lumière dans te fibre). Le dispositif optique d'enregistrement de La trajectoire (fiLm ou caméra) doit donc etre placé à proximité de La source de scintiLLation.D'autre part, Le très faible rendement Lumineux (nombre de photoéLectrons délivrés en sortie d'un photomuLtisLica.eur pour une particule traversant une fibre) constitue un autre inconvénient de ces fibres. Pour un millimètre traversé, L'émission lumineuse du matériau constitutif de la fibre est environ 4 fois moindre que ceLLe d'un scintiLLateur organique, soit queLques photoéLectrons vus par un photomuLtipLicateur à quelques miLLimètres de sa photocathode ; pour une fibre de 50 micromètres, on a une probabiLité pLus faible pour chaque fibre d'arracher un électron à La photocathode, probabiLité que L'on peut estimer à 0,1. Un autre type connu de fibres optiques scintiLLantes peut etre utilisé à des fins de détection : Les fibres optiques pLastiques (F.O.P.) scintiLLantes. Dans ces fibres de gros diamètre (environ 1 mm), Le signaL de scintiLLation est de L'ordre de quatre fois pLus intense que dans Les fibres de verre, à égale épaisseur traversé. La Longueur d'atténuation est de L'ordre de 2 n ; L'émission Lumineuse vue par un photomuLtipLicateur à 10 mm est de L'ordre de 13 photoeLectrons, et environ 6 photoéLectrons après un mètre de parcours dans La fibre. De manière connue dans Les F.O.P., Les radicaux phényle contenus dans les produits aromatiques presents dans le coeur de La fibre produisent la scintiLLation. L'énergie apportée par le passage d'une particuLe chargée provoque L'excitation des électrons délocalises de La moLécuLe ; ceux-ci reviennent à Leur niveau d'énergie primaire avec émission d'un photon. Le poLystyrène ou Le poLyvinyLtoLuène (P.V.T.) sont Les constituants aromatiques principaux pour Les scintiLLateurs. L'émission du poLystyrène est maximaLe vers 330 nm (emission dans une pLage comprise entre 310 et 360 nm) ; ceLLe du PVT est centrée sur 315 nm (émission dans une pLage comprise entre 300 et 350 nm). Par contre, La région de transparence de ces deux matériaux se situe au-deà de 400 nm environ. En dessous de cette vaLeur, La -Lumière de scintillation ne peut pas se propager à L'intérieur du coeur de La fibre : eLLe est adsorbée par Le constituant principaL du scintillateur. A partir du signaL de scintiLLation, un signal Lumineux de Longueur d'onde supérieure à 400 nm doit véhicuLer L'information indiquant Le passage d'une particuLe ionisante à L'intérieur de La fibre. Pour créer ce signal, on utiLise de façon connue, le décaLage entre Les raies d'absorption et d'émission de coLorants aromatiques. L'intervaLLe entre 330 nm (ou 315 nm) et 400 nm étant important, on utiLise généralement deux composants, un soLuté primaire de concentration relativement éLevée (de L'ordre de 1 X) et un soluté secondaire à très faibLe concentration (de L'ordre de 0,01 %) pour éviter Les problèmes d'auto-absorption. Le soLuté primaire fait un premier. transfert à une Longueur d'onde intermédiaire, Le soLute secondaire effectue Le transfert à La Longueur d'onde d'émission de La fibre. Deux soLutés sont donc dissous dans Le soLvant (poLystyrène ou PVT). La formuLation usueLLe comprend 1 Z de concentration du premier soLuté, par exempLe du butyle-PBD fabriqué par La Société CIBA et 0,02 % du second, par exempLe du diméthyLe-POPOP fabriqué par La Société KOCH-LIGHT. La figure 1 représente schématiquement Les transferts d'énergie successifs. La courbe Es représente L'émission Lumineuse du soLvant (ici, Le poLystyrène). La bande d'absorption Al du butyLe-PBD recouvre partieLLement La raie d'émission Es. Le butyle-PBD excité se désexcite suivant une raie d'émission El centrée sur 370 nm. La bande d'absorption A2 du diméthyle-POPOP recouvre partieLLement La raie d'émission El. Le diméthyLe-POPOP est donc excité et se désexcite en émettant un signaL tumineux suivant La raie d'émission E2 centrée approximativement sur 425 nm. Ce dernier signaL de Longueur d'onde supérieure à 400 nm se situe dans La fenêtre de transparence du soLvant. Cependant, ces F.O.P. présentent un inconvénient majeur : La réduction du diamètre de La fibre permettant une améLioration de La résoLution d'un détecteur entraîne une diminution importante du rendement Lumineux. Cette baisse de rendement est comme nous aLLons Le voir essentieLLement Liée à La composition de deux soLutés du scintillateur contenus dans La fibre. La Longueur d'absorption distance à LaqueLLe L'intensité du signaL Lumineux émis par Le soLvant ou Le premier soLuté est multipliée par 1/e) résuLte de L'absorption, par Le second soLuté des photons émis par Le premier. Dans l'exemple de la figure 1, La Longueur d'absorption est de 350 micromètres.Dans ce cas et pour une fibre de diamètre inférieur à 200 micromètres par exemple, une grande partie de La Lumière primaire sort de La fibre avec deux inconvénients : d'une part, eLle ne contribue pas à L'excitation du second solute d'où une perte importante d'efficacité de L'émission dans La fibre, perte qui croit rapidement avec La réduction du diamètre ; d'autre part, s'iL existe des fibres voisines de même nature, Le soLuté secondaire de ceLLes-ci sera excité induisant une emission Lumineuse, non issue directement de La particuLe observée, donc parasite. Ce phénomène peut être assimiLé à de La diaphotie. La présente invention a pour but de paLLier ces inconvénients. ELLe préconise L'utilisation d'un soLuté unique qui permet d'absorption totaLe de La Lumière de scintiLLation dans Le coeur de La fibre, donc Lui conserve un rendement Lumineux élevé même dans Le cas de faibLes diamètres ; par ailLeurs, dans un détecteur, Les fibres voisines d'une fibre émettrice ne sont pas excitées par L'émission de scintiLLation. La diaphotie est donc supprimée. De façon plus précise, La présente invention concerne une fibre optique scintiLLante comprenant un coeur entouré par une gaine. Le coeur est compose d'un soLvant dans LequeL est dis-sous un soLuté. Le soLuté est du (biphényLyL-4)-phényl-6 benzoxazole (couramment noté PBBO). Le soLvant peut être du poLystyrène ou du PVT. De manière préférée, on utiLise du poLystyrène. La concentration du soLuté est comprise dans une gamme alLant de 10-3 à 10-2 gramme de soLuté par gramme de solvant. De manière preférée, on utilise une concentration supérieure ou égale à 4.1C-3 gramme de soluté par gamme de solvant. La présente invention a aussi pour objet un détecteur comportant un assembLage de telles fibres dont le soLuté unique dû scintillateur est du PBBO. Les caractéristiques et avantages de L'invention apparatront mieux après La description qui suit, donnée à titre expLicatif et nullement Limitatif. Cette description se réfère à des dessins annexés sur lesquels : - La figure 1, relative à L'art antérieur et déjà décrite, représente schématiquement Les courbes d'anscrption et d'émission du solvant et des deux solutés ; - La figure 2 représente schématiquement une fibre seLon l'invention ; - la figure 3 représente schématiauement un faisceau ce fibres réalisant un détecteur selon l'invention. La figure 2 représente schématiquement une fibre selon L'invention. Cette dernière est composée d'un coeur 10 entoure d'une gaine 12. Cette gaine 12 est en polyméthylmétacrylate (PUMA) par exemple. SeLon L'invention, le coeur est compose d'un solvant dans LequeL est dissous un soLuté unique. Le solvant peut être du polystyrène ou du polyvinyltoluène (PVT). Le soluté est du (biphénylyl-4)-phényl-6 benzoxazole (PBBO). Ce soluté organique est fabriqué par La Société Ciba. Dans La notice technique éditée par cette Société Ciba et présentant Les solutés organiques utiLisabLes comme scintillateurs, le PBBO est présenté comme un soluté secondaire donc obligatoirement utilisé en compagnie d'un autre soluté. La concentration au soluté est comprise dans une gamme allant de 10-3 à 10-2 gramme de soluté par gramme de solvant. En dessous de 10-3 gramme de soluté par gramme de solvant, le rendement Lumineux est faible : Les signaux émis sont difficilement expLoitabLes. Toutefois, des essais ont montré que ta concentration pouvait être abaissée jusqu'à 2.10-4 gramme de soLuté par gramme de soLvant. Sans saturer La soLution, La concentration peut dépasser 10-2 gramme de soluté par gramme de solvant. Mais dans ce cas, Le rendement Lumineux n'augmente pas de manière significative. La concentration La ptus favorable se situe environ à 4.10-3 gramme de soluté par gramme de solvant. De manière avantageuse, te diamètre du coeur équivaut environ à 90 % au diamètre de la fibre. Le diamètre total de La fibre est oe 50 micromètres, par exemple. Ce diamètre correspond à La résolution du détecteur formé de teilles fibres. Après La mesure d'une trajectoire d'une particule ionisante traversant un détecteur, cette résolution peut être abaissée artificiellement par L'intermédiaire d'un calcul effectué à l'ordinateur. Le tableau ci-dessous, réalisé avec des fibres de 1 mm de diamètre permet La comparaison entre Les caractéristiques d'une fibre selon L'art antérieur dont Le coeur comprend deux solutés (butyle-PBD + dimethyLe-POPOP) et une fibre selon L'invention à soluté unique (PBBO) pour trois concentrations différentes. Signal Signal Longueur d'émission d'émission SoLutés d'absorption du produit de La fibre 50 1 X BPBD + 2.10-4 DM POPOP 350 m 85 5,8 2.10-3 PBBO 25 m 42 15,5 4.10-3 PBBO 17 m 64 49,3 8.10-3 PBBO 10 m 100 91,8 On constate que La longueur d'absorption de 17 micromètres pour une concentration de 4.10-3 de PBBO permet d'éliminer presque complètement Les pertes de Lumière vers L'extérieur d'une fibre de 50 micromètres de diamètre. Simultanément, dans un détecteur à fibres jointives, Le problème posé par La diaphotie est résolu. Une Longueur d'absorption plus courte est obtenue avec une concentration de 8.10-3 de PBBO. Mais La Longueur d'atténuation tombe alors en dessous du mètre. Le signal correspond à des intensités Lumineuses reLatives mesurées après excitation de couches minces de matériau formant Le coeur et non après excitation d'une fibre. Le matériau dopé à 8.10-3 de PBBO présente L'intensité lumineuse la plus grande ; cette intensité est affectée d'un coefficient 100 et sert de référence. Le procédé de fabrication des fibres selon L'invention ne diffère pas des procédés habituellement employés. Le PBBO est incorporé au poLystyrene à La fin de La purification. L'ensembLe est ensuite polymérisé thermiquement en ampoule de verre sceLLée sous vide. Les préformes ainsi obtenues sont revêtues d'un matériau de bas indice (poLyméthylmetacrylate ou acétate de vinyLe par exempLe) puis étirées à chaud (2000C) sur banc d'étirage. Le diamètre de préforme, sa vitesse de descente et La vitesse d'étirage déterminent Le diamètre de La fibre. La figure 3 représente -schématiquement un détecteur conforme à L'invention. Les fibres selon L'invention, d'un diamètre de 50 micromètres sont difficilement manipulabLes. On commence donc par assembler, par exemple, 331 fibres de 1,5 mm de diamètre pour constituer une préforme hexagonale ayant Il fibres de côté (environ 28 mm sur plat) ; après étirage, Le câble obtenu comprend 331 fibres élémentaires de 50 micromètres presentant une section hexagonale de 1 mm sur plat. Un détecteur complet a été réalise sous forme d'un faisceau 14 de, par exemple, 331 câbles hexagonaux 16 (seulement quelques uns de ces câbles 16 sont représentés sur La figure 3) ; ce detecteur de 200 mm de Long possède également une section hexagonale, de 19 mm sur plat. L'utilisation du PBBO comme solute unique du scintillateur permet donc, dans des fibres d'un diamètre de 50 micromètres, d'eLiminer pratiquement toute fuite de lumière de scintillation du soLvant vers l'extérieur de La fibre. Ce phénomène, outre qu'il améliore Le rendement Lumineux d'une fibre isoLée, permet d'éviter La diaphotie à L'intérieur d'un détecteur. Les fibres conformes à L'invention présentent une Longueur d'atténuation qui peut être superieure au mètre. Revendications 1. Fibre optique scintillante comprenant un coeur (10) entouré d'une gaine (12), ce coeur étant composé d'un scintiLLatesr formé par un soluté unique dissous dans un solvant, caracérisee en ce que le soluté est du (biphénylyl-4)-phényl-6 benzoxazole (PBBO). 2. Fibre optique scintiLLante selon La revendication 1, caractérisée en ce que Le PBBO est dissous dans Le solvant, à une concentration comprise dans une gamme allant de 10-3 à 10-2 gramme de soluté par gramme de solvant. 3. Fibre optique scintiLLante selon L'une quelconque des revenjications 1 ou 2, caractérisée en ce que la concentration de PBBO est 4.10 3 gramme pour un gramme de solvant. 4. Fibre optique scintillante selon L'une queLconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que Le solvant est du polystyrène. 5. Fibre optique scintillante selon L'une queLconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que le solvant est du poLyvinyltoLuèn. 6. Fibre optique scintillante seLon l'une queLconque des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que la gaine est en polymétacrylate de méthyle (PMMA). 7. Détecteur, caractérisé en ce qu'i-L est composé d'un assembLage de fibres optiques scintillantes conformes à L'une quelconque des revendications 1 à 6.