Brevet FR2733494A1 — publié le 19961031

CRISTAL SCINTILLATEUR ET UTILISATION COMME DÉTECTEUR DE NEUTRINOS La présente invention concerne un nouveau cristal à base d'indium et de fluor utilisable de façon générale comme scintillateur et notamment comme détecteur de neutrinos. Dans la demande de brevet WO-A-92/15026, intitulée "procédé de détection et détecteur de neutrinos'', le demandeur a proposé d'utiliser comme détecteur de neutrinos un assemblage de monocristaux de fluorindate, pour tirer partie des interactions avec les atomes de fluor et avec les atomes d' indium. Il a également été indiqué qu'il était souhaitable de fabriquer des monocristaux de relativement grande dimension (quelques centimètres carrés de section et de préférence au moins 10 cm de longueur) pour permettre la réalisation d'un assemblage de grand volume. Alors que toutes les données théoriques présentées dans cette demande de brevet antérieure se sont révélées correctes, il s'est avéré que les fluorindates existants de formule générale MInxFy où M est choisi dans le groupe d' éléments comprenant les alcalins et les alcalino-terreux étaient extrêmement difficiles à fabriquer ou à doper, ou présentaient d'autres inconvénients tels qu'une instabilité ou une mauvaise résistance aux conditions ambiantes. En conséquence, les demandeurs ont recherché à obtenir un nouveau cristal contenant du fluor et de l'indium et pouvant notamment servir de détecteur de neutrinos. Leurs études les ont amené à synthétiser un nouveau cristal, à ce jour jamais décrit à leur connaissance, qui est le CsMgInF6. Ce cristal appartient à la famille des pyrochlores fluorés à maille cubique de paramètre de maille a=104,5 nm. I1 présente une densité de 4,4 g/cm3, ce qui est comparable aux scintillateurs déjà connues tels que NaI (3,67 g/cm3) et CsI (4,52 g/cm3), et permet donc la réalisation de détecteurs compacts. Ce cristal est constitué d'éléments (Cs, In) dont le nombre atomique Z est élevé ce qui favorise la détection de rayons gamna de faible énergie par effet photoélectrique. La présence d'indium est indispensable pour la détection des neutrinos mais elle permet également celle des neutrons épithermiques grâce à la section efficace de capture résonnante de l'indium à 1,46 eV de 104 barn. Comme la plupart des fluorures, les cristaux de CsMgInF6 sont transparents et possèdent un indice de réfraction proche de celui du verre, ce qui facilite le couplage optique avec un photomultiplicateur lors de la réalisation de détecteurs à scintillation. Le composé CsMgInF6 ne présente pas de scintillation intrinsèque. I1 scintille en revanche par substitution partielle de l'un de ses trois cations (Cs, Mg, In) par un cation activateur. Cette matrice cristalline offre pour les dopages des sites monovalent, divalent ou trivalent, et permet ainsi un large choix parmi les ions activateurs en fonction de 1 'applica- tion visée. En effet, les propriétés de scintillation (constante de temps, spectre d'émission) sont liées à la nature de l'ion dopant. Ainsi, la détection de particules exige un temps d'émission inférieur à la microseconde et des longueurs d'ondes compa tibles avec la sensibilité des photomultiplicateurs (proche ultra-violet).Pour cette application, on pourra utiliser un dopage par des ions de thallium (Tl+) en substitution d'une partie, par exemple 10 %, des ions de césium (Cs+) ou des ions de bismuth (Bi3+) en substitution des ions d'indium (In3+). Des constantes de temps inférieures à 250 ns ont été mesurées dans une matrice dopée avec ces deux ions. La détection de particules alpha a également été obtenue en couplant un cristal dopé à un photomultiplicateur du type Xi20209. La scintillation a aussi été mesurée sous faisceau de rayons X avec d'autres ions dopants tels que Mn2+, la plupart des terres rares (Eu3+, Pr3+, Gd3+, Tb3+, Dy3+...). La substitution d'ions de transition tels que Cr3+ et Fe3+ s'est également avérée aisée. Ceux-ci, au même titre que certains ions cités précédemment, peuvent être utilisés dans CsMgInF6 pour des applications laser. Ainsi, un avantage du cristal selon l'invention est qu'il se prête particulièrement bien à être dopé et qu'il peut recevoir des cations dopants de type distincts. Par ailleurs, ce cristal est simple à fabriquer par des procédés classiques. Plus particulièrement, les inventeurs ont utilisé des poudres de fluorures de Cs, Mg, In (CsF, MgF2, InF3), ont mélangé ces poudres en proportion stoechiométrique, puis les ont placées dans un creuset qui a été chauffé à une température de 1100 C en atmosphère neutre, par exemple sous argon, et des cristaux ont été tirés par la méthode de Bridgman. Cette méthode présente l'avantage de fournir directement des cristaux ayant la forme définitive, par exemple hexagonale, sans perte de matière. Le matériau obtenu possède d'excellentes propriétés mécaniques et de stabilité : il est non hygroscopique et se prête aisément au découpage et au polissage. Pour obtenir des cristaux dopés, on réduira la proportion de l'un au moins des fluorures de Cs, Mg, In et on ajoutera une proportion complémentaire d'un fluorure du ou des dopants choisis. Par exemple, si le dopant est du thallium, on réduira la proportion de fluorure de césium au profit de fluorure de thallium. Si le dopant est du bismuth, on réduira la proportion de fluorure d'indium au profit d'un fluorure de bismuth. La vitesse de croissance peut être relativement rapide, par exemple de 1 à 2 millimètres par heure. Des premiers essais réalisés par les inventeurs ont fourni des cristaux d'une longueur de 6 cm et d'un diamètre équivalent de 2 cm. Toutefois, ces dimensions n'étaient limitées que par les conditions de l'expérience et l'on peut raisonnablement s'attendre à obtenir sans difficultés des cristaux d'une longueur de 20 cm et d'un diamètre équivalent de 5 cm. Pour réaliser un détecteur de neutrinos solaires mettant en oeuvre 10 tonnes d'indium, il faudra donc prévoir 20oye0 cristaux hexagonaux de CsMgInF6 ayant les dimensions susdites. Ce détecteur mesurerait alors avec une précision de 7 % sur quatre ans chacune des composantes du spectre de neutrinos solaires grâce à sa capacité, indiquée dans la demande de brevet susmentionnée, de détermination de l'énergie des neutrinos sur tout le spectre (0,3-14 MeV). Bien entendu, la présente invention est susceptible de diverses variantes. Notamment, d'autres procédés classiques de cristallisation pourront être utilisés pour fabriquer le nouveau cristal selon l'invention. REVENDICATIONS 1. Nouveau cristal caractérisé en ce qu'il répond à la formule CsMgInF6- 2. Cristal selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il a la structure cristalline de la famille des pyrochlores fluorés à maille cubique, son paramètre de maille étant égal à 104,5 nm. 3. Cristal selon la revendication 1, caractérisé en ce que sa densité est de 4,4 g/cm3. 4. Cristal selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il est dopé par des ions de thallium en substitution de certains ions de césium. 5. Cristal selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il est dopé par des ions de bismuth en substitution de certains ions d'indium. 6. Cristal selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il est dopé par des ions de terres rares ou de métaux de transition. 7. Procédé de fabrication d'un cristal selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes préparer et mélanger des fluorures de Cs, Mg et In (CsF, MgF2, InF3), chauffer à une température d'environ 1100 C en atmos phère neutre, et procéder à un tirage selon la méthode de Bridgman. 8. Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que les fluorures initiaux sont préparés sous forme de poudre. 9. Utilisation d'un cristal selon l'une quelconque des revendications 1 à 6 comme scintillateur. 10. Utilisation d 'un cristal selon les revendications 1, 4 ou 5 comme détecteur de neutrinos.