Brevet FR2768522A1 — publié le 19990319

DETECTEUR A SCINTILLATION, REVETEMENT REFRACTEUR POUR SCINTILLATEUR ET PROCEDE DE FABRICATION D'UN TEL REVÊTEMENT Domaine technique La présente invention concerne un revêtement optique comportant au moins une couche réfractrice de la lumière, et utilisable pour effectuer un piégeage de la lumière dans un matériau. L'invention trouve plus particulièrement des applications pour le piégeage de la lumière de scintillation dans un cristal de scintillateur. Les scintillateurs se présentent généralement sous la forme de blocs de matériau inorganique cristallin, dit scintillant. Ce matériau est capable de transformer tout ou partie de l'énergie d'un rayonnement ionisant le traversant en une lumière de scintillation. Les scintillateurs sont utilisés dans la fabrication de dispositifs de détection de rayonnements ionisants dans lesquels ils sont associés à des photodétecteurs sensibles à la lumière de scintillation. Généralement, dans un dispositif de détection à scintillation le ou les photodétecteurs ne couvrent qu une partie des parois du bloc de matériau scintillant. Ainsi, une partie de la lumière de scintillation émise n'est pas détectée mais quitte le scintillateur ou est absorbée dans le matériau scintillant, avant d'atteindre un photodétecteur. Les performances d'un dispositif de détection à scintillation dépendent de la quantité de lumière reçue par le photodétecteur et donc du rendement de collection de lumière défini comme la proportion de lumière détectée par rapport à la lumière émise. Le rendement de collection dépend essentiellement des dimensions du scintillateur et de la transparence du matériau scintillant à la lumière de scintillation. Le rendement de collection peut également être augmenté en piégeant la lumière de scintillation dans le scintillateur. Ce piégeage, comme indiqué ci-dessus, est une des applications principales du revêtement objet de l'invention. Etat de la technique antérieure Les figures 1 à 3 annexées, décrites ci-après, montrent différentes mesures connues, envisagées pour augmenter le rendement de collection des détecteurs à scintillateur. Sur ces figures des références identiques indiquent respectivement des parties identiques ou similaires. Sur la figure 1 la référence 10 désigne un bloc cristallin de matériau scintillant formant un scintillateur. Sur la face 12 du cristal 10 est fixé un photodétecteur 13 tel qu'un photomultiplicateur, par exemple, pour détecter la lumière de scintillation et délivrer un signal électrique de détection. Dans l'exemple de la figure 1, les parois 14 du scintillateur sont polies afin de confiner dans le scintillateur la lumière qui subit une réflexion totale sur les parois. Une flèche 18 indique un rayonnement ionisant tel qu'un rayonnement r qui pénètre dans le matériau scintillant. Au point référencé 20 a lieu une interaction avec émission de lumière de scintillation. Les références 21, 22, 23 correspondent respectivement à trois types de trajets que peut effectuer un rayon lumineux produit lors de l'interaction au point 20. Dans le premier cas, un rayon 21 effectue une trajectoire orientée directement vers le photodétecteur. Un tel rayon effectue un trajet de faible distance dans le matériau scintillant. Il n'est donc pas absorbé mais est détecté par le photodétecteur 13. Dans un deuxième cas, un rayon 22 atteint une paroi 14 du scintillateur avec un angle 6, mesuré par rapport à la normale à la paroi 14, tel que 0 > 0c où Oc=arcsin(1/n) et où n est l'indice de réfraction du matériau scintillant. Dans ce cas, le rayon 22 est réfléchi par réflexion totale et ne quitte pas le scintillateur. Il peut ainsi éventuellement atteindre le photodétecteur. Dans un troisième cas, un rayon 23 atteint la paroi 14 avec un angle 0, mesuré par rapport à la normale à la surface de la paroi 14, qui est inférieur à l'angle Oc défini ci-dessus. Le rayon 23 est réfracté à l'extérieur du scintillateur et ne peut plus être détecté. Une solution envisagée pour augmenter le rendement de collection est représentée à la figure 2. Elle consiste à envelopper le scintillateur 10 avec une feuille 30 de matériau formant un diffuseur opaque. Il s'agit, par exemple, d'une feuille de papier blanc. La feuille opaque 30, qui constitue une enveloppe, est séparée du scintillateur 10 par une mince couche d'air 32. L'épaisseur très faible de cette couche, de l'ordre de 10 à 100 um est fortement exagérée sur la figure 2 pour des raisons de clarté. L'épaisseur de la feuille 30 est également exagérée. Sur la figure 2 les références 21 et 22 désignent respectivement des rayons lumineux de scintillation atteignant directement le photodétecteur ou subissant une réflexion totale sur une paroi 14 du scintillateur. La référence 23 désigne un rayon qui atteint la paroi 14 avec un angle tel (0 Ainsi, grâce à l'enveloppe 30, la lumière de scintillation est en quelque sorte confinée dans le scintillateur et le rendement de collection est amélioré. Un dispositif conforme à la figure 2 souffre cependant d'un inconvénient majeur lié à l'épaisseur de la feuille opaque 30 qui est de l'ordre de quelques dixièmes de millimètres. En effet, un grand nombre de détecteurs de rayonnements ionisants sont des détecteurs segmentés comprenant une pluralité de scintillateurs juxtaposés formant chacun un détecteur élémentaire. Or, pour les détecteurs segmentés, il convient que les détecteurs élémentaires adjacents soient les plus jointifs possibles. I1 faut en outre que les détecteurs élémentaires soient optiquement isolés, et présentent un rendement de collection élevé. Ainsi, bien que la feuille 30 opaque permette d'augmenter le rendement de collection, elle constitue, en raison de son épaisseur, un obstacle à la réalisation de détecteurs segmentés de grande compacité. Afin de ne pas nuire à la compacité des détecteurs, une autre possibilité consiste à recouvrir le scintillateur de chaque détecteur d'une couche mince opaque qui est déposée directement sur les parois du bloc de matériau scintillant. Cette solution est illustrée à la figure 3. Sur cette figure, une mince couche 40 en un matériau diffuseur ou réflecteur de la lumière, par exemple une couche métallique ou une couche de peinture blanche à l'oxyde de titane est formée sur les parois 14 du scintillateur 10. Une telle couche, dont l'épaisseur est très faible, permet de disposer de façon jointive et rapprochée les détecteurs élémentaires. Sur la figure 3, la référence 21 désigne toujours un rayon atteignant le photodétecteur directement et sans réflexion. Les rayons référencés 22 et 23 sont des rayons atteignant une paroi 14 du scintillateur. On observe que ces rayons subissent une réflexion métallique, ou sont diffusés, indépendamment de leur angle d'incidence sur la paroi 14. Ainsi avec le dispositif de la figure 3, un confinement lumineux de la lumière de scintillation peut etre obtenu. Toutefois, dans le cas où la couche mince 40 est une couche métallique, le coefficient de réflexion métallique R sur la couche mince est inférieur à 1 et la multiplication des réflexions successives sur les parois conduit à une perte de lumière. Par ailleurs, dans le cas où la couche 40 est en un matériau diffusant la lumière, la diffusion de lumière sur les parois du scintillateur augmente la longueur du parcours des rayons lumineux dans le scintillateur et favorise donc l'absorption de la lumière par le matériau scintillateur. Les pertes de lumière par réflexion métallique ou par absorption influent de façon négative sur le rendement de collection. Exposé de l'invention Un but de la présente invention est de proposer un revêtement optique utilisable, par exemple, pour le confinement optique de la lumière de scintillation dans un scintillateur, et ne présentant pas les inconvénients mentionnés ci-dessus. Un but est en particulier de proposer un tel revêtement permettant une isolation optique efficace et présentant une faible épaisseur, de façon à pouvoir être utilisé dans des détecteurs de rayonnements ionisants segmentés, comprenant des détecteurs élémentaires jointifs. Un but est également de proposer un procédé de fabrication d'un tel revêtement qui soit adapté à une mise en oeuvre industrielle et qui permette un contrôle précis de l'épaisseur du revêtement. Un but est encore de proposer un scintillateur utilisable dans un détecteur de rayonnements ionisants et présentant un revêtement optique tel que mentionné ci-dessus. Un but est encore de proposer un revêtement présentant une bonne résistance aux rayonnements ionisants. Un but est enfin de proposer un revêtement avec une bonne résistance mécanique, permettant ainsi une manipulation aisée. Pour atteindre les buts mentionnés ci-dessus, l'invention a plus précisément pour objet un détecteur à scintillation comportant - un bloc de matériau scintillant, et - une couche réfractrice, en un matériau solide présentant un faible indice de réfraction, formée sur le bloc de matériau scintillateur. De préférence, le détecteur peut comporter en outre une couche, dite de recouvrement, en un matériau diffuseur ou réflecteur de la lumière, formée sur la couche réfractrice. On entend par matériau scintillant un matériau capable de convertir un rayonnement ionisant, tel qu'un rayonnement gamma, par exemple, en un rayonnement lumineux généralement situé dans le spectre visible ou ultraviolet. A titre d'exemple de matériau scintillant, on peut citer le tungstate de plomb PbWO4 ou le germanate de bismuth (BGO). Par ailleurs, les termes de diffusion, de réflexion ou de réfraction sont compris comme s'appliquant aux longueurs d'onde de la lumière de scintillation. La combinaison de la couche réfractrice en un matériau solide (c'est-à-dire non gazeux) avec une couche de recouvrement, capable de réfléchir ou de diffuser la lumière, permet d'obtenir un excellent revêtement de confinement optique dont l'épaisseur est très faible. Selon un aspect avantageux de l'invention, permettant d'obtenir un bon rendement de collection de lumière avec un scintillateur conforme à l'invention, l'indice de réfraction de la couche réfractrice peut être choisi inférieur à 1,3. De préférence, cet indice peut être choisi inférieur ou égal à 1,26. L'épaisseur de la couche réfractrice est choisie suffisante pour permettre effectivement une réfraction de la lumière. De préférence, cette épaisseur peut être choisie entre 0,8 et 2 um. En effet, pour des épaisseurs trop faibles, la couche réfractrice pourrait, selon le matériau utilisé, se comporter comme une couche antireflet. Selon une réalisation particulière du revêtement, la couche réfractrice peut comporter des colloides de silice enrobés d'un liant. Une telle couche peut être formée aisément par un procédé sol-gel. Un tel procédé est particulièrement adapté à une mise en oeuvre industrielle. A titre d'illustration de la réalisation d'une couche par un procédé sol-gel, on peut se reporter aux documents (1) et (2) dont la référence est indiquée à la fin de la présente description. La couche de recouvrement peut être une couche de métal, par exemple une couche d'argent. Une telle couche peut être formée par évaporation sous vide selon des techniques classiques connues en soi. Eventuellement, une couche de protection, telle qu'une couche de polymère, peut être prévue pour protéger la couche métallique de l'oxydation. A titre de variante, la couche de recouvrement peut également être une couche d'oxyde de métal, par exemple une couche d'oxyde de titane. Une telle couche peut également être formée par un procédé sol-gel. Dans ce cas, on utilise de préférence un oxyde de métal à haut indice de réfraction sous la forme de colloïdes dont les particules présentent une taille moyenne suffisante pour assurer une diffusion des longueurs d'ondes de la lumière de scintillation. Il convient de préciser que, dans une application à un détecteur de rayonnements ionisants, la couche réfractrice et la couche de recouvrement peuvent être formées sur tout ou partie de la surface du scintillateur, à l'exception de la portion de surface recevant un photodétecteur. En particulier lorsque le scintillateur est un bloc cristallin présentant plusieurs faces, une ou plusieurs faces peuvent être garnies du revêtement formé par les couches mentionnées ci-dessus. L'invention concerne également un procédé de formation d'un revêtement de piégeage de la lumière sur un substrat comportant les étapes suivantes a) formation sur le substrat d'une couche sol-gel comportant des colloïdes de silice enrobés dans un liant de siloxane, b) traitement thermique pour établir des liaisons siloxane dans le liant. Dans ce procédé, les opérations a) et b) sont répétées jusqu'à l'obtention d'un revêtement présentant une épaisseur comprise entre 0,8 et 2 pm. En particulier, le substrat peut être un bloc de matériau scintillant. Grâce à ce procédé, on obtient un revêtement homogène et exempt de craquelures et/ou de plans de clivage internes. De plus, les couches formées résistent à l'abrasion et aux rayonnements y, X, et de neutrons. De préférence, les étapes a) et b) peuvent être précédées par l'application sur le substrat d'une couche de promoteur d'adhérence. La couche sol-gel est alors appliquée sur la couche de promoteur d'adhérence. Le promoteur d'adhérence est, par exemple, un époxy-alkoxysilane. De plus, avant d'appliquer une couche sur le substrat, il est possible de procéder à une étape de nettoyage consistant à nettoyer le substrat avec une solution aqueuse détergente et à le rincer à l'eau puis à l'alcool. On obtient ainsi un substrat dont la surface est très hydrophile. Dans le procédé de l'invention, la couche solgel peut avantageusement être déposée par trempage. Selon un autre aspect de l'invention, le procédé peut comporter en outre, après les étapes a) et b), la formation d'une couche de recouvrement en un matériau diffuseur ou réflecteur de la lumière. La couche de recouvrement peut être une couche métallique réfléchissant la lumière ou une couche d'oxyde métallique diffusant la lumière. Dans le second cas, la couche d'oxyde métallique peut également être formée par trempage et selon un procédé de type sol-gel. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront mieux de la description qui va suivre, en référence aux figures des dessins annexés. Cette description est donnée à titre purement illustratif et non limitatif. Brève description des figures - Les figures 1 à 3, déjà décrites, sont des coupes schématiques simplifiées de détecteurs de rayonnements ionisants à scintillateur, de type connu. - La figure 4 est une coupe schématique simplifiée d'un détecteur de rayonnement ionisant avec un scintillateur conforme à l'invention. Description de modes de mise en oeuvre de l'invention Sur la figure 4, des parties identiques ou similaires à des parties des figures 1 à 3 portent les mêmes références auxquelles on a ajouté 100. Il est ainsi possible au sujet de ces parties, de se reporter à la description qui précède. Le détecteur de la figure 4 comporte un bloc 110 de matériau scintillant constituant un scintillateur. Il s'agit, par exemple, d'un cristal de PbW04. Sur une face 112 du cristal est fixé un photomultiplicateur 113 représenté de façon très schématique. Enfin, les parois extérieures 114 du scintillateur sont recouvertes d'un revêtement bicouche 150, 152. Une première couche 150, dite réfractrice, est formée, soit directement sur le matériau scintillant, soit sur une couche d'adhérence 151 en un époxyalkoxysilane, représentée en trait discontinu. La couche réfractrice, d'une épaisseur comprise entre 0,8 um et 2 um présente un indice de réfraction inférieur à 1,3 et inférieur à l'indice de réfraction du matériau scintillant. Dans l'exemple décrit, la couche réfractrice est une couche colloidale. Elle comporte des colloïdes de silice enrobés dans un liant siloxane. Un procédé de fabrication sol-gel permet de garantir à cette couche une bonne résistance à l'abrasion. Une deuxième couche 152, dite de recouvrement est formée sur la couche réfractrice 150. La couche 152 est une couche d'argent déposée par évaporation sous vide. Cette couche, d'une épaisseur de l'ordre de 0,1 pm constitue une couche réflectrice de la lumière de scintillation. Elle peut être protégée par une couche extérieure 153 de polymère représentée en trait discontinu sur la figure 4. Par analogie avec les figures précédentes, les références 118 et 120 désignent respectivement un rayonnement ionisant pénétrant dans le scintillateur et un point d'interaction de ce rayonnement avec le matériau scintillant. La référence 122 indique un rayon lumineux émis par scintillation qui est réfléchi sur la paroi 114 du scintillateur. La référence 123 indique un rayon lumineux qui est réfracté dans la couche réfractrice 150, hors du scintillateur. Ce rayon, lorsqu'il atteint la couche de recouvrement 152 est réfléchi, et est renvoyé dans le matériau scintillant. Ainsi, la lumière de scintillation est confinée dans le matériau scintillant et le rendement de collection est amélioré. A titre de variante, la couche d'argent formant la couche de revêtement 152 peut être remplacée par une couche d'oxyde métallique telle qu une couche d'oxyde de titane. La couche de revêtement est alors une couche diffusant la lumière. A cet effet, la couche présente de préférence un haut indice de réfraction, supérieur à 1,8. La couche de revêtement comporte par exemple des colloides d'oxyde métallique dont la taille moyenne de particules est suffisante pour assurer la diffusion des longueurs d'onde de la lumière de scintillation. REVENDICATIONS 1. Détecteur à scintillation comportant - un bloc de matériau scintillant (110), et - un revêtement de piégeage de la lumière avec une couche réfractrice (150), en un matériau solide présentant un faible indice de réfraction, formée sur le bloc de matériau scintillant. 2. Détecteur à scintillation selon la revendication 1 comportant en outre une couche (152), dite de recouvrement, en un matériau diffuseur ou réflecteur de la lumière, formée sur la couche réfractrice (150). 3. Détecteur à scintillation selon la revendication 1, dans lequel la couche réfractrice (150) présente un indice de réfraction inférieur à 1,3. 4. Détecteur à scintillation selon la revendication 1, dans lequel la couche réfractrice (150) présente une épaisseur comprise entre 0,8 et 2 um 5. Détecteur à scintillation selon la revendication 1, dans lequel la couche réfractrice comporte des colloides de silice enrobés d'un liant. 6. Détecteur à scintillation selon la revendication 2, dans lequel la couche de recouvrement (152) est une couche de métal, réflecteur de la lumière. 7. Détecteur à scintillation selon la revendication 2, dans lequel la couche de recouvrement (152) est une couche d'oxyde métallique diffuseur de la lumière. 8. Dispositif de détection de rayonnements ionisants comportant un détecteur à scintillation et au moins un photodétecteur associé au détecteur à scintillation, caractérisé en ce que le détecteur à scintillation est conforme à l'une des revendications 1 à 7. 9. Revêtement de piégeage de la lumière pour un détecteur selon la revendication 1, comportant une couche réfractrice (150) de lumière comprenant des colloides de silice et présentant un indice de réfraction inférieur à 1,3. 10. Revêtement selon la revendication 9, dans lequel la couche réfractrice présente une épaisseur comprise entre 0,8 et 2 um. 11. Revêtement selon la revendication 9 ou 10, caractérisé en ce qu'il comporte en outre une couche (152) de matériau diffuseur ou réflecteur de la lumière formée sur la couche réfractrice de la lumière. 12. Procédé de formation d'un revêtement de piégeage de la lumière sur un bloc de matériau scintillant d'un détecteur selon la revendication 1, le procédé comportant les étapes suivantes a) formation sur le bloc (110) d'une couche sol-gel (150) comportant des colloides de silice enrobés dans un liant de siloxane, b) traitement thermique pour établir des liaisons siloxane dans le liant, dans lequel les opérations a) et b) sont répétées jusqu'à l'obtention d'un revêtement présentant une épaisseur comprise entre 0,8 et 2 um. 13. Procédé selon la revendication 12, dans lequel l'étape a) est précédée par l'application sur le substrat d'une couche (151) de promoteur d'adhérence, la couche sol-gel (150) étant appliquée sur la couche de promoteur d'adhérence (151). 14. Procédé selon la revendication 13, dans lequel le promoteur d'adhérence (151) est un époxyalkoxysilane. 15. Procédé selon la revendication 12, dans lequel la couche sol-gel (150) est déposée par trempage. 16. Procédé selon l'une des revendications 12 à 15, comprenant en outre, après les étapes a) et b), la formation d'une couche de recouvrement (152) en un matériau diffuseur ou réflecteur de la lumière. 17. Procédé selon la revendication 16, dans lequel la couche de recouvrement (152) est une couche d'argent formée par évaporation sous vide. 18. Procédé selon la revendication 16, dans lequel la couche de recouvrement (152) est une couche sol-gel utilisant au moins un oxyde métallique.