Développements récents sur les détecteurs cryogéniques, applications dans la recherche et l’industrie

Cryogenics detectors: recent developments and applications in research and industry

Bureau national de métrologie, Laboratoire national Henri Becquerel, CEA-Saclay, 91191 Gif-sur-Yvette, France

Reçu : 12 Février 2004
Accepté : 8 Juillet 2004

Résumé

Les performances remarquables des détecteurs fonctionnant à très basse température ont franchi les limites inhérentes aux détecteurs conventionnels à semi-conducteur ou à scintillateur. Ceci s’explique par les principes physiques de détection exploités par les différentes technologies développées aujourd’hui. L’élégance de ces technologies est de mettre en jeu la création de quanta d’énergie inférieure de trois à quatre ordres de grandeur par rapport à celle des détecteurs classiques. Les très faibles fluctuations statistiques du nombre de quanta créés pour une interaction donnent ainsi accès à des seuils de détection et des résolutions en énergie meilleurs de un à deux ordres de grandeur. De plus le rendement de détection n’est pas limité à basse énergie comme dans le cas des semi-conducteurs en germanium ou en silicium. Les détecteurs cryogéniques sont aujourd’hui développés et utilisés dans des applications multiples (caméras pour télescopes, spectromètres imageurs, analyse de matériaux par fluorescence X, mesure d’activité, ...), qui recouvrent la détection des rayonnements sub-millimétriques, infrarouges, UV, X, gamma, bêta et des particules alpha. L’apparition très récente sur le marché de réfrigérateurs sans liquide cryogénique et très simples d’utilisation ouvre de nouvelles perspectives d’applications industrielles de ces détecteurs.

Abstract

Cryogenics detectors: recent developments and applications in research and industry. The performance of low temperature detectors has far exceeded the inherent limits of conventional semiconductor and scintillation detectors. This stems from the detection physics used by the different technologies being developed nowadays. The neat idea behind these technologies is to split the energy of an incident photon or particle over a very large number of quanta, larger by several orders of magnitude than in classical detectors. Hence low statistical fluctuations on the energy determination for an individual interaction lead to energy detection thresholds and energy resolutions better by one or two orders of magnitude. An additional asset is that detection efficiency is not limited at low energies as it is the case for germanium or silicon detectors. Low temperature detectors are being developed and used in numerous applications (imaging arrays for astrophysics, dark matter and neutrino physics, atomic, nuclear and particle physics, material science, biology and medical science, ...) covering detection of different nature of particles over a very large energy range (sub-millimetre, infra-red, UV, X-rays, gamma photons, but also beta, alpha particles, and bio-molecules). Introduction of automated cryogen-free refrigerators on the market opens new prospects of industrial applications for these detectors of hitherto unequalled performance.