Détecteurs d’ondes et de particules – Terminale S – Cours

Cours de tleS sur les détecteurs d’ondes et de particules – Terminale S

Un bon détecteur se juge à des caractéristiques adaptées au signal à enregistrer.

Définition

Capteur: convertisseur d’une grandeur physique en grandeur électrique analogique.

Le signal électrique: le signal électrique à la sortie d’un capteur peut être :

  • Soit lu directement par un appareil traitant les informations analogiques.
  • Soit transformé en signal numérique par un convertisseur analogique/numérique (CAN) avant d’être enregistré par un oscilloscope numérique, un ordinateur, etc.

Exemple: un récepteur d’ultrasons transforme un signal acoustique de fréquence supérieure à 20 kHz en un signal électrique qui peut être lu sur un oscilloscope.

Emission et réception d’ondes ultrasonores

Caractéristiques

Temps de réponse : si le détecteur est rapide, il peut suivre le signal en temps réel. En revanche, s’il n’est pas rapide, il ne donnera qu’une valeur moyenne du signal.

Linéarité : un détecteur linéaire produit une grandeur électrique proportionnelle au signal d’entrée. Il existe de nombreux types de détecteurs à réponse logarithmique ou quadratique.

  • L’oreille humaine est un détecteur à réponse logarithmique.
  • Un détecteur lumineux est un détecteur à réponse quadratique, sensible à la valeur moyenne de la norme du champ électrique au carré.

Uniformité: un détecteur n’est pas toujours sensible de la même manière en tout point de la surface de détection. Il faut donc connaître la réponse de chaque point du détecteur afin de corriger ses réponses.

Efficacité: elle qualifie la capacité du capteur à réagir au signal. Elle dépend des problèmes de détection liés aux zones mortes du détecteur, aux temps morts et à l’angle de détection.

Exemples de détecteurs

Détecteurs classiques:

  • Le microphone ou l’oreille pour les ondes sonores, ou le récepteur ultrason pour les hautes fréquences non audibles.
  • Le photomultiplicateur, détecteur pixélisé d’ondes électromagnétiques, le capteur CCD ou la photodiode pour les ondes électromagnétiques.
  • Le sismographe pour les ondes sismiques.

Le cas d’un photomultiplicateur:

  • Les zones mortes correspondent par exemple aux zones entre les pixels qui n’enregistrent aucun photon.
  • Les temps morts correspondent au temps de transmission par détecteur lorsqu’il y a eu détection d’un photon : ils doivent être courts pour que le photon suivant puisse être détecté.
  • Si un photon arrive avec un angle tel qu’il ne peut entrer dans le détecteur, il ne sera pas détecté : on définit alors l’acceptance du détecteur, qui dépend de l’angle de détection.

Cas d’un détecteur de muons cosmiques:

L’objectif est par exemple la radiographie d’un volcan par les muons :

  • Chaque plan de détection est constitué par des détecteurs en barreaux de scintillateurs (substance plastique polystyrène dopée) : un muon traverse un barreau de scintillateur et y laisser une partie de son énergie, qui est utilisé par des molécules pour passer d’un niveau énergétique stable vers un second niveau excité.
  • La désexcitation crée un photon (émission spontanée), qui est transmis au photomultiplicateur (PM) par fibre optique.
  • Au niveau de chaque PM, le photon est transformé en électron (par effet photoélectrique) : un courant électrique est ainsi crée

 



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