Dosimétrie des rayonnements

Le compteur Geiger , également connu sous le nom de compteur Geiger-Mueller , est un appareil électrique qui détecte différents types de rayonnements ionisants . Cet appareil doit son nom aux deux physiciens qui ont inventé le compteur en 1928. Mueller était un élève de Hans Geiger.  Le compteur Geiger est largement utilisé dans des applications telles que la dosimétrie des rayonnements, la protection radiologique , la physique expérimentale et l’industrie nucléaire. Un compteur Geiger se compose d’un tube Geiger-Müller (l’élément de détection qui détecte le rayonnement) et de l’électronique de traitement, qui affiche le résultat.

Le compteur Geiger peut détecter les rayonnements ionisants tels que les particules alpha  et  bêta , les  neutrons et  les rayons gamma en  utilisant l’effet d’ionisation produit dans un tube Geiger – Müller, qui donne son nom à l’instrument. La tension du détecteur est ajustée pour que les conditions correspondent à la région Geiger-Mueller .

Dans cette région, la tension est suffisamment élevée pour fournir aux électrons primaires une accélération et une énergie suffisantes pour qu’ils puissent ioniser des atomes supplémentaires du milieu. Ces ions secondaires (amplification de gaz) formés sont également accélérés, provoquant un effet connu sous le nom d’ avalanches de Townsend . Ces avalanches peuvent être déclenchées et propagées par des photons émis par des atomes excités dans l’avalanche d’origine. Étant donné que ces photons ne sont pas affectés par le champ électrique, ils peuvent interagir loin (par exemple latéralement à l’axe) de l’avalanche primaire, l’ensemble du tube Geiger participe au processus.

Un signal fort (le facteur d’amplification peut atteindre environ 10 ¹⁰ ) est produit par ces avalanches de forme et de hauteur indépendamment de l’ionisation primaire et de l’énergie du photon détecté. L’impulsion de tension dans ce cas serait un grand ≈ 1,6 V. facilement détectable. L’avantage technique d’un compteur Geiger est sa simplicité de construction et son insensibilité aux petites fluctuations de tension. Il est très utile pour la mesure générale du rayonnement nucléaire, mais il présente deux inconvénients importants.

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  Étant donné que la hauteur d’impulsion est indépendante du type et de l’énergie du rayonnement, la discrimination n’est pas possible. Il n’y a aucune information sur la nature de l’ionisation à l’origine du pouls.

• En raison de la grande avalanche induite par toute ionisation, un compteur Geiger met longtemps (environ 1 ms) à récupérer entre les impulsions successives. Par conséquent, les compteurs Geiger ne sont pas en mesure de mesurer des taux de rayonnement élevés en raison du « temps mort » du tube.

Il existe une différence subtile mais importante entre les chambres d’ionisation et les compteurs Geiger . Une chambre d’ionisation produira un courant proportionnel au nombre d’électrons collectés chaque seconde (aucune amplification ne se produit). Ce courant est moyenné et est utilisé pour piloter une lecture d’affichage en Bq, ou μSv / h. Les compteurs proportionnels et Geiger ne fonctionnent pas de cette manière. Au lieu de cela, ils amplifient chacune des salves d’ionisation individuelles afin que chaque événement ionisant soit détecté séparément. Ils mesurent donc le nombre d’événements ionisants (c’est pourquoi ils sont appelés compteurs). Alors que les chambres d’ionisation peuvent fonctionner en mode courant ou impulsion, les compteurs proportionnels ou les compteurs Geiger sont presque toujours utilisés dansmode d’impulsion . Contrairement aux compteurs proportionnels, les compteurs GM sont principalement utilisés pour l’ instrumentation portable en raison de sa sensibilité, de son circuit de comptage simple et de sa capacité à détecter un rayonnement de faible niveau.

En général, les semi – conducteurs sont des matériaux, inorganiques ou organiques, qui ont la capacité de contrôler leur conduction en fonction de la structure chimique, de la température, de l’illumination et de la présence de dopants. Le nom semi-conducteur vient du fait que ces matériaux ont une conductivité électrique entre celle d’un métal, comme le cuivre, l’or, etc. et un isolant, comme le verre. Ils ont un écart énergétique inférieur à 4eV (environ 1eV). En physique du solide, cet intervalle d’énergie ou bande interdite est une plage d’énergie entre la bande de valence et la bande de conductionoù les états électroniques sont interdits. Contrairement aux conducteurs, les électrons d’un semi-conducteur doivent obtenir de l’énergie (par exemple à partir de rayonnements ionisants) pour traverser la bande interdite et atteindre la bande de conduction. Les propriétés des semi – conducteurs sont déterminées par l’écart d’énergie entre les bandes de valence et de conduction.

Types de semi-conducteurs

Matériaux semi-conducteurs

Il existe de nombreux types de semi-conducteurs dans la nature et d’autres synthétisés dans les laboratoires; cependant, les plus connus sont le silicium (Si) et le germanium (Ge).

Types de semi-conducteurs:

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  Silicium. Le silicium est un élément chimique de numéro atomique 14, ce qui signifie qu’il y a 14 protons et 14 électrons dans la structure atomique. Le symbole chimique du silicium est Si . Le silicium est un solide cristallin dur et cassant avec un éclat métallique bleu-gris, c’est un métalloïde tétravalent et un semi-conducteur. Le silicium est principalement utilisé pour les détecteurs de particules chargées (en particulier pour le suivi des particules chargées) et les détecteurs de rayons X mous. La grande énergie de bande interdite (Egap = 1,12 eV) nous permet de faire fonctionner le détecteur à température ambiante, mais le refroidissement est préférable pour réduire le bruit. Les détecteurs à base de silicium sont très importants en physique des hautes énergies. Étant donné que les détecteurs à base de silicium sont très bons pour suivre les particules chargées, ils constituent une partie importante du système de détection du LHC au CERN.

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  Germanium. Le germanium est un élément chimique de numéro atomique 32, ce qui signifie qu’il y a 32 protons et 32 ​​électrons dans la structure atomique. Le symbole chimique du germanium est Ge . Le germanium est un métalloïde brillant, dur, blanc grisâtre dans le groupe du carbone, chimiquement similaire à son groupe voisin de l’étain et du silicium. Le germanium pur est un semi-conducteur d’aspect similaire au silicium élémentaire. Le germanium est largement utilisé pour la spectroscopie des rayons gamma. En spectroscopie gamma, le germanium est préféré en raison de son numéro atomique beaucoup plus élevé que le silicium et qui augmente la probabilité d’interaction des rayons gamma. Le germanium est plus utilisé que le silicium pour la détection des radiations car l’énergie moyenne nécessaire à la création d’une paire électron-trou est de 3,6 eV pour le silicium et de 2,9 eV pour le germanium, ce qui offre à ce dernier une meilleure résolution en énergie. En revanche, le germanium a une petite énergie de bande interdite (E _gap = 0,67 eV), ce qui nécessite de faire fonctionner le détecteur à des températures cryogéniques.

• Diamant . Le diamant est une forme solide de l’élément carbone avec ses atomes disposés dans une structure cristalline appelée diamant cubique. Les diamants sont également de très bons isolants électriques, ce qui est étrangement à la fois utile et problématique pour les appareils électriques. Le diamant est un semi-conducteur à large bande interdite (Egap = 5,47 eV) à fort potentiel comme matériau de dispositif électronique dans de nombreux dispositifs. Les détecteurs au diamant présentent de nombreuses similitudes avec les détecteurs au silicium, mais devraient offrir des avantages importants, en particulier une dureté de rayonnement élevée et des courants de dérive très faibles.
• CdTe et CdZnTe. Le tellurure de cadmium (CdTe) et le tellurure de cadmium zinc (CdZnTe) sont considérés comme des matériaux semi-conducteurs prometteurs pour la détection des rayons X durs et des rayons gamma. Le nombre atomique élevé et la densité élevée de ces matériaux permettent d’atténuer efficacement les rayons X et les rayons gamma avec des énergies supérieures à 20 keV que les capteurs traditionnels à base de silicium sont incapables de détecter. Cela augmente considérablement leur efficacité quantique par rapport à celle à base de silicium. La grande énergie de bande interdite (Egap = 1,44 eV) nous permet de faire fonctionner le détecteur à température ambiante. En revanche, une perte de charge considérable dans ces détecteurs produit une résolution d’énergie réduite.

Semi-conducteur intrinsèque – Semi-conducteur pur

Un semi – conducteur intrinsèque est un semi – conducteur complètement pur sans aucune espèce de dopant significative présente. Par conséquent, les semi-conducteurs intrinsèques sont également appelés semi-conducteurs purs ou semi-conducteurs de type i.

Le nombre de porteurs de charge à une certaine température est donc déterminé par les propriétés du matériau lui-même au lieu de la quantité d’impuretés. Notez que, un échantillon de 1 cm ³ de germanium pur à 20 ° C contient environ 4,2 × 10 ²² atomes, mais contient également environ 2,5 x 10 ¹³ électrons libres et 2,5 x 10 ¹³ trous. Ces porteurs de charge sont produits par excitation thermique. Dans les semi-conducteurs intrinsèques, le nombre d’électrons excités et le nombre de trous sont égaux: n = p . Les électrons et les trous sont créés par l’excitation d’électrons de la bande de valence à la bande de conduction. Un trou d’électrons(souvent simplement appelé trou) est le manque d’électrons à une position où l’on pourrait exister dans un atome ou un réseau atomique. Cette égalité peut même être le cas après dopage du semi-conducteur, mais seulement s’il est dopé à la fois avec les donneurs et les accepteurs. Dans ce cas, n = p est toujours valable et le semi-conducteur reste intrinsèque, bien que dopé.

Les semi-conducteurs ont un écart d’énergie inférieur à 4 eV (environ 1 eV). Les bandes interdites sont naturellement différentes pour différents matériaux. Par exemple, le diamant est un semi-conducteur à large bande interdite (Egap = 5,47 eV) à fort potentiel comme matériau de dispositif électronique dans de nombreux dispositifs. De l’autre côté, le germanium a une petite énergie de bande interdite (E _gap = 0,67 eV), ce qui nécessite de faire fonctionner le détecteur à des températures cryogéniques. En physique du solide, cet écart d’énergie ou bande interdite est une plage d’énergie entre la bande de valence et la bande de conduction où les états électroniques sont interdits. Contrairement aux conducteurs, les électrons d’un semi-conducteur doivent obtenir de l’énergie (par exemple à partir de rayonnements ionisants) pour traverser la bande interdite et atteindre la bande de conduction.

Les semi-conducteurs intrinsèques, cependant, ne sont pas très utiles, car ils ne sont ni de très bons isolants ni de très bons conducteurs. Cependant, une caractéristique importante des semi-conducteurs est que leur conductivité peut être augmentée et contrôlée par dopage avec des impuretés et déclenchement avec des champs électriques. Rappelons qu’un échantillon de 1 cm ³ de germanium pur à 20 ° C contient environ 4,2 × 10 ²² atomes, mais contient également environ 2,5 x 10 ¹³ électrons libres et 2,5 x 10 ¹³ trous générés en permanence à partir de l’énergie thermique. L’absorption totale d’un photon de 1 MeV produit environ 3 x 10 ⁵ paires électron-trou . Cette valeur est mineure par rapport au nombre total de porteurs gratuits dans un 1 cm ³semi-conducteur intrinsèque. Comme on peut le voir, le rapport signal / bruit (S / N) serait minime. L’ajout de 0,001% d’arsenic (une impureté) donne 10 ¹⁷ électrons libres supplémentaires dans le même volume et la conductivité électrique est augmentée d’un facteur 10 000. Dans un matériau dopé, le rapport signal / bruit (S / N) serait encore plus petit. Le germanium ayant une bande interdite relativement faible, ces détecteurs doivent être refroidis afin de réduire la génération thermique des porteurs de charge à un niveau acceptable. Sinon, le bruit induit par le courant de fuite détruit la résolution énergétique du détecteur. Le dopage et le déclenchement rapprochent la bande de conduction ou de valence beaucoup plus près du niveau de Fermi et augmentent considérablement le nombre d’états partiellement remplis.

Semi-conducteurs extrinsèques – Semi-conducteurs dopés

Un semi-conducteur extrinsèque , ou semi – conducteur dopé , est un semi-conducteur, qui a été intentionnellement dopé dans le but de moduler ses propriétés électriques, optiques et structurelles. Dans le cas des détecteurs semi-conducteurs de rayonnement ionisant, le dopage est l’introduction intentionnelle d’impuretés dans un semi-conducteur intrinsèque dans le but de modifier leurs propriétés électriques. Par conséquent, les semi-conducteurs intrinsèques sont également appelés semi-conducteurs purs ou semi-conducteurs de type i.

L’ajout d’un petit pourcentage d’atomes étrangers dans le réseau cristallin régulier de silicium ou de germanium produit des changements spectaculaires dans leurs propriétés électriques, car ces atomes étrangers incorporés dans la structure cristalline du semi-conducteur fournissent des porteurs de charge gratuits (électrons ou trous d’électrons) dans le semi-conducteur. Dans un semi-conducteur extrinsèque, ce sont ces atomes dopants étrangers dans le réseau cristallin qui fournissent principalement les porteurs de charge qui transportent le courant électrique à travers le cristal. En général, il existe deux types d’atomes dopants, ce qui entraîne deux types de semi-conducteurs extrinsèques. Ces dopants qui produisent les changements contrôlés souhaités sont classés comme accepteurs d’électrons ou donneurs et les semi-conducteurs dopés correspondants sont appelés:

• Semi-conducteurs de type n.
• Semi-conducteurs de type p.

Les semi – conducteurs extrinsèques sont des composants de nombreux appareils électriques courants, ainsi que de nombreux détecteurs de rayonnement ionisant. À ces fins, une diode à semi-conducteur (dispositifs qui ne permettent le courant que dans une seule direction) est généralement constituée de semi-conducteurs de type p et de type n placés en jonction l’un avec l’autre.

Semi-conducteurs de type n

Un semi-conducteur extrinsèque qui a été dopé avec des atomes donneurs d’électrons est appelé semi-conducteur de type n, car la majorité des porteurs de charge dans le cristal sont des électrons négatifs. Puisque le silicium est un élément tétravalent, la structure cristalline normale contient 4 liaisons covalentes de quatre électrons de valence. Dans le silicium, les dopants les plus courants sont les éléments du groupe III et du groupe V. Les éléments du groupe V (pentavalent) ont cinq électrons de valence, ce qui leur permet d’agir comme donneur. Cela signifie que l’ajout de ces impuretés pentavalentes telles que l’arsenic, l’antimoine ou le phosphore contribue aux électrons libres, augmentant considérablement la conductivité du semi-conducteur intrinsèque. Par exemple, un cristal de silicium dopé au bore (groupe III) crée un semi-conducteur de type p tandis qu’un cristal dopé au phosphore (groupe V) donne un semi-conducteur de type n.

Les électrons de conduction sont complètement dominés par le nombre d’ électrons donneurs . Par conséquent:

Le nombre total d’électrons de conduction est approximativement égale au nombre de sites donneurs, n≈N _D .

La neutralité de charge du matériau semi-conducteur est maintenue car les sites donneurs excités équilibrent les électrons de conduction. Le résultat net est que le nombre d’électrons de conduction est augmenté, tandis que le nombre de trous est réduit. Le déséquilibre de la concentration de porteurs dans les bandes respectives est exprimé par le nombre absolu différent d’électrons et de trous. Les électrons sont des porteurs majoritaires, tandis que les trous sont des porteurs minoritaires dans un matériau de type n.

Semi-conducteurs de type p

Un semi-conducteur extrinsèque qui a été dopé avec des atomes accepteurs d’électrons est appelé semi-conducteur de type p , car la majorité des porteurs de charge dans le cristal sont des trous d’électrons (porteurs de charge positifs). Le silicium semi-conducteur pur est un élément tétravalent , la structure cristalline normale contient 4 liaisons covalentes de quatre électrons de valence. Dans le silicium, les dopants les plus courants sont les éléments du groupe III et du groupe V. Les éléments du groupe III (trivalents) contiennent tous trois électrons de valence, ce qui les fait fonctionner comme des accepteurs lorsqu’ils sont utilisés pour doper le silicium. Lorsqu’un atome accepteur remplace un atome de silicium tétravalent dans le cristal, un état vacant (un trou d’électrons) est créé. Un trou d’électrons (souvent simplement appelé trou) est le manque d’électrons à une position où l’on pourrait exister dans un atome ou un réseau atomique. C’est l’un des deux types de porteurs de charge qui sont responsables de la création de courant électrique dans les matériaux semi-conducteurs. Ces trous chargés positivement peuvent se déplacer d’atome en atome dans les matériaux semi-conducteurs lorsque les électrons quittent leur position. L’ajout d’impuretés trivalentes telles que le bore , l’ aluminium ou le galliumà un semi-conducteur intrinsèque crée ces trous d’électrons positifs dans la structure. Par exemple, un cristal de silicium dopé au bore (groupe III) crée un semi-conducteur de type p tandis qu’un cristal dopé au phosphore (groupe V) donne un semi-conducteur de type n.

Le nombre de trous d’électrons est entièrement dominé par le nombre de sites accepteurs. Par conséquent:

Le nombre total de trous est approximativement égale au nombre de sites donneurs, p ≈ N _A .

La neutralité de charge de ce matériau semi-conducteur est également maintenue. Le résultat net est que le nombre de trous d’électrons augmente, tandis que le nombre d’électrons de conduction est réduit. Le déséquilibre de la concentration de porteurs dans les bandes respectives est exprimé par le nombre absolu différent d’électrons et de trous. Les trous d’électrons sont des porteurs majoritaires , tandis que les électrons sont des porteurs minoritaires dans un matériau de type p.

La jonction PN – Jonction biaisée inversée

Le détecteur à semi-conducteur fonctionne beaucoup mieux en tant que détecteur de rayonnement si une tension externe est appliquée aux bornes de la jonction dans le sens de polarisation inverse . La région d’appauvrissement fonctionnera comme un détecteur de rayonnement. Une amélioration peut être obtenue en utilisant une tension de polarisation inverse à la jonction PN pour épuiser le détecteur de porteurs libres, qui est le principe de la plupart des détecteurs semi-conducteurs. La polarisation inverse d’une jonction augmente l’épaisseur de la région d’appauvrissement car la différence de potentiel à travers la jonction est améliorée. Les détecteurs au germanium ont une structure à brochesdans laquelle la région intrinsèque (i) est sensible aux rayonnements ionisants, en particulier aux rayons X et aux rayons gamma. Sous polarisation inverse, un champ électrique s’étend à travers la région intrinsèque ou appauvrie. Dans ce cas, une tension négative est appliquée du côté p et positive au second. Les trous dans la région p sont attirés par la jonction vers le contact p et de même pour les électrons et le contact n. Cette charge, qui est proportionnelle à l’énergie déposée dans le détecteur par le photon entrant, est convertie en impulsion de tension par un préamplificateur sensible à la charge intégré.

Voir aussi: Détecteurs au germanium, MIRION Technologies. <disponible sur: https://www.mirion.com/products/germanium-detectors>.

Semi-conducteurs de type p

Un semi-conducteur extrinsèque qui a été dopé avec des atomes accepteurs d’électrons est appelé semi-conducteur de type p , car la majorité des porteurs de charge dans le cristal sont des trous d’électrons (porteurs de charge positifs). Le silicium semi-conducteur pur est un élément tétravalent , la structure cristalline normale contient 4 liaisons covalentes de quatre électrons de valence. Dans le silicium, les dopants les plus courants sont les éléments du groupe III et du groupe V. Les éléments du groupe III (trivalents) contiennent tous trois électrons de valence, ce qui les fait fonctionner comme des accepteurs lorsqu’ils sont utilisés pour doper le silicium. Lorsqu’un atome accepteur remplace un atome de silicium tétravalent dans le cristal, un état vacant (un trou d’électrons) est créé. Un trou d’électrons (souvent simplement appelé trou) est le manque d’électrons à une position où l’on pourrait exister dans un atome ou un réseau atomique. C’est l’un des deux types de porteurs de charge qui sont responsables de la création de courant électrique dans les matériaux semi-conducteurs. Ces trous chargés positivement peuvent se déplacer d’atome en atome dans les matériaux semi-conducteurs lorsque les électrons quittent leur position. L’ajout d’impuretés trivalentes telles que le bore , l’ aluminium ou le galliumà un semi-conducteur intrinsèque crée ces trous d’électrons positifs dans la structure. Par exemple, un cristal de silicium dopé au bore (groupe III) crée un semi-conducteur de type p tandis qu’un cristal dopé au phosphore (groupe V) produit un semi-conducteur de type n.

Le nombre de trous d’électrons est complètement dominé par le nombre de sites accepteurs. Donc:

Le nombre total de trous est approximativement égale au nombre de sites donneurs, p ≈ N _A .

La neutralité de charge de ce matériau semi-conducteur est également maintenue. Le résultat net est que le nombre de trous d’électrons augmente, tandis que le nombre d’électrons de conduction est réduit. Le déséquilibre de la concentration de porteurs dans les bandes respectives est exprimé par le nombre absolu différent d’électrons et de trous. Les trous d’électrons sont des porteurs majoritaires , tandis que les électrons sont des porteurs minoritaires dans un matériau de type p.

Niveau d’accepteur

Du  point de vue de l’ écart énergétique , ces impuretés «créent» des niveaux d’énergie dans la bande interdite proche de la bande de valencede sorte que les électrons peuvent être facilement excités de la bande de valence à ces niveaux, laissant des trous mobiles dans la bande de valence. Ils créent des niveaux «superficiels», des niveaux très proches de la bande de valence, donc l’énergie nécessaire pour ioniser l’atome (accepter l’électron qui remplit le trou et crée un autre trou plus loin de l’atome substitué) est faible. Cela déplace le niveau de Fermi effectif à un point à mi-chemin entre les niveaux accepteurs et la bande de valence. Le niveau de Fermi est le terme utilisé pour décrire le sommet de la collection de niveaux d’énergie électronique à une température zéro absolue. Le niveau de Fermi est la surface de la mer de Fermi au zéro absolu où aucun électron n’aura suffisamment d’énergie pour s’élever au-dessus de la surface. Dans les semi-conducteurs purs, la position du niveau de Fermi est dans la bande interdite, approximativement au milieu de la bande interdite.

Les détecteurs au germanium de haute pureté ( détecteurs HPGe ) sont la meilleure solution pour une spectroscopie gamma et aux rayons X précise . Par rapport aux détecteurs au silicium , le germanium est beaucoup plus efficace que le silicium pour la détection des radiations en raison de son numéro atomique beaucoup plus élevé que le silicium et en raison de l’énergie moyenne inférieure nécessaire pour créer une paire électron-trou , qui est de 3,6 eV pour le silicium et de 2,9 eV pour le germanium. En raison de son numéro atomique plus élevé, Ge a un coefficient d’atténuation linéaire beaucoup plus important, ce qui conduit à un libre parcours moyen plus court. De plus, les détecteurs au silicium ne peuvent pas être plus épais que quelques millimètres, tandis que le germanium peut avoir unépaisseur sensible de quelques centimètres , et peut donc être utilisé comme détecteur d’absorption totale pour les rayons gamma jusqu’à quelques MeV.

Avant que les techniques de purification actuelles ne soient raffinées, les cristaux de germanium ne pouvaient pas être produits avec une pureté suffisante pour permettre leur utilisation comme détecteurs de spectroscopie. La pureté d’un matériau détecteur est de la plus haute importance. La collecte de paires électron-trou dans le détecteur doit être effectuée dans un délai raisonnablement court. De plus, il ne doit pas y avoir de pièges qui peuvent les empêcher d’atteindre les contacts de collecte. Les centres de piégeage peuvent être dus à:

• Impuretés dans le réseau semi-conducteur
• Atomes interstitiels et lacunes dans le réseau en raison de défauts structurels
• Atomes interstitiels causés par les dommages causés par les radiations

Les impuretés dans les cristaux emprisonnent les électrons et les trous, ruinant les performances des détecteurs. Par conséquent, les cristaux de germanium ont été dopés avec des ions lithium (Ge (Li)), afin de produire une région intrinsèque dans laquelle les électrons et les trous pourraient atteindre les contacts et produire un signal.

Afin d’atteindre une efficacité maximale, les détecteurs HPGe doivent fonctionner aux très basses températures de l’azote liquide (-196 ° C), car à température ambiante, le bruit provoqué par l’excitation thermique est très élevé.

Étant donné que les détecteurs HPGe produisent la résolution la plus élevée actuellement disponible, ils sont utilisés pour mesurer le rayonnement dans une variété d’applications, y compris la surveillance du personnel et de l’environnement pour la contamination radioactive, les applications médicales, les tests radiométriques, la sécurité nucléaire et la sécurité des centrales nucléaires.

Pièces de détecteurs HPGe

L’inconvénient majeur des détecteurs au germanium est qu’ils doivent être refroidis à des températures d’azote liquide. Le germanium ayant une bande interdite relativement faible , ces détecteurs doivent être refroidis afin de réduire la génération thermique des porteurs de charge à un niveau acceptable. Sinon, le bruit induit par le courant de fuite détruit la résolution énergétique du détecteur. Rappelons que la bande interdite (une distance entre la valence et la bande de conduction ) est très faible pour le germanium (Egap = 0,67 eV). Le refroidissement à la température de l’azote liquide (-195,8 ° C; -320 ° F) réduit les excitations thermiques des électrons de valence de sorte que seule une interaction des rayons gamma peut donner à un électron l’énergie nécessaire pour traverser la bande interdite et atteindre la bande de conduction.

Par conséquent, les détecteurs HPGe sont généralement équipés d’un cryostat . Les cristaux de germanium sont maintenus dans un conteneur métallique évacué appelé support de détecteur . Le support du détecteur ainsi que le «capuchon d’extrémité» sont minces pour éviter l’atténuation des photons de faible énergie. Le support est généralement en aluminium et a généralement une épaisseur de 1 mm. Le capuchon d’extrémité est également généralement en aluminium. Le cristal HPGe à l’intérieur du support est en contact thermique avec une tige métallique appelée doigt froid . Le doigt froid transfère la chaleur de l’ensemble détecteur au réservoir d’ azote liquide (LN ₂ ). La combinaison du récipient métallique sous vide, du doigt froid et du ballon Dewarpour le cryogène de l’azote liquide est appelé le cryostat. Le préamplificateur détecteur de germanium est normalement inclus dans le package cryostat. Étant donné que le préampli doit être situé le plus près possible afin de minimiser la capacité globale, le préampli est installé ensemble. Les étages d’entrée du préampli sont également refroidis. Le doigt froid s’étend au-delà de la limite de vide du cryostat dans un ballon Dewar rempli d’azote liquide. L’immersion du doigt froid dans l’azote liquide maintient le cristal HPGe à une basse température constante. La température de l’azote liquide est maintenue constante à 77 K (-195,8 ° C; -320 ° F) par une lente ébullition du liquide, entraînant le dégagement d’azote gazeux. Selon la taille et la conception, le temps de maintien des flacons à vide varie de quelques heures à quelques semaines.

Le refroidissement avec de l’azote liquide n’est pas pratique, car le détecteur a besoin d’heures pour se refroidir à la température de fonctionnement avant de pouvoir être utilisé, et ne peut pas se réchauffer pendant l’utilisation. Les détecteurs HPGe peuvent se réchauffer à température ambiante lorsqu’ils ne sont pas utilisés . Il faut noter que les cristaux de Ge (Li) ne pourraient jamais se réchauffer, car le lithium dériverait du cristal, ruinant le détecteur.

Des systèmes commerciaux sont devenus disponibles qui utilisent des techniques de réfrigération avancées (par exemple un  refroidisseur à tube pulsé ) pour éliminer le besoin de refroidissement à l’azote liquide. Ce système de refroidissement est un cryostat alimenté électriquement, complètement LN ₂ libre .

Voir aussi: Détecteurs au germanium, MIRION Technologies. <disponible sur: https://www.mirion.com/products/germanium-detectors>.

Détecteur HPGe – Principe de fonctionnement

Le fonctionnement des détecteurs semi-conducteurs est résumé dans les points suivants:

• Le rayonnement ionisant pénètre dans le volume sensible ( cristal de germanium ) du détecteur et interagit avec le matériau semi-conducteur.
• Le photon de haute énergie traversant le détecteur ionise les atomes de semi-conducteur, produisant les paires électron-trou . Le nombre de paires électron-trou est proportionnel à l’énergie du rayonnement vers le semi-conducteur. En conséquence, un certain nombre d’électrons sont transférés de la bande de valence à la bande de conduction, et un nombre égal de trous sont créés dans la bande de valence.
• Étant donné que le germanium peut avoir une épaisseur sensible et épuisée de quelques centimètres, il est capable d’ absorber totalement les photons de haute énergie  (jusqu’à quelques MeV).
• Sous l’influence d’un champ électrique, les électrons et les trous se déplacent vers les électrodes, où ils produisent une impulsion qui peut être mesurée dans un circuit extérieur.
• Cette impulsion transporte des informations sur l’énergie du rayonnement incident d’origine. Le nombre de ces impulsions par unité de temps donne également des informations sur l’intensité du rayonnement.

Dans tous les cas, un photon dépose une partie de son énergie sur son trajet et peut être totalement absorbé. L’absorption totale d’un photon de 1 MeV produit environ 3 x 10 ⁵ paires électron-trou. Cette valeur est mineure par rapport au nombre total de porteurs libres dans un semi-conducteur intrinsèque de 1 cm ³ . Les particules traversant le détecteur ionisent les atomes de semi-conducteur, produisant les paires électron-trou. Mais dans les détecteurs à base de germanium à température ambiante, l’ excitation thermique est dominante. Elle est causée par des impuretés, une irrégularité du réseau de structure ou par un dopant . Cela dépend fortement de l’ _écart E(distance entre valence et bande de conduction), très faible pour le germanium (Egap = 0,67 eV). Étant donné que l’excitation thermique entraîne le bruit du détecteur, un refroidissement actif est nécessaire pour certains types de semi-conducteurs (par exemple le germanium).

Notez que, un échantillon de 1 cm ³ de germanium pur à 20 ° C contient environ 4,2 × 10 ²² atomes, mais contient également environ 2,5 x 10 ¹³ électrons libres et 2,5 x 10 ¹³ trous générés en permanence à partir de l’énergie thermique. Comme on peut le voir, le rapport signal / bruit (S / N) serait minime (comparez-le avec 3 x 10 ⁵ paires électron-trou). L’ajout de 0,001% d’arsenic (une impureté) donne un supplément de 10 ¹⁷des électrons libres dans le même volume et la conductivité électrique est augmentée d’un facteur 10 000. Dans un matériau dopé, le rapport signal / bruit (S / N) serait encore plus petit. Le germanium ayant une bande interdite relativement faible, ces détecteurs doivent être refroidis afin de réduire la génération thermique des porteurs de charge (donc le courant de fuite inverse) à un niveau acceptable. Sinon, le bruit induit par le courant de fuite détruit la résolution énergétique du détecteur.

Jonction biaisée inversée

Le détecteur à semi-conducteur fonctionne beaucoup mieux en tant que détecteur de rayonnement si une tension externe est appliquée aux bornes de la jonction dans le sens de polarisation inverse . La région d’appauvrissement fonctionnera comme un détecteur de rayonnement. Une amélioration peut être obtenue en utilisant une tension de polarisation inverse à la jonction PNpour épuiser le détecteur de porteurs libres, qui est le principe de la plupart des détecteurs semi-conducteurs. La polarisation inverse d’une jonction augmente l’épaisseur de la région d’appauvrissement car la différence de potentiel à travers la jonction est améliorée. Les détecteurs au germanium ont une structure de broches dans laquelle la région intrinsèque (i) est sensible aux rayonnements ionisants, en particulier aux rayons X et aux rayons gamma. Sous polarisation inverse, un champ électrique s’étend à travers la région intrinsèque ou appauvrie. Dans ce cas, une tension négative est appliquée du côté p et positive au second. Les trous dans la région p sont attirés par la jonction vers le contact p et de même pour les électrons et le contact n. Cette charge, qui est proportionnelle à l’énergie déposée dans le détecteur par le photon entrant,

Voir aussi: Détecteurs au germanium, MIRION Technologies. <disponible sur: https://www.mirion.com/products/germanium-detectors>.

Application des détecteurs au germanium – Spectroscopie gamma

Comme il a été écrit, l’étude et l’analyse des spectres de rayons gamma à des fins scientifiques et techniques sont appelées spectroscopie gamma, et les spectromètres à rayons gamma sont les instruments qui observent et collectent ces données. Un spectromètre à rayons gamma (GRS) est un appareil sophistiqué pour mesurer la distribution d’énergie du rayonnement gamma. Pour la mesure des rayons gamma au-dessus de plusieurs centaines de keV, il existe deux catégories de détecteurs d’importance majeure,  les scintillateurs inorganiques comme le NaI (Tl)  et les détecteurs semi –  conducteurs. Dans les articles précédents, nous avons décrit la spectroscopie gamma à l’aide d’un détecteur à scintillation, qui se compose d’un cristal scintillateur approprié, d’un tube photomultiplicateur et d’un circuit de mesure de la hauteur des impulsions produites par le photomultiplicateur. Les avantages d’un compteur à scintillation sont son efficacité (grande taille et haute densité) et la haute précision et les taux de comptage possibles. En raison du nombre atomique élevé d’iode, un grand nombre de toutes les interactions entraîneront une absorption complète de l’énergie des rayons gamma, de sorte que la fraction photo sera élevée.

Mais si une  résolution énergétique parfaite  est requise, nous devons utiliser un  détecteur à base de germanium , tel que le  détecteur HPGe . Les détecteurs à semi-conducteur à base de germanium sont les plus couramment utilisés lorsqu’une très bonne résolution énergétique est requise, en particulier pour  la spectroscopie gamma , ainsi que la  spectroscopie aux rayons X. En spectroscopie gamma, le germanium est préféré en raison de son numéro atomique beaucoup plus élevé que le silicium et qui augmente la probabilité d’interaction des rayons gamma. De plus, le germanium a une énergie moyenne inférieure nécessaire pour créer une paire électron-trou, qui est de 3,6 eV pour le silicium et de 2,9 eV pour le germanium. Cela donne également à ce dernier une meilleure résolution en énergie. La FWHM (pleine largeur à moitié maximum) pour les détecteurs au germanium est fonction de l’énergie. Pour un photon de 1,3 MeV, la FWHM est de 2,1 keV, ce qui est très faible.

Les détecteurs à semi-conducteur à base de germanium sont les plus couramment utilisés lorsqu’une très bonne résolution énergétique est requise, en particulier pour la spectroscopie gamma , ainsi que la spectroscopie aux rayons X. En spectroscopie gamma, le germanium est préféré en raison de son numéro atomique beaucoup plus élevé que le silicium et qui augmente la probabilité d’interaction des rayons gamma. De plus, le germanium a une énergie moyenne inférieure nécessaire pour créer une paire électron-trou, qui est de 3,6 eV pour le silicium et de 2,9 eV pour le germanium. Cela donne également à ce dernier une meilleure résolution en énergie. En revanche, pour atteindre une efficacité maximale, les détecteurs doivent fonctionner aux très basses températures de l’azote liquide (-196 ° C), car à température ambiante le bruit provoqué par l’excitation thermique est très élevé.

Détecteur de germanium – Principe de fonctionnement

Le fonctionnement des détecteurs semi-conducteurs est résumé dans les points suivants:

• Le rayonnement ionisant pénètre dans le volume sensible ( cristal de germanium ) du détecteur et interagit avec le matériau semi-conducteur.
• Le photon de haute énergie traversant le détecteur ionise les atomes de semi-conducteur, produisant les paires électron-trou . Le nombre de paires électron-trou est proportionnel à l’énergie du rayonnement vers le semi-conducteur. En conséquence, un certain nombre d’électrons sont transférés de la bande de valence à la bande de conduction, et un nombre égal de trous sont créés dans la bande de valence.
• Comme le germanium peut avoir une épaisseur sensible et épuisée de quelques centimètres, il est capable d’ absorber totalement les photons de haute énergie  (jusqu’à quelques MeV).
• Sous l’influence d’un champ électrique, les électrons et les trous se déplacent vers les électrodes, où ils produisent une impulsion qui peut être mesurée dans un circuit extérieur.
• Cette impulsion transporte des informations sur l’énergie du rayonnement incident d’origine. Le nombre de ces impulsions par unité de temps donne également des informations sur l’intensité du rayonnement.

Dans tous les cas, un photon dépose une partie de son énergie sur son trajet et peut être totalement absorbé. L’ absorption totale d’un photon 1 MeV produit environ 3 x 10 ⁵ paires électron-trou. Cette valeur est mineure par rapport au nombre total de porteurs libres dans un semi-conducteur intrinsèque de 1 cm ³ . Les particules traversant le détecteur ionisent les atomes de semi-conducteur, produisant les paires électron-trou. Mais dans les détecteurs à base de germanium à température ambiante, l’ excitation thermique est dominante. Elle est causée par des impuretés, une irrégularité du réseau de structure ou par un dopant . Cela dépend fortement de l’ _écart E(distance entre la valence et la bande de conduction), ce qui est très faible pour le germanium (Egap = 0,67 eV). Étant donné que l’excitation thermique entraîne le bruit du détecteur, un refroidissement actif est nécessaire pour certains types de semi-conducteurs (par exemple le germanium).

Notez que, un échantillon de 1 cm ³ de germanium pur à 20 ° C contient environ 4,2 × 10 ²² atomes, mais contient également environ 2,5 x 10 ¹³ électrons libres et 2,5 x 10 ¹³ trous générés en permanence à partir de l’énergie thermique. Comme on peut le voir, le rapport signal / bruit (S / N) serait minime (comparez-le avec 3 x 10 ⁵ paires électron-trou). L’ajout de 0,001% d’arsenic (une impureté) donne un supplément de 10 ¹⁷des électrons libres dans le même volume et la conductivité électrique est augmentée d’un facteur 10 000. Dans un matériau dopé, le rapport signal / bruit (S / N) serait encore plus petit. Le germanium ayant une bande interdite relativement faible, ces détecteurs doivent être refroidis afin de réduire la génération thermique des porteurs de charge (donc le courant de fuite inverse) à un niveau acceptable. Sinon, le bruit induit par le courant de fuite détruit la résolution énergétique du détecteur.

En général, les semi – conducteurs sont des matériaux, inorganiques ou organiques, qui ont la capacité de contrôler leur conduction en fonction de la structure chimique, de la température, de l’illumination et de la présence de dopants. Le nom semi-conducteur vient du fait que ces matériaux ont une conductivité électrique entre celle d’un métal, comme le cuivre, l’or, etc. et un isolant, comme le verre. Ils ont un écart énergétique inférieur à 4eV (environ 1eV). En physique du solide, cet intervalle d’énergie ou bande interdite est une plage d’énergie entre la bande de valence et la bande de conductionoù les états électroniques sont interdits. Contrairement aux conducteurs, les électrons d’un semi-conducteur doivent obtenir de l’énergie (par exemple à partir de rayonnements ionisants) pour traverser la bande interdite et atteindre la bande de conduction. Les propriétés des semi – conducteurs sont déterminées par l’écart d’énergie entre les bandes de valence et de conduction.

Matériaux semi-conducteurs

Il existe de nombreux types de semi-conducteurs dans la nature et d’autres synthétisés dans les laboratoires; cependant, les plus connus sont le silicium (Si) et le germanium (Ge).

Types de semi-conducteurs:

• 

  Silicium. Le silicium est un élément chimique de numéro atomique 14, ce qui signifie qu’il y a 14 protons et 14 électrons dans la structure atomique. Le symbole chimique du silicium est Si . Le silicium est un solide cristallin dur et cassant avec un éclat métallique bleu-gris, c’est un métalloïde tétravalent et un semi-conducteur. Le silicium est principalement utilisé pour les détecteurs de particules chargées (en particulier pour le suivi des particules chargées) et les détecteurs de rayons X mous. La grande énergie de bande interdite (Egap = 1,12 eV) nous permet de faire fonctionner le détecteur à température ambiante, mais le refroidissement est préférable pour réduire le bruit. Les détecteurs à base de silicium sont très importants en physique des hautes énergies. Étant donné que les détecteurs à base de silicium sont très bons pour suivre les particules chargées, ils constituent une partie importante du système de détection du LHC au CERN.

• 

  Germanium. Le germanium est un élément chimique de numéro atomique 32, ce qui signifie qu’il y a 32 protons et 32 ​​électrons dans la structure atomique. Le symbole chimique du germanium est Ge . Le germanium est un métalloïde brillant, dur, blanc grisâtre dans le groupe du carbone, chimiquement similaire à son groupe voisin de l’étain et du silicium. Le germanium pur est un semi-conducteur d’aspect similaire au silicium élémentaire. Le germanium est largement utilisé pour la spectroscopie des rayons gamma. En spectroscopie gamma, le germanium est préféré en raison de son numéro atomique beaucoup plus élevé que le silicium et qui augmente la probabilité d’interaction des rayons gamma. Le germanium est plus utilisé que le silicium pour la détection des radiations car l’énergie moyenne nécessaire à la création d’une paire électron-trou est de 3,6 eV pour le silicium et de 2,9 eV pour le germanium, ce qui offre à ce dernier une meilleure résolution en énergie. En revanche, le germanium a une petite énergie de bande interdite (E _gap = 0,67 eV), ce qui nécessite de faire fonctionner le détecteur à des températures cryogéniques.

• Diamant . Le diamant est une forme solide de l’élément carbone avec ses atomes disposés dans une structure cristalline appelée diamant cubique. Les diamants sont également de très bons isolants électriques, ce qui est étrangement à la fois utile et problématique pour les appareils électriques. Le diamant est un semi-conducteur à large bande interdite (Egap = 5,47 eV) à fort potentiel comme matériau de dispositif électronique dans de nombreux dispositifs. Les détecteurs au diamant présentent de nombreuses similitudes avec les détecteurs au silicium, mais devraient offrir des avantages importants, en particulier une dureté de rayonnement élevée et des courants de dérive très faibles.
• CdTe et CdZnTe. Le tellurure de cadmium (CdTe) et le tellurure de cadmium zinc (CdZnTe) sont considérés comme des matériaux semi-conducteurs prometteurs pour la détection des rayons X durs et des rayons gamma. Le nombre atomique élevé et la densité élevée de ces matériaux permettent d’atténuer efficacement les rayons X et les rayons gamma avec des énergies supérieures à 20 keV que les capteurs traditionnels à base de silicium sont incapables de détecter. Cela augmente considérablement leur efficacité quantique par rapport à celle à base de silicium. La grande énergie de bande interdite (Egap = 1,44 eV) nous permet de faire fonctionner le détecteur à température ambiante. En revanche, une perte de charge considérable dans ces détecteurs produit une résolution d’énergie réduite.

Semi-conducteur pur

Un semi – conducteur intrinsèque est un semi – conducteur complètement pur sans aucune espèce de dopant significative présente. Par conséquent, les semi-conducteurs intrinsèques sont également appelés semi-conducteurs purs ou semi-conducteurs de type i.

Le nombre de porteurs de charge à une certaine température est donc déterminé par les propriétés du matériau lui-même au lieu de la quantité d’impuretés. Notez que, un échantillon de 1 cm ³ de germanium pur à 20 ° C contient environ 4,2 × 10 ²² atomes, mais contient également environ 2,5 x 10 ¹³ électrons libres et 2,5 x 10 ¹³ trous. Ces porteurs de charge sont produits par excitation thermique. Dans les semi-conducteurs intrinsèques, le nombre d’électrons excités et le nombre de trous sont égaux: n = p . Les électrons et les trous sont créés par l’excitation d’électrons de la bande de valence à la bande de conduction. Un trou d’électrons(souvent simplement appelé trou) est le manque d’électrons à une position où l’on pourrait exister dans un atome ou un réseau atomique. Cette égalité peut même être le cas après dopage du semi-conducteur, mais seulement s’il est dopé à la fois avec les donneurs et les accepteurs. Dans ce cas, n = p est toujours valable et le semi-conducteur reste intrinsèque, bien que dopé.

Les semi-conducteurs ont un écart d’énergie inférieur à 4 eV (environ 1 eV). Les bandes interdites sont naturellement différentes pour différents matériaux. Par exemple, le diamant est un semi-conducteur à large bande interdite (Egap = 5,47 eV) à fort potentiel comme matériau de dispositif électronique dans de nombreux dispositifs. De l’autre côté, le germanium a une petite énergie de bande interdite (E _gap = 0,67 eV), ce qui nécessite de faire fonctionner le détecteur à des températures cryogéniques. En physique du solide, cet écart d’énergie ou bande interdite est une plage d’énergie entre la bande de valence et la bande de conduction où les états électroniques sont interdits. Contrairement aux conducteurs, les électrons d’un semi-conducteur doivent obtenir de l’énergie (par exemple à partir de rayonnements ionisants) pour traverser la bande interdite et atteindre la bande de conduction.

Les semi-conducteurs intrinsèques, cependant, ne sont pas très utiles, car ils ne sont ni de très bons isolants ni de très bons conducteurs. Cependant, une caractéristique importante des semi-conducteurs est que leur conductivité peut être augmentée et contrôlée par dopage avec des impuretés et déclenchement avec des champs électriques. Rappelons qu’un échantillon de 1 cm ³ de germanium pur à 20 ° C contient environ 4,2 × 10 ²² atomes, mais contient également environ 2,5 x 10 ¹³ électrons libres et 2,5 x 10 ¹³ trous générés en permanence à partir de l’énergie thermique. L’absorption totale d’un photon de 1 MeV produit environ 3 x 10 ⁵ paires électron-trou . Cette valeur est mineure par rapport au nombre total de porteurs gratuits dans un 1 cm ³semi-conducteur intrinsèque. Comme on peut le voir, le rapport signal / bruit (S / N) serait minime. L’ajout de 0,001% d’arsenic (une impureté) donne 10 ¹⁷ électrons libres supplémentaires dans le même volume et la conductivité électrique est augmentée d’un facteur 10 000. Dans un matériau dopé, le rapport signal / bruit (S / N) serait encore plus petit. Le germanium ayant une bande interdite relativement faible, ces détecteurs doivent être refroidis afin de réduire la génération thermique des porteurs de charge à un niveau acceptable. Sinon, le bruit induit par le courant de fuite détruit la résolution énergétique du détecteur. Le dopage et le déclenchement rapprochent la bande de conduction ou de valence beaucoup plus près du niveau de Fermi et augmentent considérablement le nombre d’états partiellement remplis.

Semi-conducteurs dopés

Un semi-conducteur extrinsèque , ou semi – conducteur dopé , est un semi-conducteur, qui a été intentionnellement dopé dans le but de moduler ses propriétés électriques, optiques et structurelles. Dans le cas des détecteurs semi-conducteurs de rayonnement ionisant, le dopage est l’introduction intentionnelle d’impuretés dans un semi-conducteur intrinsèque dans le but de modifier leurs propriétés électriques. Par conséquent, les semi-conducteurs intrinsèques sont également appelés semi-conducteurs purs ou semi-conducteurs de type i.

L’ajout d’un petit pourcentage d’atomes étrangers dans le réseau cristallin régulier de silicium ou de germanium produit des changements spectaculaires dans leurs propriétés électriques, car ces atomes étrangers incorporés dans la structure cristalline du semi-conducteur fournissent des porteurs de charge gratuits (électrons ou trous d’électrons) dans le semi-conducteur. Dans un semi-conducteur extrinsèque, ce sont ces atomes dopants étrangers dans le réseau cristallin qui fournissent principalement les porteurs de charge qui transportent le courant électrique à travers le cristal. En général, il existe deux types d’atomes dopants, ce qui entraîne deux types de semi-conducteurs extrinsèques. Ces dopants qui produisent les changements contrôlés souhaités sont classés comme accepteurs d’électrons ou donneurs et les semi-conducteurs dopés correspondants sont appelés:

• Semi-conducteurs de type n .
• Semi-conducteurs de type p .

Les semi – conducteurs extrinsèques sont des composants de nombreux appareils électriques courants, ainsi que de nombreux détecteurs de rayonnement ionisant. À ces fins, une diode à semi-conducteur (dispositifs qui ne permettent le courant que dans une seule direction) est généralement constituée de semi-conducteurs de type p et de type n placés en jonction l’un avec l’autre.

Détecteurs à semi-conducteurs à base de germanium

Les détecteurs à semi-conducteurs à base de germanium sont les plus couramment utilisés lorsqu’une très bonne résolution énergétique est requise, en particulier pour la spectroscopie gamma, ainsi que la spectroscopie aux rayons X. En spectroscopie gamma, le germanium est préféré en raison de son numéro atomique beaucoup plus élevé que le silicium et qui augmente la probabilité d’interaction des rayons gamma. De plus, le germanium a une énergie moyenne inférieure nécessaire pour créer une paire électron-trou, qui est de 3,6 eV pour le silicium et de 2,9 eV pour le germanium. Cela donne également à ce dernier une meilleure résolution en énergie. Un semi-conducteur en germanium grand, propre et presque parfait est idéal comme compteur pour la radioactivité. Cependant, il est difficile et coûteux de fabriquer de gros cristaux avec une pureté suffisante. Alors que les détecteurs à base de silicium ne peuvent pas être plus épais que quelques millimètres, le germanium peut avoir une épaisseur sensible et épuisée de quelques centimètres, et peut donc être utilisé comme détecteur d’absorption totale pour les rayons gamma jusqu’à quelques MeV.

En revanche, pour atteindre une efficacité maximale, les détecteurs doivent fonctionner aux très basses températures de l’azote liquide (-196 ° C), car à température ambiante le bruit provoqué par l’excitation thermique est très élevé.

Étant donné que les détecteurs au germanium produisent la résolution la plus élevée actuellement disponible, ils sont utilisés pour mesurer le rayonnement dans une variété d’applications, y compris la surveillance du personnel et de l’environnement pour la contamination radioactive, les applications médicales, les tests radiométriques, la sécurité nucléaire et la sécurité des centrales nucléaires.

Détecteur de germanium – Principe de fonctionnement

Le fonctionnement des détecteurs semi-conducteurs est résumé dans les points suivants:

• Le rayonnement ionisant pénètre dans le volume sensible ( cristal de germanium ) du détecteur et interagit avec le matériau semi-conducteur.
• Le photon de haute énergie traversant le détecteur ionise les atomes de semi-conducteur, produisant les paires électron-trou . Le nombre de paires électron-trou est proportionnel à l’énergie du rayonnement vers le semi-conducteur. En conséquence, un certain nombre d’électrons sont transférés de la bande de valence à la bande de conduction, et un nombre égal de trous sont créés dans la bande de valence.
• Comme le germanium peut avoir une épaisseur sensible et épuisée de quelques centimètres, il est capable d’ absorber totalement les photons de haute énergie  (jusqu’à quelques MeV).
• Sous l’influence d’un champ électrique, les électrons et les trous se déplacent vers les électrodes, où ils produisent une impulsion qui peut être mesurée dans un circuit extérieur.
• Cette impulsion transporte des informations sur l’énergie du rayonnement incident d’origine. Le nombre de ces impulsions par unité de temps donne également des informations sur l’intensité du rayonnement.

Dans tous les cas, un photon dépose une partie de son énergie sur son trajet et peut être totalement absorbé. L’ absorption totale d’un photon 1 MeV produit environ 3 x 10 ⁵ paires électron-trou. Cette valeur est mineure par rapport au nombre total de porteurs libres dans un semi-conducteur intrinsèque de 1 cm ³ . Les particules traversant le détecteur ionisent les atomes de semi-conducteur, produisant les paires électron-trou. Mais dans les détecteurs à base de germanium à température ambiante, l’ excitation thermique est dominante. Elle est causée par des impuretés, une irrégularité du réseau de structure ou par un dopant . Cela dépend fortement de l’ _écart E(distance entre la valence et la bande de conduction), ce qui est très faible pour le germanium (Egap = 0,67 eV). Étant donné que l’excitation thermique entraîne le bruit du détecteur, un refroidissement actif est nécessaire pour certains types de semi-conducteurs (par exemple le germanium).

Notez que, un échantillon de 1 cm ³ de germanium pur à 20 ° C contient environ 4,2 × 10 ²² atomes, mais contient également environ 2,5 x 10 ¹³ électrons libres et 2,5 x 10 ¹³ trous générés en permanence à partir de l’énergie thermique. Comme on peut le voir, le rapport signal / bruit (S / N) serait minime (comparez-le avec 3 x 10 ⁵ paires électron-trou). L’ajout de 0,001% d’arsenic (une impureté) donne un supplément de 10 ¹⁷des électrons libres dans le même volume et la conductivité électrique est augmentée d’un facteur 10 000. Dans un matériau dopé, le rapport signal / bruit (S / N) serait encore plus petit. Le germanium ayant une bande interdite relativement faible, ces détecteurs doivent être refroidis afin de réduire la génération thermique des porteurs de charge (donc le courant de fuite inverse) à un niveau acceptable. Sinon, le bruit induit par le courant de fuite détruit la résolution énergétique du détecteur.

Jonction biaisée inversée

Le détecteur à semi-conducteur fonctionne beaucoup mieux en tant que détecteur de rayonnement si une tension externe est appliquée aux bornes de la jonction dans le sens de polarisation inverse . La région d’appauvrissement fonctionnera comme un détecteur de rayonnement. Une amélioration peut être obtenue en utilisant une tension de polarisation inverse à la jonction PNpour épuiser le détecteur de porteurs libres, qui est le principe de la plupart des détecteurs semi-conducteurs. La polarisation inverse d’une jonction augmente l’épaisseur de la région d’appauvrissement car la différence de potentiel à travers la jonction est améliorée. Les détecteurs au germanium ont une structure de broches dans laquelle la région intrinsèque (i) est sensible aux rayonnements ionisants, en particulier aux rayons X et aux rayons gamma. Sous polarisation inverse, un champ électrique s’étend à travers la région intrinsèque ou appauvrie. Dans ce cas, une tension négative est appliquée du côté p et positive au second. Les trous dans la région p sont attirés par la jonction vers le contact p et de même pour les électrons et le contact n. Cette charge, qui est proportionnelle à l’énergie déposée dans le détecteur par le photon entrant,

Voir aussi: Détecteurs au germanium, MIRION Technologies. <disponible sur: https://www.mirion.com/products/germanium-detectors>.

Application des détecteurs au germanium – Spectroscopie gamma

Comme il a été écrit, l’étude et l’analyse des spectres de rayons gamma à des fins scientifiques et techniques sont appelées spectroscopie gamma, et les spectromètres à rayons gamma sont les instruments qui observent et collectent ces données. Un spectromètre à rayons gamma (GRS) est un appareil sophistiqué pour mesurer la distribution d’énergie du rayonnement gamma. Pour la mesure des rayons gamma au-dessus de plusieurs centaines de keV, il existe deux catégories de détecteurs d’importance majeure,  les scintillateurs inorganiques comme le NaI (Tl)  et les détecteurs semi –  conducteurs. Dans les articles précédents, nous avons décrit la spectroscopie gamma à l’aide d’un détecteur à scintillation, qui se compose d’un cristal scintillateur approprié, d’un tube photomultiplicateur et d’un circuit de mesure de la hauteur des impulsions produites par le photomultiplicateur. Les avantages d’un compteur à scintillation sont son efficacité (grande taille et haute densité) et la haute précision et les taux de comptage possibles. En raison du nombre atomique élevé d’iode, un grand nombre de toutes les interactions entraîneront une absorption complète de l’énergie des rayons gamma, de sorte que la fraction photo sera élevée.

Mais si une  résolution énergétique parfaite  est requise, nous devons utiliser un  détecteur à base de germanium , tel que le  détecteur HPGe . Les détecteurs à semi-conducteur à base de germanium sont les plus couramment utilisés lorsqu’une très bonne résolution énergétique est requise, en particulier pour  la spectroscopie gamma , ainsi que la  spectroscopie aux rayons X. En spectroscopie gamma, le germanium est préféré en raison de son numéro atomique beaucoup plus élevé que le silicium et qui augmente la probabilité d’interaction des rayons gamma. De plus, le germanium a une énergie moyenne inférieure nécessaire pour créer une paire électron-trou, qui est de 3,6 eV pour le silicium et de 2,9 eV pour le germanium. Cela donne également à ce dernier une meilleure résolution en énergie. La FWHM (pleine largeur à moitié maximum) pour les détecteurs au germanium est fonction de l’énergie. Pour un photon de 1,3 MeV, la FWHM est de 2,1 keV, ce qui est très faible.

Les détecteurs au germanium de haute pureté ( détecteurs HPGe ) sont la meilleure solution pour une spectroscopie gamma et aux rayons X précise . Par rapport aux détecteurs au silicium , le germanium est beaucoup plus efficace que le silicium pour la détection des radiations en raison de son numéro atomique beaucoup plus élevé que le silicium et en raison de l’énergie moyenne inférieure nécessaire pour créer une paire électron-trou , qui est de 3,6 eV pour le silicium et de 2,9 eV pour le germanium. En raison de son numéro atomique plus élevé, Ge a un coefficient d’atténuation linéaire beaucoup plus important, ce qui conduit à un libre parcours moyen plus court. De plus, les détecteurs au silicium ne peuvent pas être plus épais que quelques millimètres, tandis que le germanium peut avoir unépaisseur sensible de quelques centimètres , et peut donc être utilisé comme détecteur d’absorption totale pour les rayons gamma jusqu’à quelques MeV.

Étant donné que les détecteurs HPGe produisent la résolution la plus élevée actuellement disponible, ils sont utilisés pour mesurer le rayonnement dans une variété d’applications, y compris la surveillance du personnel et de l’environnement pour la contamination radioactive, les applications médicales, les tests radiométriques, la sécurité nucléaire et la sécurité des centrales nucléaires.

Application des détecteurs HPGe – Spectroscopie gamma

Comme il a été écrit, l’étude et l’analyse des spectres de rayons gamma à des fins scientifiques et techniques sont appelées spectroscopie gamma, et les spectromètres à rayons gamma sont les instruments qui observent et collectent ces données. Un spectromètre à rayons gamma (GRS) est un appareil sophistiqué pour mesurer la distribution d’énergie du rayonnement gamma. Pour la mesure des rayons gamma supérieurs à plusieurs centaines de keV, il existe deux catégories de détecteurs d’importance majeure,  les scintillateurs inorganiques comme le NaI (Tl)  et les détecteurs semi –  conducteurs. Dans les articles précédents, nous avons décrit la spectroscopie gamma à l’aide d’un détecteur à scintillation, qui se compose d’un cristal scintillateur approprié, d’un tube photomultiplicateur et d’un circuit de mesure de la hauteur des impulsions produites par le photomultiplicateur. Les avantages d’un compteur à scintillation sont son efficacité (grande taille et haute densité) et la haute précision et les taux de comptage possibles. En raison du nombre atomique élevé d’iode, un grand nombre de toutes les interactions entraîneront une absorption complète de l’énergie des rayons gamma, de sorte que la fraction photo sera élevée.

Mais si une  résolution énergétique parfaite  est requise, nous devons utiliser un  détecteur à base de germanium , tel que le  détecteur HPGe . Les détecteurs à semi-conducteurs à base de germanium sont les plus couramment utilisés lorsqu’une très bonne résolution énergétique est requise, en particulier pour  la spectroscopie gamma , ainsi que la  spectroscopie aux rayons X. En spectroscopie gamma, le germanium est préféré car son numéro atomique est beaucoup plus élevé que le silicium et ce qui augmente la probabilité d’interaction des rayons gamma. De plus, le germanium a une énergie moyenne inférieure nécessaire pour créer une paire électron-trou, qui est de 3,6 eV pour le silicium et de 2,9 eV pour le germanium. Cela donne également à ce dernier une meilleure résolution en énergie. Le FWHM (pleine largeur à moitié maximum) pour les détecteurs au germanium est fonction de l’énergie. Pour un photon de 1,3 MeV, la FWHM est de 2,1 keV, ce qui est très faible.

Absorption de dose externe

L’exposition externe est un rayonnement provenant de l’extérieur de notre corps et interagissant avec nous. Dans ce cas, nous analysons principalement l’exposition aux rayons gamma, car les particules alpha et bêta, en général, ne présentent aucun risque d’exposition externe car les particules ne traversent généralement pas la peau. La source de rayonnement peut être, par exemple, un équipement qui produit le rayonnement comme un conteneur avec des matières radioactives, ou comme une machine à rayons X. En radioprotection, il existe trois façons de protéger les personnes contre les sources de rayonnement externes identifiées:

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  Limiter le temps. La quantité d’exposition aux rayonnements dépend directement (linéairement) du temps que les gens passent près de la source de rayonnement. La dose peut être réduite en limitant le temps d’exposition .

• Distance. La quantité d’exposition au rayonnement dépend de la distance de la source de rayonnement. Comme pour la chaleur d’un feu, si vous êtes trop près, l’intensité du rayonnement thermique est élevée et vous pouvez vous brûler. Si vous êtes à la bonne distance, vous pouvez y résister sans aucun problème et en plus c’est confortable. Si vous êtes trop loin d’une source de chaleur, l’insuffisance de chaleur peut également vous blesser. Cette analogie, dans un certain sens, peut être appliquée au rayonnement provenant également de sources de rayonnement.
• Blindage. Enfin, si la source est trop intensive et que le temps ou la distance n’assurent pas une radioprotection suffisante, le blindage doit être utilisé. La protection contre les radiations est généralement constituée de barrières de plomb, de béton ou d’eau. Il existe de nombreux matériaux qui peuvent être utilisés pour la protection contre les radiations, mais il existe de nombreuses situations en matière de radioprotection. Cela dépend fortement du type de rayonnement à protéger, de son énergie et de nombreux autres paramètres. Par exemple, même l’uranium appauvri peut être utilisé comme une bonne protection contre le rayonnement gamma, mais d’un autre côté, l’uranium est un blindage absolument inapproprié du rayonnement neutronique .

Comme cela a été écrit, il est crucial, que nous soyons exposés à des rayonnements de sources externes ou internes. Ceci est similaire à celui d’une autre substance dangereuse. L’exposition interne est plus dangereuse que l’exposition externe, car nous transportons la source de rayonnement à l’intérieur de notre corps et nous ne pouvons utiliser aucun des principes de radioprotection (temps, distance, blindage).

Exposition aux radiations

En général, l’exposition aux rayonnements  est une mesure de l’ionisation de l’  air  due aux rayonnements ionisants des photons de  haute énergie (c.-à-d. Les rayons X et les rayons gamma). L’exposition aux rayonnements  est définie comme la  somme des charges électriques  (∆q) sur tous les ions d’un signe produites  dans l’air  lorsque tous les électrons, libérés par les photons dans un volume d’air dont la masse est ∆m, sont complètement arrêtés dans l’air.

Exposition aux radiations  est donné le symbole  X . L’unité SI d’exposition aux radiations est le coulomb par kilogramme (C / kg), mais en pratique, le  roentgen  est utilisé. Le  roentgen , abrégé  R , est l’unité d’exposition aux radiations. Dans la définition d’origine,  1 R  signifie la quantité de  rayons X  ou  de rayonnement γ  qui est nécessaire pour libérer les charges positives et négatives d’une unité de charge électrostatique (esu) dans 1 cm³ d’air sec à température et pression standard (STP).

Dose absorbée et équivalente

En radioprotection, le  sievert  est une unité dérivée de  dose équivalente  et de  dose efficace.  Le sievert représente l’effet biologique équivalent du dépôt d’un joule d’énergie de rayons gamma dans un kilogramme de tissu humain. La dose absorbée  est définie comme la quantité d’énergie déposée par les rayonnements ionisants dans une substance. La dose absorbée  est donnée le symbole  D . La dose absorbée est généralement mesurée dans une unité appelée le  gris  (Gy), qui est dérivée du système SI. Le rad non-SI   est parfois également utilisé, principalement aux États-Unis.

Aux   fins de la radioprotection , la dose absorbée est calculée en moyenne sur un organe ou un tissu, T, et cette moyenne de dose absorbée est pondérée pour la qualité du rayonnement en termes de facteur de pondération du  rayonnement , w _R , pour le type et l’énergie du rayonnement incident sur le corps. Le  facteur de pondération du rayonnement  est un facteur sans dimension utilisé pour déterminer la dose équivalente à partir de la dose absorbée moyenne sur un tissu ou un organe et est basé sur le type de rayonnement absorbé. La dose pondérée résultante a été désignée comme la dose équivalente d’organe ou de tissu:

Une dose équivalente d’  un Sievert  représente la quantité de dose de rayonnement qui est équivalente, en termes de dommages biologiques spécifiés  , à  un gris  de  rayons X  ou de  rayons gamma . Une dose d’  un Sv causée par un rayonnement gamma équivaut à un dépôt d’énergie d’un joule dans un kilogramme de tissu. Cela signifie qu’un sievert équivaut à un gray de rayons gamma déposés dans certains tissus. D’un autre côté, des dommages biologiques similaires (un sievert) ne peuvent être causés que par 1/20 gray de rayonnement alpha (dû à un w _R élevé  de rayonnement alpha). Par conséquent, le  sievert n’est pas une unité de dose physique. Par exemple, une dose absorbée de 1 Gy par des particules alpha entraînera une dose équivalente de 20 Sv. Cela peut sembler être un paradoxe. Cela implique que l’énergie du champ de rayonnement incident en joules a augmenté d’un facteur 20, violant ainsi les lois de  conservation de l’énergie . Cependant, ce n’est pas le cas. Sievert est dérivé de la quantité physique absorbée, mais prend également en compte l’  efficacité biologique  du rayonnement, qui dépend du type de rayonnement et de l’énergie. Le  facteur de pondération du rayonnement  fait que le sievert ne peut pas être une unité physique.

La dosimétrie des rayonnements est la mesure, le calcul et l’évaluation des doses absorbées et l’attribution de ces doses aux individus. Ce sont la science et la pratique qui tentent de relier quantitativement des mesures spécifiques prises dans un champ de rayonnement à des changements chimiques et / ou biologiques que le rayonnement produirait dans une cible.

Puisqu’il existe deux types d’exposition aux rayonnements, l’exposition externe et l’exposition interne, la dosimétrie peut également être classée comme:

• Dosimétrie externe . L’exposition externe est un rayonnement provenant de l’extérieur de notre corps et interagissant avec nous. Dans ce cas, nous analysons principalement l’exposition aux rayons gamma et aux particules bêta , car les particules alpha , en général, ne constituent pas un risque d’exposition externe car les particules ne traversent généralement pas la peau. Étant donné que les photons et les bêta interagissent par le biais de forces électromagnétiques et que les neutrons interagissent par le biais des forces nucléaires, leurs méthodes de détection et de dosimétrie sont sensiblement différentes. La source de rayonnement peut être, par exemple, un équipement qui produit le rayonnement comme un conteneur avec des matières radioactives, ou comme une machine à rayons X. La dosimétrie externe est basée sur des mesures avec un dosimètre, ou déduit de mesures effectuées par d’autres instruments de radioprotection.

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  Dosimétrie interne . Si la source de rayonnement est à l’ intérieur de notre corps , nous disons que c’est une exposition interne . L’apport de matières radioactives peut se produire par diverses voies telles que l’ingestion de contamination radioactive dans les aliments ou les liquides. La protection contre l’exposition interne est plus compliquée. La plupart des radionucléides vous donneront beaucoup plus de dose de rayonnement s’ils peuvent pénétrer dans votre corps, qu’ils ne le feraient s’ils restaient à l’extérieur. L’évaluation de la dosimétrie interne repose sur une variété de techniques de surveillance, de bioessai ou d’imagerie par rayonnement.

Dosimétrie personnelle

La dosimétrie personnelle est un élément clé de la dosimétrie des rayonnements. La dosimétrie personnelle est utilisée principalement (mais pas exclusivement) pour déterminer les doses aux personnes qui sont exposées aux rayonnements liés à leurs activités professionnelles. Ces doses sont généralement mesurées par des appareils appelés dosimètres. Les dosimètres enregistrent généralement une dose, qui est l’énergie de rayonnement absorbée mesurée en gray (Gy) ou la dose équivalente mesurée en sieverts (Sv). Un dosimètre personnel est un dosimètre, qui est porté à la surface du corps par la personne surveillée, et il enregistre la dose de rayonnement reçue. Dosimétrie personnelleles techniques varient et dépendent en partie du fait que la source de rayonnement se trouve à l’extérieur du corps (externe) ou dans le corps (interne). Les dosimètres personnels sont utilisés pour mesurer les expositions aux rayonnements externes. Les expositions internes sont généralement surveillées en mesurant la présence de substances nucléaires dans le corps ou en mesurant les substances nucléaires excrétées par le corps.

Les dosimètres disponibles dans le commerce vont des appareils passifs à faible coût qui stockent les informations de dose du personnel pour une lecture ultérieure, aux appareils plus chers fonctionnant sur batterie qui affichent la dose immédiate et le débit de dose (généralement un dosimètre personnel électronique ). La méthode de lecture, la plage de mesure de la dose, la taille, le poids et le prix sont des facteurs de sélection importants.

Il existe deux types de dosimètres:

• Dosimètres passifs . Les dosimètres passifs couramment utilisés sont le dosimètre thermo luminescent (TLD) et l’insigne de film. Un dosimètre passif produit un signal radio-induit, qui est stocké dans l’appareil. Le dosimètre est ensuite traité et la sortie est analysée.
• Dosimètres actifs . Pour obtenir une valeur en temps réel de votre exposition, vous pouvez utiliser un dosimètre actif, généralement un dosimètre personnel électronique (EPD). Un dosimètre actif produit un signal radio-induit et affiche une lecture directe de la dose ou du débit de dose détecté en temps réel.

Les dosimètres passifs et actifs sont souvent utilisés ensemble pour se compléter. Pour estimer les doses efficaces, les dosimètres doivent être portés à une position du corps représentative de son exposition, généralement entre la taille et le cou, à l’avant du torse, face à la source radioactive. Les dosimètres sont généralement portés à l’extérieur des vêtements, autour de la poitrine ou du torse pour représenter la dose à «tout le corps». Des dosimètres peuvent également être portés aux extrémités ou près de l’œil pour mesurer une dose équivalente à ces tissus.

Les dosimètres personnels utilisés aujourd’hui ne sont pas des instruments absolus, mais des instruments de référence. Cela signifie qu’ils doivent être périodiquement calibrés . Lorsqu’un dosimètre de référence est étalonné, un facteur d’étalonnage peut être déterminé. Ce facteur d’étalonnage relie la quantité d’exposition à la dose rapportée. La validité de l’étalonnage est démontrée en maintenant la traçabilité de la source utilisée pour étalonner le dosimètre. La traçabilité est obtenue par comparaison de la source avec un «étalon primaire» dans un centre d’étalonnage de référence. Dans le suivi des individus, les valeurs de ces grandeurs opérationnelles sont considérées comme une évaluation suffisamment précise de la dose efficace et de la dose cutanée, respectivement, en particulier, si leurs valeurs sont inférieures à lalimites de protection .

Dosimétrie médicale

La dosimétrie médicale est le calcul de la dose absorbée et l’optimisation de l’administration de la dose dans les examens et traitements médicaux. En général, les expositions aux rayonnements provenant des examens diagnostiques médicaux sont faibles (en particulier dans les utilisations diagnostiques). Les doses peuvent également être élevées (uniquement à des fins thérapeutiques), mais dans chaque cas, elles doivent toujours être justifiées par les avantages d’un diagnostic précis des conditions possibles de la maladie ou par les avantages d’un traitement précis. Ces doses comprennent les contributions de la radiologie diagnostique médicale et dentaire (radiographies diagnostiques), de la médecine nucléaire clinique et de la radiothérapie. Dosimétrie médicaleest souvent effectuée par un physicien de santé professionnel ayant une formation spécialisée dans ce domaine. Afin de planifier la délivrance de la radiothérapie, le rayonnement produit par les sources est généralement caractérisé par des courbes de dose en profondeur et des profils de dose mesurés par un physicien médical.

L’utilisation médicale des rayonnements ionisants reste un domaine en évolution rapide. Dans tous les cas, l’utilité des rayonnements ionisants doit être mise en balance avec ses dangers. De nos jours, un compromis a été trouvé et la plupart des utilisations du rayonnement sont optimisées. Aujourd’hui, il est presque incroyable que les rayons X aient été, à un moment donné, utilisés pour trouver la bonne paire de chaussures (c’est-à-dire la fluoroscopie de la chaussure). Les mesures effectuées ces dernières années indiquent que les doses aux pieds étaient comprises entre 0,07 et 0,14 Gy pour une exposition de 20 secondes. Cette pratique a été interrompue lorsque les risques de rayonnements ionisants ont été mieux compris.

Voir aussi: Expositions médicales

Dosimétrie environnementale

La dosimétrie environnementale est utilisée lorsqu’il est probable que l’environnement génère une dose de rayonnement importante. Comme il a été écrit, le rayonnement est tout autour de nous . Dans, autour et au-dessus du monde dans lequel nous vivons. C’est une force d’énergie naturelle qui nous entoure. C’est une partie de notre monde naturel qui est ici depuis la naissance de notre planète. Toutes les créatures vivantes, depuis le début des temps, ont été et sont encore exposées aux rayonnements ionisants . Les rayonnements ionisants sont générés par des réactions nucléaires , la désintégration nucléaire , par des températures très élevées ou par l’accélération de particules chargées dans des champs électromagnétiques.

En général, il existe deux grandes catégories de sources de rayonnement dans l’environnement:

• Rayonnement de fond naturel . Le rayonnement de fond naturel comprend le rayonnement produit par le Soleil, les éclairs, les radio-isotopes primordiaux ou les explosions de supernova, etc.
• Sources de rayonnement artificielles . Les sources artificielles comprennent les utilisations médicales des rayonnements, les résidus d’essais nucléaires, les utilisations industrielles des rayonnements, etc.

Un exemple de dosimétrie environnementale  est la surveillance du radon. Le radon est un gaz radioactif généré par la désintégration de l’ uranium , qui est présent en quantités variables dans la croûte terrestre. Il est important de noter que le radon est un gaz noble , alors que tous ses produits de désintégration sont des métaux . Le principal mécanisme d’entrée du radon dans l’atmosphère est la diffusion à travers le sol. Certaines zones géographiques, en raison de la géologie sous-jacente, génèrent continuellement du radon qui pénètre jusqu’à la surface de la Terre. Dans certains cas, la dose peut être importante dans les bâtiments où le gaz peut s’accumuler. Les emplacements avec un fond de radon plus élevé sont bien cartographiés dans chaque pays. En plein air, elle varie de 1 à 100 Bq / m3, voire moins (0,1 Bq / m3) au-dessus de l’océan. Dans les grottes ou les mines aérées, ou les maisons mal aérées, sa concentration grimpe à 20–2 000 Bq / m3. Dans l’atmosphère extérieure, il y a aussi une advection causée par le vent et les changements de pression barométrique. Un certain nombre de techniques de dosimétrie spécialisées sont utilisées pour évaluer la dose que les occupants d’un immeuble peuvent recevoir.

Mesure et surveillance de la dose de rayonnement

Dans les chapitres précédents, nous avons décrit la dose équivalente et la dose efficace . Mais ces doses ne sont pas directement mesurables . À cet effet, la CIPR a introduit et défini un ensemble de grandeurs opérationnelles , mesurables et destinées à fournir une estimation raisonnable des grandeurs de protection. Ces quantités visent à fournir une estimation prudente de la valeur des quantités de protection liées à une exposition en évitant à la fois une sous-estimation et une surestimation excessive.

Les liens numériques entre ces quantités sont représentés par des coefficients de conversion , qui sont définis pour une personne de référence. Il est très important qu’un ensemble de coefficients de conversion, internationalement convenu, soit disponible pour une utilisation générale dans les pratiques de radioprotection pour les expositions professionnelles et les expositions du public. Pour le calcul des coefficients de conversion pour l’exposition externe, des fantômes de calcul sont utilisés pour l’évaluation de la dose dans divers champs de rayonnement. Pour le calcul des coefficients de dose à partir des apports de radionucléides , des modèles biocinétiques pour les radionucléides, des données physiologiques de référence et des fantômes de calcul sont utilisés.

Un ensemble de données évaluées des coefficients de conversion pour la protection et des quantités opérationnelles pour l’exposition externe à des photons, des neutrons et des rayonnements électroniques monoénergétiques dans des conditions d’irradiation spécifiques est publié dans des rapports (ICRP, 1996b, ICRU, 1997).

En général, la CIPR définit les quantités opérationnelles pour la surveillance de zone et individuelle des expositions externes. Les quantités opérationnelles pour la surveillance de zone sont:

• Équivalent de dose ambiante , H * (10). L’équivalent de dose ambiant est une quantité opérationnelle pour la surveillance de zone de rayonnement fortement pénétrant.
• Équivalent de dose directionnel , H ‘(d, Ω). L’équivalent de dose directionnel est une quantité opérationnelle pour la surveillance de zone de rayonnement faiblement pénétrant.

Les quantités opérationnelles pour le suivi individuel sont:

• Équivalent de dose personnel , H _p (0,07) . L’équivalent de dose H _p (0,07) est une quantité opérationnelle pour la surveillance individuelle pour l’évaluation de la dose pour la peau et pour les mains et les pieds.
• Équivalent de dose personnel , H _p (10) . L’ équivalent de dose H _p (10) est une quantité opérationnelle pour la surveillance individuelle pour l’évaluation de la dose efficace.

Référence spéciale: CIPR, 2007. Les recommandations de 2007 de la Commission internationale de protection radiologique. Publication 103 de la CIPR. Ann. ICRP 37 (2-4).

Limites de dose

Voir aussi: Limites de dose

Les limites de dose sont divisées en deux groupes, le public et les travailleurs exposés professionnellement. Selon la CIPR, l’exposition professionnelle fait référence à toute exposition subie par les travailleurs au cours de leur travail, à l’exception des

1. expositions exclues et expositions d’activités exonérées impliquant des rayonnements ou des sources exonérées
2. toute exposition médicale
3. le rayonnement de fond naturel local normal.

Le tableau suivant résume les limites de dose pour les travailleurs exposés professionnellement et pour le public:

Selon la recommandation de la CIPR dans sa déclaration sur les réactions tissulaires du 21 avril 2011, la limite de dose équivalente pour le cristallin de l’exposition professionnelle dans les situations d’exposition planifiée a été réduite de 150 mSv / an à 20 mSv / an, moyenne sur des périodes définies de 5 ans, sans dose annuelle sur une seule année supérieure à 50 mSv.

Les limites de dose efficace correspondent à la somme des doses efficaces pertinentes provenant de l’exposition externe au cours de la période spécifiée et de la dose efficace engagée provenant des apports de radionucléides au cours de la même période. Pour les adultes, la dose efficace engagée est calculée pour une période de 50 ans après la prise, tandis que pour les enfants, elle est calculée pour la période allant jusqu’à 70 ans. La limite de dose efficace pour le corps entier de 20 mSv est une valeur moyenne sur cinq ans. La limite réelle est de 100 mSv en 5 ans, avec pas plus de 50 mSv en une année.

Sievert – Unité de dose équivalente

En radioprotection, le sievert est une unité dérivée de dose équivalente et de dose efficace . Le sievert représente l’effet biologique équivalent du dépôt d’un joule d’énergie de rayons gamma dans un kilogramme de tissu humain. L’unité de sievert est importante dans la radioprotection et a été nommée d’après le scientifique suédois Rolf Sievert, qui a effectué une grande partie des premiers travaux sur la dosimétrie des rayonnements en radiothérapie.

Comme cela a été écrit, le sievert est utilisé pour les quantités de dose de rayonnement telles que la dose équivalente et la dose efficace. La dose équivalente (symbole H _T ) est une quantité de dose calculée pour chaque organe (indice T – tissu). La dose équivalente est basée sur la dose absorbée par un organe, ajustée pour tenir compte de l’ efficacité du type de rayonnement . Dose équivalente est donnée le symbole H _T . L’unité SI de H _T est le sievert (Sv) ou mais rem ( roentgen équivalent man ) est encore couramment utilisé ( 1 Sv = 100 rem ).

Exemples de doses à Sieverts

Nous devons noter que le rayonnement est tout autour de nous. Dans, autour et au-dessus du monde dans lequel nous vivons. C’est une force d’énergie naturelle qui nous entoure. C’est une partie de notre monde naturel qui est ici depuis la naissance de notre planète. Dans les points suivants, nous essayons d’exprimer d’énormes plages d’exposition aux rayonnements, qui peuvent être obtenues à partir de diverses sources.

• 0,05 µSv – Dormir à côté de quelqu’un
• 0,09 µSv – Vivant à moins de 30 miles d’une centrale nucléaire pendant un an
• 0,1 µSv – Manger une banane
• 0,3 µSv – Vivant à moins de 50 miles d’une centrale à charbon pendant un an
• 10 µSv – Dose journalière moyenne reçue du milieu naturel
• 20 µSv – Radiographie thoracique
• 40 µSv – Un vol en avion de 5 heures
• 600 µSv – mammographie
• 1 000 µSv – Limite de dose pour chaque membre du public, dose efficace totale par an
• 3 650 µSv – Dose annuelle moyenne reçue du milieu naturel
• 5 800 µSv – tomodensitométrie thoracique
• 10 000 µSv – Dose annuelle moyenne reçue du milieu naturel à Ramsar, Iran
• 20000 µSv – tomodensitométrie complète du corps entier
• 175 000 µSv – Dose annuelle de rayonnement naturel sur une plage de monazite près de Guarapari, Brésil.
• 5 000 000 µSv – Dose qui tue un humain avec un risque de 50% dans les 30 jours (DL50 / 30), si la dose est reçue sur une très courte durée .