Dosimétrie des rayonnements

Principes des détecteurs

Dans leurs principes de fonctionnement de base, la plupart des  détecteurs  de rayonnement ionisant suivent des caractéristiques similaires. Les détecteurs de rayonnement ionisant se composent de  deux parties  qui sont généralement connectées. La première partie est constituée d’un  matériau sensible , constitué d’un composé qui subit des changements lorsqu’il est exposé aux rayonnements. L’autre composant est un appareil qui convertit ces changements en signaux mesurables . Tous les détecteurs exigent que le rayonnement dépose une partie de son énergie dans un matériau sensible qui fait partie de l’instrument. Le rayonnement pénètre dans le détecteur, interagit avec les atomes du matériau du détecteur et dépose de l’énergie sur le matériau sensible. Chaque événement peut générer un signal, qui peut être une impulsion, un trou, un signal lumineux, des paires d’ions dans un gaz et bien d’autres. La tâche principale est de générer un signal suffisant, de l’amplifier et de l’enregistrer.

Description des détecteurs à ionisation gazeuse

La chambrea une cathode et une anode qui sont maintenues à une certaine tension relative élevée, et le dispositif est caractérisé par une capacité qui est déterminée par la géométrie des électrodes. Lorsque le rayonnement ionisant pénètre dans le gaz entre les électrodes, un nombre fini de paires d’ions se forme. Le comportement des paires d’ions résultantes est affecté par le gradient potentiel du champ électrique dans le gaz et le type et la pression du gaz de remplissage. Sous l’influence du champ électrique, les ions positifs se déplaceront vers l’électrode chargée négativement (cylindre extérieur) et les ions négatifs (électrons) migreront vers l’électrode positive (fil central). Le champ électrique dans cette région empêche les ions de se recombiner avec les électrons. La collecte de ces ions produira une charge sur les électrodes et une impulsion électrique à travers le circuit de détection. Dans l’air, l’énergie moyenne nécessaire pour produire un ion est d’environ 34 eV, donc un rayonnement de 1 MeV complètement absorbé dans le détecteur produit environ 3 x 10⁴ paires d’ions. Cependant, il s’agit d’un petit signal, ce signal peut être considérablement amplifié à l’aide d’une électronique standard.

Types de détecteurs de rayonnement ionisant

En conséquence, il existe trois types de base de détecteurs à ionisation gazeuse , qui sont classés en fonction de la tension appliquée au détecteur:

• chambres d’ionisation,
• compteurs proportionnels,
• Tubes Geiger-Müller.

Comme pour les autres détecteurs, les chambres d’ionisation peuvent fonctionner en mode courant ou impulsion. En revanche, les compteurs proportionnels ou les compteurs Geiger sont presque toujours utilisés en mode impulsion. Les détecteurs de rayonnement ionisant peuvent être utilisés à la fois pour les mesures d’activité ainsi que pour la mesure de dose. En connaissant l’énergie nécessaire pour former une paire d’ions, la dose peut être obtenue.

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Supposons des détecteurs à ionisation gazeuse . Le détecteur d’ionisation gazeuse de base se compose d’une chambrequi est rempli d’un milieu approprié (air ou gaz de remplissage spécial) qui peut être facilement ionisé. En règle générale, le fil central est l’électrode positive (anode) et le cylindre extérieur est l’électrode négative (cathode), de sorte que les électrons (négatifs) sont attirés par le fil central et les ions positifs sont attirés par le cylindre extérieur. L’anode est à une tension positive par rapport à la paroi du détecteur. Lorsque le rayonnement ionisant pénètre dans le gaz entre les électrodes, un nombre fini de paires d’ions se forme. Sous l’influence du champ électrique, les ions positifs se déplaceront vers l’électrode chargée négativement (cylindre extérieur) et les ions négatifs (électrons) migreront vers l’électrode positive (fil central). La collecte de ces ions produira une charge sur les électrodes et une impulsion électrique à travers le circuit de détection.amplifié , puis enregistré en utilisant l’électronique standard.

Rapport signal sur bruit

Le rapport signal / bruit, SNR, est une mesure utilisée en science et en ingénierie qui compare le signal de sortie électrique au bruit électrique généré dans le chemin de câbles ou dans l’instrumentation.

Rapport signal / bruit – Détecteurs au germanium

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. Elle dépend fortement de l’ _écart E (une distance entre la valence et la bande de conduction), 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. . Comme on peut le voir, le rapport signal / bruit (S / N) serait minime. 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.

La discrimination dans les circuits de détection de rayonnement fait référence au processus de distinction entre différents types de rayonnement en fonction de la hauteur d’impulsion. Un circuit discriminateur sélectionne la hauteur d’impulsion minimale ou maximale à compter. Par exemple, un circuit discriminateur est utilisé dans le détecteur de neutrons pour distinguer les impulsions importantes de l’ionisation alpha (l’absorption des neutrons dans le détecteur produit des particules alpha) des impulsions beaucoup plus petites qui seraient provoquées par les rayons gamma.

Référence spéciale: US Department of Energy, Instrumantation and Control. DOE Fundamentals Handbook, Volume 2 of 2. June 1992.

Principes de base des détecteurs

Il existe trois principaux types de détecteurs, qui enregistrent différents types de signaux.

• Compteur . L’activité ou l’intensité du rayonnement est mesurée en coups par seconde (cps). Le compteur le plus connu est le compteur Geiger-Müller. Dans les compteurs de rayonnement, le signal généré par le rayonnement incident est créé par le comptage du nombre d’interactions se produisant au volume sensible du détecteur.
• Spectromètre de rayonnement . Les spectromètres sont des appareils conçus pour mesurer la distribution spectrale de puissance d’une source. Le rayonnement incident génère un signal qui permet de déterminer l’énergie de la particule incidente.
• Dosimètre . Un dosimètre de rayonnement est un appareil qui mesure l’exposition aux rayonnements ionisants. Les dosimètres enregistrent généralement une dose, qui est l’énergie de rayonnement absorbée mesurée en gray (Gy) de 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.

Tous ces types d’équipements nécessitent que les radiations entraînent des changements observables dans un composé (qu’il soit gazeux, liquide ou solide). Dans leurs principes de fonctionnement de base, la plupart des détecteurs de rayonnement ionisant suivent des caractéristiques similaires. Les détecteurs de rayonnement ionisant se  composent de deux parties qui sont généralement connectées. La première partie est constituée d’un  matériau sensible, composé d’un composé qui subit des changements lorsqu’il est exposé à des radiations. L’autre composant est un appareil qui convertit ces changements en signaux mesurables. Tous les détecteurs exigent que le rayonnement dépose une partie de son énergie dans un matériau sensible qui fait partie de l’instrument. Le rayonnement pénètre dans le détecteur, interagit avec les atomes du matériau du détecteur et dépose de l’énergie sur le matériau sensible. Chaque événement peut générer un signal, qui peut être une impulsion, un trou, un signal lumineux, des paires d’ions dans un gaz et bien d’autres. La tâche principale est de générer un signal suffisant, de l’amplifier et de l’enregistrer.

Dans cette section, nous décrivons un certain nombre de différents types d’instruments de mesure du rayonnement. Nous nous concentrons sur la première partie, qui est constituée d’un matériau sensible. Les détecteurs peuvent être classés en fonction de matériaux sensibles et de méthodes pouvant être utilisées pour effectuer une mesure:

• Détecteurs d’ionisation gazeuse
• Détecteurs à scintillation
• Détecteurs semi-conducteurs
• Badges de film
• TLD

Supposons des détecteurs à ionisation gazeuse . Le détecteur d’ionisation gazeuse de base se compose d’une chambrequi est rempli d’un milieu approprié (air ou gaz de remplissage spécial) qui peut être facilement ionisé. En règle générale, le fil central est l’électrode positive (anode) et le cylindre extérieur est l’électrode négative (cathode), de sorte que les électrons (négatifs) sont attirés par le fil central et les ions positifs sont attirés par le cylindre extérieur. L’anode est à une tension positive par rapport à la paroi du détecteur. Lorsque le rayonnement ionisant pénètre dans le gaz entre les électrodes, un nombre fini de paires d’ions se forme. Sous l’influence du champ électrique, les ions positifs se déplaceront vers l’électrode chargée négativement (cylindre extérieur) et les ions négatifs (électrons) migreront vers l’électrode positive (fil central). La collecte de ces ions produira une charge sur les électrodes et une impulsion électrique à travers le circuit de détection.amplifié , puis enregistré en utilisant l’électronique standard.

Qu’est-ce que l’ionisation

L’ionisation est le processus dans lequel un atome ou une molécule gagne ou perd des électrons pour former un ion chargé. L’ionisation peut résulter de la perte d’un électron après des collisions avec des particules subatomiques énergétiques, des collisions avec d’autres atomes, molécules et ions, ou par l’interaction avec un rayonnement électromagnétique. En général, le rayonnement ionisant est tout rayonnement (particules ou ondes électromagnétiques) qui transporte suffisamment d’énergie pour éliminer les électrons des atomes ou des molécules, les ionisant ainsi. Pour le rayonnement ionisant, l’énergie cinétique des particules ( photons, électrons, etc. ) est suffisante et la particule peut ioniser (pour former des ions en perdant des électrons) des atomes cibles pour former des ions.

La frontière entre les rayonnements ionisants et non ionisants n’est pas clairement définie, car différentes molécules et atomes s’ionisent à différentes énergies. Les rayons gamma , les rayons X , et la partie ultraviolette du spectre plus élevée sont ionisants, alors que l’ultraviolet inférieur, la lumière visible (y compris la lumière laser), infrarouge, micro – ondes et les ondes radio sont considérés comme des rayonnements non ionisants.

Énergie d’ionisation

L’énergie d’ionisation , également appelée  potentiel d’ionisation , est l’énergie nécessaire pour  retirer un électron  de l’atome neutre.

Énergie X + → X ⁺  + e ^–

où X est n’importe quel atome ou molécule capable d’être ionisé, X ⁺  est cet atome ou molécule avec un électron retiré (ion positif), et e ^–  est l’électron retiré.

Un atome d’azote, par exemple, nécessite l’énergie d’ionisation suivante pour éliminer l’électron le plus à l’extérieur.

N + IE → N ⁺  + e ^–         IE = 14,5 eV

L’énergie d’ionisation associée à l’élimination du premier électron est la plus couramment utilisée. La  n e énergie d’ionisation fait référence à la quantité d’énergie requise pour retirer un électron de l’espèce avec une charge de ( n -1).

1ère énergie d’ionisation

X → X ⁺  + e ^–

2ème énergie d’ionisation

X ⁺  → X ²⁺  + e ^–

3e énergie d’ionisation

X ²⁺  → X ³⁺  + e ^–

Énergie d’ionisation pour différents éléments

Il existe une énergie d’ionisation pour chaque électron successif retiré. Les électrons qui entourent le noyau se déplacent sur des orbites assez bien définies. Certains de ces électrons sont plus étroitement liés dans l’atome que d’autres. Par exemple, seulement 7,38 eV sont nécessaires pour retirer l’électron le plus à l’extérieur d’un atome de plomb, tandis que 88 000 eV sont requis pour éliminer l’électron le plus à l’intérieur. Aide à comprendre la réactivité des éléments (en particulier les métaux, qui perdent des électrons).

En général, l’énergie d’ionisation augmente en remontant un groupe et en se déplaçant de gauche à droite sur une période. De plus:

• L’énergie d’ionisation  est la plus faible pour les métaux alcalins qui ont un seul électron à l’extérieur d’une coquille fermée.
• L’énergie d’ionisation  augmente à travers une rangée sur le maximum périodique pour les gaz nobles qui ont des coquilles fermées

Par exemple, le sodium ne nécessite que 496 kJ / mol ou 5,14 eV / atome pour l’ioniser. Par contre le néon, le gaz noble, qui le précède immédiatement dans le tableau périodique, nécessite 2081 kJ / mol ou 21,56 eV / atome.

Le danger des rayonnements ionisants réside dans le fait que les rayonnements sont invisibles et non directement détectables par les sens humains. Les gens ne peuvent ni voir ni ressentir le rayonnement, mais il dépose de l’énergie dans les molécules de matière. L’énergie est transférée en petites quantités pour chaque interaction entre le rayonnement et une molécule et il existe généralement de nombreux types d’interactions . Par conséquent, la seule façon de détecter et de mesurer le rayonnement est d’utiliser des instruments ( détecteurs de rayonnement ionisant ).

Des connaissances détaillées sur la détection des rayonnements sont très importantes dans de nombreuses branches de l’ingénierie, y compris la radioprotection. La plupart des expériences nucléaires ou de particules modernes utilisent une variété de détecteurs sophistiqués pour mesurer et détecter les particules subatomiques . Pour être détectée, une particule doit laisser une trace de sa présence dans un détecteur. Les particules déposent principalement de l’ énergie le long de leur trajet. La connaissance de cette interaction, de la façon dont différentes particules déposent de l’énergie dans la matière et de la quantité d’énergie que les particules déposent, est fondamentale pour notre compréhension de nombreux problèmes. Ce chapitre vous donnera une compréhension de base du fonctionnement de ces détecteurs et de certaines de leurs limites.

Qu’est-ce que l’ionisation

L’ionisation est le processus dans lequel un atome ou une molécule gagne ou perd des électrons pour former un ion chargé. L’ionisation peut résulter de la perte d’un électron après des collisions avec des particules subatomiques énergétiques, des collisions avec d’autres atomes, molécules et ions, ou par l’interaction avec un rayonnement électromagnétique. En général, le rayonnement ionisant est tout rayonnement (particules ou ondes électromagnétiques) qui transporte suffisamment d’énergie pour éliminer les électrons des atomes ou des molécules, les ionisant ainsi. Pour le rayonnement ionisant, l’énergie cinétique des particules ( photons, électrons, etc. ) est suffisante et la particule peut ioniser (pour former des ions en perdant des électrons) des atomes cibles pour former des ions.

La frontière entre les rayonnements ionisants et non ionisants n’est pas clairement définie, car différentes molécules et atomes s’ionisent à différentes énergies. Les rayons gamma , les rayons X , et la partie ultraviolette du spectre plus élevée sont ionisants, alors que l’ultraviolet inférieur, la lumière visible (y compris la lumière laser), infrarouge, micro – ondes et les ondes radio sont considérés comme des rayonnements non ionisants.

Principes de base des détecteurs

Il existe trois principaux types de détecteurs, qui enregistrent différents types de signaux.

• Compteur . L’activité ou l’intensité du rayonnement est mesurée en coups par seconde (cps). Le compteur le plus connu est le compteur Geiger-Müller. Dans les compteurs de rayonnement, le signal généré par le rayonnement incident est créé par le comptage du nombre d’interactions se produisant au volume sensible du détecteur.
• Spectromètre de rayonnement . Les spectromètres sont des appareils conçus pour mesurer la distribution spectrale de puissance d’une source. Le rayonnement incident génère un signal qui permet de déterminer l’énergie de la particule incidente.
• Dosimètre . Un dosimètre de rayonnement est un appareil qui mesure l’exposition aux rayonnements ionisants. Les dosimètres enregistrent généralement une dose, qui est l’énergie de rayonnement absorbée mesurée en gray (Gy) de 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.

Tous ces types d’équipements nécessitent que les radiations entraînent des changements observables dans un composé (qu’il soit gazeux, liquide ou solide). Dans leurs principes de fonctionnement de base, la plupart des détecteurs de rayonnement ionisant suivent des caractéristiques similaires. Les détecteurs de rayonnement ionisant se  composent de deux parties qui sont généralement connectées. La première partie est constituée d’un  matériau sensible, composé d’un composé qui subit des changements lorsqu’il est exposé aux rayonnements. L’autre composant est un appareil qui convertit ces changements en signaux mesurables. Tous les détecteurs exigent que le rayonnement dépose une partie de son énergie dans un matériau sensible qui fait partie de l’instrument. Le rayonnement pénètre dans le détecteur, interagit avec les atomes du matériau du détecteur et dépose de l’énergie sur le matériau sensible. Chaque événement peut générer un signal, qui peut être une impulsion, un trou, un signal lumineux, des paires d’ions dans un gaz et bien d’autres. La tâche principale est de générer un signal suffisant, de l’amplifier et de l’enregistrer.

Supposons des détecteurs à ionisation gazeuse . Le détecteur d’ionisation gazeuse de base se compose d’une chambrequi est rempli d’un milieu approprié (air ou gaz de remplissage spécial) qui peut être facilement ionisé. En règle générale, le fil central est l’électrode positive (anode) et le cylindre extérieur est l’électrode négative (cathode), de sorte que les électrons (négatifs) sont attirés par le fil central et les ions positifs sont attirés par le cylindre extérieur. L’anode est à une tension positive par rapport à la paroi du détecteur. Lorsque le rayonnement ionisant pénètre dans le gaz entre les électrodes, un nombre fini de paires d’ions se forme. Sous l’influence du champ électrique, les ions positifs se déplaceront vers l’électrode chargée négativement (cylindre extérieur) et les ions négatifs (électrons) migreront vers l’électrode positive (fil central). La collecte de ces ions produira une charge sur les électrodes et une impulsion électrique à travers le circuit de détection.amplifié , puis enregistré en utilisant l’électronique standard.

La chambre d’ionisation , également connue sous le nom de chambre d’ions , est un appareil électrique qui détecte différents types de rayonnements ionisants . La tension du détecteur est ajustée pour que les conditions correspondent à la région d’ionisation . La tension n’est pas suffisamment élevée pour produire une amplification de gaz (ionisation secondaire). Les détecteurs dans la région d’ionisation fonctionnent à une faible intensité de champ électrique, choisie de telle sorte qu’aucune multiplication de gaz n’ait lieu. La charge collectée (signal de sortie) est indépendante de la tension appliquée et pour les particules à ionisation minimale unique, elle a tendance à être assez petite et nécessite généralement des amplificateurs spéciaux à faible bruit pour atteindre des performances de fonctionnement efficaces. Les chambres d’ionisation sont préféréespour des débits de dose de rayonnement élevés car ils n’ont pas de «temps mort», un phénomène qui affecte la précision du tube Geiger-Mueller à des débits de dose élevés. Cela est dû au fait qu’il n’y a pas d’amplification inhérente du signal dans le milieu de fonctionnement et, par conséquent, ces types de compteurs ne nécessitent pas beaucoup de temps pour se remettre de grands courants. De plus, comme il n’y a pas d’amplification, ils offrent une excellente résolution énergétique, qui est principalement limitée par le bruit électronique.

Les chambres d’ionisation peuvent fonctionner en mode courant ou impulsion . En revanche, les compteurs proportionnels ou les compteurs Geiger sont presque toujours utilisés en mode impulsion. Les détecteurs de rayonnement ionisant peuvent être utilisés à la fois pour les mesures d’activité ainsi que pour la mesure de dose. En connaissant l’énergie nécessaire pour former une paire d’ions, la dose peut être obtenue.

Principe de base des chambres d’ionisation

La chambre a une cathode et une anode qui sont maintenues à une certaine tension (peut-être 100 – 200 V), et le dispositif est caractérisé par une capacité qui est déterminée par la géométrie des électrodes. Des plaques plates ou des cylindres concentriques peuvent être utilisés dans la construction d’une chambre d’ionisation. La conception de la plaque plate est préférée car elle a un volume actif bien défini et garantit que les ions ne s’accumuleront pas sur les isolateurs et provoqueront une distorsion du champ électrique. Lorsque le rayonnement ionisant pénètre dans le gaz entre les électrodes, un nombre fini de paires d’ ionssont formés. Le comportement des paires d’ions résultantes est affecté par le gradient potentiel du champ électrique dans le gaz et le type et la pression du gaz de remplissage. Sous l’influence du champ électrique, les ions positifs se déplaceront vers l’électrode chargée négativement (cylindre ou plaque externe), et les ions négatifs (électrons) migreront vers l’électrode positive (fil ou plaque centrale). Le champ électrique dans cette région empêche les ions de se recombiner avec les électrons. La collecte de ces ions produira une charge sur les électrodes et une impulsion électrique à travers le circuit de détection. Dans l’air, l’énergie moyenne nécessaire pour produire un ion est d’environ 34 eV, donc un rayonnement de 1 MeV complètement absorbé dans le détecteur produit environ 3 x 10 ⁴ paires d’ions. Cependant, il s’agit d’un petit signal, ce signal peut être considérablement amplifié à l’aide d’une électronique standard. Un courant de 1 micro-ampère se compose d’environ 10 ¹² électrons par seconde.

La construction de la chambre d’ionisation diffère du compteur proportionnel. La conception à plaque plate est préférée pour les chambres d’ionisation, ou des cylindres concentriques peuvent être utilisés dans la construction pour permettre l’intégration des impulsions produites par le rayonnement incident. Les compteurs proportionnels et les compteurs Geiger utilisent généralement un cylindre et une électrode centrale. Le compteur proportionnel nécessiterait un contrôle si précis du champ électrique entre les électrodes qu’il ne serait pas pratique.

Détection du rayonnement alpha à l’aide d’une chambre d’ionisation

Pour que les particules alpha et bêta soient détectées par les chambres d’ionisation, elles doivent être dotées d’une fenêtre mince . Cette «fenêtre d’extrémité» doit être suffisamment mince pour que les particules alpha et bêta puissent pénétrer. Cependant, une fenêtre de presque n’importe quelle épaisseur empêchera une particule alpha de pénétrer dans la chambre. La fenêtre est généralement en mica avec une densité d’environ 1,5 à 2,0 mg / cm ² . Mais cela ne signifie pas que le rayonnement alpha ne peut pas être détecté par une chambre d’ionisation.

Par exemple, dans certains types de détecteurs de fumée, vous pouvez rencontrer des radionucléides artificiels tels que l’ américium-241, qui est une source de particules alpha. Le détecteur de fumée possède deux chambres d’ionisation, l’une ouverte à l’air, et une chambre de référence qui ne permet pas l’entrée de particules. La source radioactive émet des particules alpha dans les deux chambres, ce qui ionise certaines molécules d’air. La chambre à air libre permet l’entrée de particules de fumée dans le volume sensible et de changer l’atténuation des particules alpha. Si des particules de fumée pénètrent dans la chambre à air libre, certains des ions se fixeront aux particules et ne seront pas disponibles pour transporter le courant dans cette chambre. Un circuit électronique détecte qu’une différence de courant s’est développée entre les chambres ouvertes et scellées et déclenche l’alarme.

Détection de rayonnement bêta à l’aide d’une chambre d’ionisation

Pour que les particules alpha et bêta soient détectées par les chambres d’ionisation, elles doivent être pourvues d’une fenêtre mince. Cette «fenêtre d’extrémité» doit être suffisamment mince pour que les particules alpha et bêta puissent pénétrer. Cependant, une fenêtre de presque n’importe quelle épaisseur empêchera une particule alpha d’entrer dans la chambre. La fenêtre est généralement en mica avec une densité d’environ 1,5 à 2,0 mg / cm ² .

La chambre d’ionisation peut être, par exemple, utilisée pour la mesure du tritium dans l’air. Ces appareils sont appelés moniteurs de tritium dans l’air. Le tritium est un isotope radioactif, mais il émet une forme de rayonnement très faible, une particule bêta de faible énergie semblable à un électron. Il s’agit d’un émetteur bêta pur (c’est-à-dire un émetteur bêta sans rayonnement gamma d’ accompagnement ). L’énergie cinétique de l’électron varie, avec une moyenne de 5,7 keV, tandis que l’énergie restante est emportée par l’ antineutrino électronique presque indétectable. Une si faible énergie d’électrons provoque, que l’électron ne peut pas pénétrer la peau ou même ne voyage pas très loin dans l’air. Les particules bêta du tritium ne peuvent pénétrer que dans environ 6,0 mm d’air. Il est pratiquement impossible de concevoir un détecteur dont les parois peuvent pénétrer ces particules bêta. Au lieu de cela, le moniteur de tritium dans l’air pompe l’air contaminé par le tritium à travers une chambre d’ionisation, de sorte que toute l’énergie des particules bêta puisse être utilement convertie en produisant des paires d’ions à l’intérieur de la chambre.

Détection de rayonnement gamma à l’aide d’une chambre d’ionisation

Les rayons gamma ont très peu de mal à pénétrer les parois métalliques de la chambre. Par conséquent, des chambres d’ionisation peuvent être utilisées pour détecter le rayonnement gamma et les rayons X collectivement appelés photons, et pour cela le tube sans fenêtre est utilisé. Les chambres d’ionisation ont une bonne réponse uniforme au rayonnement sur une large gamme d’énergies et sont le moyen préféré de mesurer des niveaux élevés de rayonnement gamma. Certains problèmes sont causés par le fait que les particules alpha sont plus ionisantes que les particules bêta et que les rayons gamma, donc plus de courant est produit dans la région de la chambre d’ionisation par alpha que bêta et gamma. Les rayons gamma déposent une quantité d’énergie considérablement plus faible dans le détecteur que les autres particules.

L’efficacité de la chambre peut être encore augmentée par l’utilisation d’un gaz à haute pression. En règle générale, une pression de 8 à 10 atmosphères peut être utilisée et divers gaz nobles sont utilisés. Par exemple, les chambres d’ionisation au xénon à haute pression (HPXe) sont idéales pour une utilisation dans des environnements non contrôlés, car la réponse d’un détecteur s’est avérée uniforme sur de grandes plages de températures (20-170 ° C). La pression plus élevée entraîne une plus grande densité de gaz et donc une plus grande chance de collision avec le gaz de remplissage et la création de paires d’ions par rayonnement gamma incident. En raison de l’épaisseur de paroi accrue requise pour résister à cette haute pression, seul le rayonnement gamma peut être détecté. Ces détecteurs sont utilisés dans les compteurs d’arpentage et pour la surveillance de l’environnement.

Détection de neutrons à l’aide d’une chambre d’ionisation

Les neutrons étant des particules électriquement neutres, ils sont principalement soumis à de fortes forces nucléaires mais pas à des forces électriques. Par conséquent, les neutrons ne sont pas directement ionisants et ils doivent généralement être convertis en particules chargées avant de pouvoir être détectés. En général, chaque type de détecteur de neutrons doit être équipé d’un convertisseur (pour convertir le rayonnement neutronique en rayonnement commun détectable) et de l’un des détecteurs de rayonnement conventionnels (détecteur à scintillation, détecteur gazeux, détecteur à semi-conducteur, etc.).

Les chambres d’ionisation sont souvent utilisées comme dispositif de détection des particules chargées. Par exemple, si la surface intérieure de la chambre d’ionisation est recouverte d’une fine couche de bore, la réaction (n, alpha) peut avoir lieu. La plupart des réactions (n, alpha) des neutrons thermiques sont des réactions 10B (n, alpha) 7Li accompagnées d’ une émission gamma de 0,48 MeV .

De plus, l’isotope bore-10 a une section efficace de réaction (n, alpha) élevée sur tout le spectre d’énergie neutronique . La particule alpha provoque l’ionisation à l’intérieur de la chambre et les électrons éjectés provoquent d’autres ionisations secondaires.

Une autre méthode pour détecter les neutrons à l’aide d’une chambre d’ionisation consiste à utiliser le trifluorure de bore gazeux (BF ₃ ) au lieu de l’air dans la chambre. Les neutrons entrants produisent des particules alpha lorsqu’ils réagissent avec les atomes de bore dans le gaz détecteur. L’une ou l’autre méthode peut être utilisée pour détecter des neutrons dans un réacteur nucléaire. Il convient de noter que les compteurs BF ₃ sont généralement utilisés dans la région proportionnelle.

Les détecteurs à ionisation gazeuse sont des instruments de détection de rayonnement utilisés dans les applications de radioprotection pour mesurer le rayonnement ionisant, et également en physique des particules pour détecter la présence de particules ionisantes. Ces détecteurs sont conçus pour mesurer l’ionisation produite lorsqu’une particule incidente traverse un milieu, ils sont basés sur l’effet ionisant du rayonnement. Pour que le rayonnement ionisant se produise, l’énergie cinétique des particules ( photons, électrons, etc. ) du rayonnement ionisant est suffisante et la particule peut ioniser (pour former des ions en perdant des électrons) des atomes cibles pour former des ions. Un simple rayonnement ionisant peut faire tomber des électrons d’un atome.

Le détecteur d’ionisation gazeuse de base se compose d’une chambre qui est remplie d’un milieu approprié (air ou gaz de remplissage spécial) qui peut être facilement ionisé. Les types de détecteurs les plus utilisés sont basés sur les effets produits lorsqu’une particule chargée passe à travers un gaz. Le support d’exploitation:

• doit être chimiquement stable (ou inerte) de sorte que les électrons d’ionisation en mouvement ne soient pas facilement capturés par les molécules de ce milieu
• devrait avoir une faible valeur de potentiel d’ionisation (I) afin de maximiser la quantité d’ionisation produite par énergie déposée par toute particule incidente.
• ne doit pas être très sensible aux dommages causés par les rayonnements, de sorte que sa réponse aux particules incidentes ne change pas de façon marquée avec l’utilisation

Les gaz typiques utilisés dans les détecteurs sont l’ argon et l’ hélium , bien que le trifluorure de bore  (BF ₃ ) soit utilisé lorsque le détecteur doit être utilisé pour mesurer les neutrons. Les détecteurs à ionisation gazeuse sont largement utilisés dans les centrales nucléaires, pour la plupart, pour mesurer les particules alpha et bêta , les neutrons et les rayons gamma . Les détecteurs fonctionnent dans les régions d’ionisation, proportionnelles et Geiger-Mueller avec un arrangement le plus sensible au type de rayonnement mesuré. Les détecteurs de neutrons utilisent des chambres d’ionisation ou des compteurs proportionnels de conception appropriée. Chambres à ions compensés, BF ₃ Les compteurs, les compteurs à fission et les compteurs à recul de protons sont des exemples de détecteurs de neutrons.

Principe de base des détecteurs à ionisation gazeuse

La chambrea une cathode et une anode qui sont maintenues à une certaine tension relative élevée, et le dispositif est caractérisé par une capacité qui est déterminée par la géométrie des électrodes. Lorsque le rayonnement ionisant pénètre dans le gaz entre les électrodes, un nombre fini de paires d’ions se forme. Le comportement des paires d’ions résultantes est affecté par le gradient potentiel du champ électrique dans le gaz et le type et la pression du gaz de remplissage. Sous l’influence du champ électrique, les ions positifs se déplaceront vers l’électrode chargée négativement (cylindre extérieur) et les ions négatifs (électrons) migreront vers l’électrode positive (fil central). Le champ électrique dans cette région empêche les ions de se recombiner avec les électrons. La collecte de ces ions produira une charge sur les électrodes et une impulsion électrique à travers le circuit de détection. Dans l’air, l’énergie moyenne nécessaire pour produire un ion est d’environ 34 eV, donc un rayonnement de 1 MeV complètement absorbé dans le détecteur produit environ 3 x 10⁴ paires d’ions. Cependant, il s’agit d’un petit signal, ce signal peut être considérablement amplifié à l’aide d’une électronique standard.

Régions de fonctionnement des détecteurs ionisants – Tension du détecteur

La relation entre la tension appliquée et la hauteur d’impulsion dans un détecteur est très complexe. La hauteur d’impulsion et le nombre de paires d’ions collectées sont directement liés. Comme cela a été écrit, les tensions peuvent varier considérablement en fonction de la géométrie du détecteur et du type et de la pression du gaz. La figure indique schématiquement les différentes régions de tension pour les rayons alpha, bêta et gamma. Il existe six principales régions opérationnelles pratiques, où trois (ionisation, proportionnelle et région Geiger-Mueller) sont utiles pour détecter les rayonnements ionisants. Ces exigences sont présentées ci-dessous. La courbe alpha est plus élevée que la courbe bêta et gamma de la région de recombinaison à une partie de la région de proportionnalité limitée en raison du plus grand nombre de paires d’ions produites par la réaction initiale du rayonnement incident.

• Région de recombinaison. À basse tension, le champ électrique n’est pas suffisamment important pour accélérer les électrons et les ions. Les électrons et les ions peuvent se recombiner peu de temps après leur production, et seule une petite fraction des électrons et des ions produits atteint leurs électrodes respectives. Cependant, à mesure que la tension du détecteur augmente, une fraction de plus en plus importante des ions produits atteindra les électrodes. Cette augmentation se poursuit jusqu’à ce que la tension de « saturation » soit atteinte. La plage de tension de fonctionnement où cela se produit est appelée région de recombinaison . Les détecteurs ne fonctionnent pas dans cette région, car ni le nombre de recombinaisons ni le nombre de paires d’ions initialement produites ne peuvent être déterminés avec précision.
• Région d’ionisation . Dans la région d’ionisation, une augmentation de la tension n’entraîne pas une augmentation substantielle du nombre de paires d’ions collectées. Le nombre de paires d’ions collectées par les électrodes est égal au nombre de paires d’ions produites par le rayonnement incident, et dépend du type et de l’énergie des particules ou des rayons dans le rayonnement incident. Par conséquent, dans cette région, la courbe est plate. La tension doit être supérieure au point où les paires d’ions dissociées peuvent se recombiner. En revanche, la tension n’est pas suffisamment élevée pour produire une amplification gazeuse (ionisation secondaire). Les détecteurs dans la région d’ionisation fonctionnent à une intensité de champ électrique faible, sélectionnée de manière à ce qu’aucune multiplication de gaz n’ait lieu. Leur courant est indépendant de la tension appliquée et ils sontpréféré pour les débits de dose de rayonnement élevés car ils n’ont pas de «temps mort», un phénomène qui affecte la précision du tube Geiger-Mueller à des débits de dose élevés.
• Région proportionnelle . Dans la région proportionnelle, la charge collectée augmente avec une nouvelle augmentation de la tension du détecteur, tandis que le nombre de paires d’ions primaires reste inchangé. L’augmentation de la tension fournit aux électrons primaires une accélération et une énergie suffisantes pour qu’ils puissent ioniser des atomes supplémentaires du milieu. Ces ions secondaires formés sont également accélérés, provoquant un effet connu sous le nom d’ avalanches de Townsend , qui crée une seule impulsion électrique importante. Même s’il y a un grand nombre d’ions secondaires (environ 10 ³ – 10 ⁵ ) pour chaque événement primaire, la chambre fonctionne toujours de telle sorte que le nombre d’ions secondaires est proportionnelau nombre d’événements principaux. C’est très important, car l’ionisation primaire dépend du type et de l’énergie des particules ou des rayons dans le champ de rayonnement intercepté. Le nombre de paires d’ions collectées divisé par le nombre de paires d’ions produites par l’ionisation primaire fournit le facteur d’amplification du gaz (noté A). L’amplification des gaz qui se produit dans cette région peut augmenter la quantité totale d’ionisation à une valeur mesurable. Le processus d’amplification de charge améliore considérablement le rapport signal / bruit du détecteur et réduit l’amplification électronique ultérieure requise. Lorsque les instruments fonctionnent dans la région proportionnelle, la tension doit être maintenue constante.Si une tension reste constante, le facteur d’amplification du gaz ne change pas non plus. Les instruments de détection proportionnelle sont très sensibles aux faibles niveaux de rayonnement. De plus, les compteurs proportionnels sont capables d’identifier les particules et de mesurer l’énergie (spectroscopie). Différentes énergies de rayonnement et différents types de rayonnement peuvent être distingués en analysant la hauteur d’impulsion, car ils diffèrent considérablement dans l’ionisation primaire.
• Région proportionnelle limitée . Dans la région proportionnelle limitée, le facteur d’amplification du gaz ne continue pas d’augmenter proportionnellement à la tension. Des ionisations supplémentaires et des effets non linéaires provoquent l’absence de proportionnalité du signal de sortie à l’énergie déposée à une tension appliquée donnée. Le champ électrique dans la chambre est déformé en raison de la concentration élevée en ions positifs. Les électrons libres sont beaucoup plus légers que les ions positifs, ils sont donc attirés vers l’électrode centrale positive beaucoup plus rapidement que les ions positifs ne sont attirés vers la paroi de la chambre. Le nuage d’ions positifs qui en résulte près de l’électrode entraîne des distorsions dans la multiplication des gaz. Cette région est généralement évitée en tant que région de détection.
• Région de Geiger-Mueller . Dans la région de Geiger-Mueller, la tension et donc le champ électrique sont si forts que des avalanches secondaires peuvent se produire. 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 produite par ces avalanches de forme et de hauteur indépendamment de l’ionisation primaire et de l’énergie du photon détecté. Les détecteurs, qui fonctionnent dans la région de Geiger-Mueller, sont capables de détecter les rayons gamma, ainsi que tous les types de particules chargées qui peuvent pénétrer dans le détecteur. Ces détecteurs sont appelés compteurs Geiger . Le principal avantage de ces instruments est qu’ils ne nécessitent généralement aucun amplificateur de signal. Étant donné que les ions positifs ne se déplacent pas loin de la région d’avalanche, un nuage d’ions chargé positivement perturbe le champ électrique et met fin au processus d’avalanche. Dans la pratique, la fin de l’avalanche est améliorée par l’utilisation de « trempe”Techniques. Contrairement aux compteurs proportionnels, l’énergie ou même la particule de rayonnement incident ne peut pas être distinguée par les compteurs Geiger, car le signal de sortie est indépendant de la quantité et du type d’ionisation d’origine.
• Région de décharge . Enfin, à des tensions encore plus élevées (au-dessus de la région de Geiger-Mueller), le champ électrique génère une décharge continue du milieu, la chambre n’étant plus sensible à aucune ionisation incidente. Cette région n’est pas utilisée pour la détection ou la mesure des rayonnements ionisants. Si la tension du tube Geiger est augmentée au-dessus de la fin du plateau, le taux de comptage recommence à augmenter rapidement, jusqu’au début de la décharge continue où le tube ne peut pas détecter le rayonnement et peut être endommagé.

Types de détecteurs de rayonnement ionisant

En conséquence, il existe trois types de base de détecteurs à ionisation gazeuse , qui sont classés en fonction de la tension appliquée au détecteur:

• chambres d’ionisation,
• compteurs proportionnels,
• Tubes Geiger-Müller.

Comme avec d’autres détecteurs, les chambres d’ionisation peuvent fonctionner en mode courant ou impulsion. En revanche, les compteurs proportionnels ou les compteurs Geiger sont presque toujours utilisés en mode impulsion. Les détecteurs de rayonnement ionisant peuvent être utilisés à la fois pour les mesures d’activité ainsi que pour la mesure de dose. En connaissant l’énergie nécessaire pour former une paire d’ions, la dose peut être obtenue.

Divers instruments et dispositifs sont utilisés pour la détection des radiations. Généralement, les détecteurs de rayonnement ionisant peuvent être classés en fonction de leur fonction. Son objectif est étroitement lié au signal généré dans le détecteur. Il existe trois principaux types de détecteurs, qui enregistrent différents types de signaux.

• Compteur . L’activité ou l’intensité du rayonnement est mesurée en coups par seconde (cps). Le compteur le plus connu est le compteur Geiger-Müller. Dans les compteurs de rayonnement, le signal généré par le rayonnement incident est créé par le comptage du nombre d’interactions se produisant au volume sensible du détecteur.
• Spectromètre de rayonnement . Les spectromètres sont des appareils conçus pour mesurer la distribution spectrale de puissance d’une source. Le rayonnement incident génère un signal qui permet de déterminer l’énergie de la particule incidente.
• Dosimètre . Un dosimètre de rayonnement est un appareil qui mesure l’exposition aux rayonnements ionisants. Les dosimètres enregistrent généralement une dose, qui est l’énergie de rayonnement absorbée mesurée en gray (Gy) de 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.

Tous ces types d’équipements nécessitent que les radiations entraînent des changements observables dans un composé (qu’il soit gazeux, liquide ou solide). Dans leurs principes de fonctionnement de base, la plupart des détecteurs de rayonnement ionisant suivent des caractéristiques similaires. Les détecteurs de rayonnement ionisant se composent de deux parties qui sont généralement connectées. La première partie est constituée d’un matériau sensible, composé d’un composé qui subit des changements lorsqu’il est exposé à des radiations. L’autre composant est un appareil qui convertit ces changements en signaux mesurables. Tous les détecteurs exigent que le rayonnement dépose une partie de son énergie dans un matériau sensible qui fait partie de l’instrument. Le rayonnement pénètre dans le détecteur, interagit avec les atomes du matériau du détecteur et dépose de l’énergie sur le matériau sensible. Chaque événement peut générer un signal, qui peut être une impulsion, un trou, un signal lumineux, des paires d’ions dans un gaz et bien d’autres. La tâche principale est de générer un signal suffisant, de l’amplifier et de l’enregistrer.

Dans cette section, nous décrivons un certain nombre de différents types d’instruments de mesure du rayonnement. Nous nous concentrons sur la première partie, qui est constituée d’un matériau sensible. Les détecteurs peuvent être classés en fonction de matériaux sensibles et de méthodes pouvant être utilisées pour effectuer une mesure:

• Détecteurs d’ionisation gazeuse
• Détecteurs à scintillation
• Détecteurs semi-conducteurs
• Badges de film
• TLD

Principes de base des détecteurs

Dans leurs principes de fonctionnement de base, la plupart des détecteurs de rayonnement ionisant suivent des caractéristiques similaires. Les détecteurs de rayonnement ionisant se composent de deux parties qui sont généralement connectées. La première partie est constituée d’un matériau sensible , constitué d’un composé qui subit des changements lorsqu’il est exposé aux rayonnements. L’autre composant est un appareil qui convertit ces changements en signaux mesurables. Tous les détecteurs exigent que le rayonnement dépose une partie de son énergie dans un matériau sensible qui fait partie de l’instrument. Le rayonnement pénètre dans le détecteur, interagit avec les atomes du matériau du détecteur et dépose de l’énergie sur le matériau sensible. Chaque événement peut générer un signal, qui peut être une impulsion, un trou, un signal lumineux, des paires d’ions dans un gaz et bien d’autres. La tâche principale est de générer un signal suffisant, de l’amplifier et de l’enregistrer.

Supposons des détecteurs à ionisation gazeuse . Le détecteur d’ionisation gazeuse de base se compose d’une chambrequi est rempli d’un milieu approprié (air ou gaz de remplissage spécial) qui peut être facilement ionisé. En règle générale, le fil central est l’électrode positive (anode) et le cylindre extérieur est l’électrode négative (cathode), de sorte que les électrons (négatifs) sont attirés par le fil central et les ions positifs sont attirés par le cylindre extérieur. L’anode est à une tension positive par rapport à la paroi du détecteur. Lorsque le rayonnement ionisant pénètre dans le gaz entre les électrodes, un nombre fini de paires d’ions se forme. Sous l’influence du champ électrique, les ions positifs se déplaceront vers l’électrode chargée négativement (cylindre extérieur) et les ions négatifs (électrons) migreront vers l’électrode positive (fil central). La collecte de ces ions produira une charge sur les électrodes et une impulsion électrique à travers le circuit de détection.amplifié , puis enregistré en utilisant l’électronique standard.

Rapport signal sur bruit

Le rapport signal / bruit, SNR, est une mesure utilisée en science et en ingénierie qui compare le signal de sortie électrique au bruit électrique généré dans le chemin de câbles ou dans l’instrumentation.

Discriminateur

La discrimination dans les circuits de détection de rayonnement fait référence au processus de distinction entre différents types de rayonnement en fonction de la hauteur d’impulsion. Un circuit discriminateur sélectionne la hauteur d’impulsion minimale ou maximale à compter. Par exemple, un circuit discriminateur est utilisé dans le détecteur de neutrons pour distinguer les impulsions importantes de l’ionisation alpha (l’absorption des neutrons dans le détecteur produit des particules alpha) des impulsions beaucoup plus petites qui seraient provoquées par les rayons gamma.

Référence spéciale: US Department of Energy, Instrumantation and Control. DOE Fundamentals Handbook, Volume 2 of 2. June 1992.