Dosimétrie des rayonnements

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.

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.

Classification des détecteurs de rayonnement – Objectif

Généralement, les détecteurs de rayonnement ionisant peuvent être classés en fonction de leur fonction. Leur fonction est étroitement liée 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 gris (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.

Classification des détecteurs de rayonnement – Type de rayonnement

Les principes et méthodes de détection des rayonnements ionisants dépendent de nombreux facteurs. Le type de rayonnement mesuré et détecté est un facteur clé, et différents types de détecteurs dans différents états physiques (solide, liquide ou gaz) sont utilisés pour mesurer des types sélectifs de rayonnement ionisant. Il est important de distinguer les particules alpha ou bêta , les rayons X ou les rayons γ et les neutrons. Étant donné que chaque rayonnement interagit différemment avec la matière, nous ne pouvons pas utiliser, par exemple, un détecteur de neutrons pour détecter le rayonnement bêta. Parfois, les détecteurs peuvent détecter divers types de rayonnement, par exemple, les détecteurs de neutrons sont également capables de détecter un rayonnement gamma. Habituellement, cette caractéristique n’est pas souhaitable et les détecteurs doivent compenser la composante indésirable du rayonnement.

Afin de décrire la classification des détecteurs de rayonnement par type de rayonnement, nous devons comprendre les interactions du rayonnement avec la matière . Chaque type de particule interagit de manière différente , c’est pourquoi nous devons décrire l’interaction des particules (rayonnement comme un flux de ces particules) séparément. Par exemple, des particules chargées de hautes énergies peuvent directement ioniser les atomes. D’autre part, les particules électriquement neutres n’interagissent qu’indirectement, mais peuvent également transférer une partie ou la totalité de leurs énergies à la matière. C’est la caractéristique clé de la catégorisation des détecteurs de rayonnement. Simplement, nous ne pouvons pas utiliser un détecteur de rayons gamma pour détecter le rayonnement alpha. Les détecteurs peuvent être classés en deux types généraux comme suit:

• Détection des rayonnements directement ionisants
  • Rayonnement alpha
  • Rayonnement bêta
• Détection des rayonnements indirectement ionisants
  • Rayonnement gamma
  • Rayonnement neutronique
  • Les neutrinos

Le cycle de vie des neutrons quantifie les processus neutroniques physiques les plus importants qui se produisent dans le  réacteur nucléaire . Dans le réacteur, les neutrons sont produits sous forme de neutrons rapides et la plupart d’entre eux sont absorbés après thermalisation. Il existe six processus (facteurs)  qui décrivent la capacité de multiplication inhérente du système. Quatre d’entre eux sont complètement indépendants de la taille et de la forme du réacteur et ce sont:

• Fission rapide . Le processus de fission rapide est dans le facteur de multiplication caractérisé par le facteur de fission rapide , ε , qui augmente la population de neutrons rapides en une génération de neutrons. Le facteur de fission rapide est défini comme le rapport des neutrons rapides produits par les fissions à toutes les énergies au nombre de neutrons rapides produits par la fission thermique.
• Évasion de résonance . La probabilité d’évasion par résonance , symbolisée par p, est la probabilité qu’un neutron soit ralenti à l’énergie thermique et échappe à la capture par résonance . Cette probabilité est définie comme le rapport entre le nombre de neutrons qui atteignent les énergies thermiques et le nombre de neutrons rapides qui commencent à ralentir.
• Utilisation thermique . Le facteur d’utilisation thermique , f , est la fraction des neutrons thermiques qui sont absorbés dans le combustible nucléaire , dans tous les isotopes du combustible nucléaire. Il décrit à quel point les neutrons thermiques sont absorbés (dans quelle mesure ils sont bien utilisés) dans le carburant. La valeur du facteur d’utilisation thermique est donnée par le rapport du nombre de neutrons thermiques absorbés dans le combustible (tous les nucléides) au nombre de neutrons thermiques absorbés dans tout le matériau qui constitue le cœur .
• Reproduction . Le nombre de neutrons créés dans la nouvelle génération est déterminé par le facteur de reproduction des neutrons . Le facteur de reproduction, η , est défini comme le rapport entre le nombre de neutrons rapides produits par fission thermique et le nombre de neutrons thermiques absorbés dans le combustible.

Ces processus du cycle de vie des neutrons, quantifiés par leurs facteurs, constituent le facteur de multiplication infini (k _∞ ), qui peut être exprimé mathématiquement en termes de ces facteurs en suivant l’équation, généralement connue sous le nom de formule à quatre facteurs :

k _∞  = η.ε.pf

Le facteur de multiplication effectif ( k _eff ) peut être exprimé mathématiquement en termes de facteur de multiplication infini (k _∞ ) et de deux facteurs supplémentaires qui expliquent la fuite de neutrons pendant la thermalisation neutronique ( probabilité de non-fuite rapide ) et la fuite de neutrons pendant la diffusion des neutrons ( thermique probabilité de non-fuite ) en suivant l’équation, généralement connue sous le nom de formule à six facteurs :

k _eff = k _∞ . P _f . P _t

• Probabilité de non-fuite rapide . Au cours du processus de ralentissement, certains des neutrons s’échappent des limites du cœur du réacteur avant d’être thermalisés . Ce processus et son impact sur le facteur multiplicateur effectif sont caractérisés par le facteur de non-fuite rapide , P _f , qui est défini comme le rapport du nombre de neutrons rapides qui ne fuient pas du cœur du réacteur pendant le processus de ralentissement à la nombre de neutrons rapides produits par les fissions à toutes les énergies.
• Probabilité de non-fuite thermique . Pendant la diffusion des neutrons , certains des neutrons s’échappent des limites du cœur du réacteur avant d’être absorbés. Ce processus et son impact sur le facteur multiplicateur effectif sont caractérisés par le facteur de non-fuite thermique , P _t , qui est défini comme le rapport du nombre de neutrons thermiques qui ne fuient pas du cœur du réacteur pendant le processus de diffusion neutronique à la nombre de neutrons qui atteignent les énergies thermiques.

En physique des réacteurs , k _eff  est le paramètre le plus important en ce qui concerne la commande du réacteur. À tout niveau ou condition de puissance spécifique du réacteur, k _eff  est maintenu aussi près que possible de la valeur de 1,0 . À ce stade de fonctionnement, l’ équilibre neutronique est maintenu à exactement un neutron, ce qui termine le cycle de vie de chaque neutron d’origine absorbé dans le combustible.

Cycle de vie des neutrons dans les réacteurs rapides

La méthode de calcul des facteurs de multiplication a été développée dans les premières années de l’énergie nucléaire et n’est applicable qu’aux réacteurs thermiques , où l’essentiel des réactions de fission se produit aux énergies thermiques. Cette méthode met bien en contexte tous les processus associés aux réacteurs thermiques (par exemple la thermalisation neutronique, la diffusion neutronique ou la fission rapide), car les processus neutroniques physiques les plus importants se produisent dans des régions énergétiques qui peuvent être clairement séparées les uns des autres . En bref, le calcul du facteur de multiplication donne un bon aperçu des processus qui se produisent dans chaque système de multiplication thermique.

Pour les réacteurs rapides , dans lesquels la fission est provoquée par des neutrons à très large distribution d’énergie, une telle analyse est inappropriée. Le flux de neutrons dans les réacteurs rapides doit être divisé en plusieurs groupes d’énergie . De plus, dans les réacteurs rapides, la thermalisation neutronique est un processus indésirable et donc la formule à quatre facteurs n’a pas vraiment de sens. La probabilité d’évasion par résonance n’est pas significative car très peu de neutrons existent aux énergies où l’absorption par résonance est significative. La probabilité de non-fuite thermique n’existe pas car le réacteur est conçu pour éviter la thermalisation des neutrons.

Le facteur d’accumulation est un facteur de correction qui tient compte de l’influence du rayonnement diffusé et de toutes les particules secondaires dans le milieu lors des calculs de blindage. Si nous voulons tenir compte de l’accumulation de rayonnement secondaire, nous devons inclure le facteur d’accumulation . Le facteur d’accumulation est alors un facteur multiplicatif qui rend compte de la réponse aux photons non collidés de manière à inclure la contribution des photons diffusés. Ainsi, le facteur d’accumulation peut être obtenu en tant que rapport de la dose totale à la réponse pour la dose non prise.

La formule étendue pour le calcul du débit de dose est la suivante:

La norme ANSI / ANS-6.4.3-1991 sur les coefficients d’atténuation des rayons gamma et les facteurs d’accumulation pour les matériaux d’ingénierie contient des coefficients d’atténuation des rayons gamma et des facteurs d’accumulation pour certains matériaux et éléments d’ingénierie à utiliser dans les calculs de blindage (ANSI / ANS-6.1 .1, 1991).

Validité de la loi exponentielle

La loi exponentielle décrira toujours l’atténuation du rayonnement primaire par la matière. Si des particules secondaires sont produites ou si le rayonnement primaire change d’énergie ou de direction, alors l’atténuation effective sera bien moindre. Le rayonnement pénétrera plus profondément dans la matière que ne le prévoit la seule loi exponentielle. Le processus doit être pris en compte lors de l’évaluation de l’effet du blindage contre les radiations.

Example of build-up of secondary particles. Strongly depends on character and parameters of primary particles.

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Selon la CIPR (Publication 103), le Système de Protection Radiologique est basé sur les trois principes suivants:

1. Justification . « Toute décision qui modifie la situation d’exposition aux radiations devrait faire plus de bien que de mal. »
2. Optimisation de la protection . «Les doses doivent toutes être maintenues à un niveau aussi bas que raisonnablement possible, en tenant compte des facteurs économiques et sociétaux.» (Connu sous le nom d’ALARA ou ALARP)
3. Limitation de dose . « La dose totale à un individu … ne doit pas dépasser les limites appropriées. »

L’un de ces principes est l’optimisation de la protection, qui nécessite que:

«Les doses doivent toutes être maintenues à un niveau aussi bas que raisonnablement possible» .

Le terme ALARP découle de la législation britannique, en particulier de la loi de 1974 sur la santé et la sécurité au travail, etc., qui exige «la fourniture et l’entretien d’installations et de systèmes de travail qui sont, dans la mesure du possible, sûrs et sans risques pour la santé». L’expression So Far As is Reasonably Practicable ( SFARP ) dans cette clause et dans des clauses similaires est interprétée comme conduisant à une exigence selon laquelle les risques doivent être réduits à un niveau aussi bas que raisonnablement praticable (ALARP). ALARP, utilisé surtout au Royaume-Uni, est un terme beaucoup plus large que ALARA, car il est applicable dans divers domaines de la réglementation et de la gestion des systèmes critiques pour la sécurité et liés à la sécurité.

Le terme «aussi bas que raisonnablement possible» (ALARA) utilisé dans le principe d’optimisation est synonyme d’ALARP et est le terme utilisé pour décrire le processus de réduction des risques en dehors du Royaume-Uni. Le terme ALARA, ou «aussi bas que raisonnablement possible» est utilisé de manière interchangeable aux États-Unis d’Amérique, presque exclusivement dans le domaine de la radioprotection. ALARA et ALARP sont considérés comme équivalents en termes de sens et de finalité.

Un  compteur proportionnel , également appelé détecteur proportionnel , 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 proportionnelle . 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 , qui crée une seule impulsion électrique importante. Les compteurs proportionnels gazeux fonctionnent généralement dans des champs électriques élevés de l’ordre de 10 kV / cm et atteignentfacteurs d’amplification d’environ 10 ⁵ . Comme le facteur d’amplification dépend fortement de la tension appliquée, la charge collectée (signal de sortie) dépend également de la tension appliquée et les compteurs proportionnels nécessitent une tension constante.

Chambre proportionnelle multifils – MWPC

Une chambre proportionnelle multifilaire est un type de compteur proportionnel utilisé en particulier en physique des particules à haute énergie pour détecter les particules et les photons chargés et peut fournir des informations de position sur leur trajectoire. Ce dispositif a été développé par Georges Charpak et ses collaborateurs. Cette invention lui a valu le prix Nobel de physique en 1992. La chambre multifilaire utilise un réseau de fils à haute tension (anode), qui traversent une chambre avec des parois conductrices maintenues au potentiel de terre (cathode). Le principe est d’avoir un plan de fils d’anode positionné avec précision, avec des espacements de fils typiques d’environ 2 mm. En calculant les impulsions de tous les fils, la trajectoire des particules peut être trouvée.

En général, les spectroscopes 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.

Dans les compteurs proportionnels , le nombre d’électrons produits est proportionnel à l’énergie et au type de particule incidente. Par conséquent, 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 (LET faible vs LET élevé). Des compteurs proportionnels peuvent être utilisés par exemple pour analyser un spectre de radiations alpha ou un spectre de particules bêta. Cependant, la résolution énergétique d’un compteur proportionnel est limitée car à la fois l’événement d’ionisation initial et l’événement de «  multiplication  » suivant sont soumis à des fluctuations statistiques caractérisées par un écart-type égal à la racine carrée du nombre moyen formé.

Un compteur proportionnel sphérique de grand volume peut être utilisé pour les mesures de neutrons. Le gaz N ₂ pur est étudié pour la détection thermique et rapide des neutrons , offrant une nouvelle façon pour la spectroscopie neutronique. Les neutrons sont détectés via les réactions ¹⁴ N (n, p) ¹⁴ C et ¹⁴ N (n, α) ¹¹ B.

Il convient de noter que pour la spectrométrie gamma, les détecteurs les plus courants comprennent les compteurs à scintillation à l’iodure de sodium (NaI) et les détecteurs au germanium de haute pureté.

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Cet article est basé sur la traduction automatique de l’article original en anglais. Pour plus d’informations, voir l’article en anglais. Pouvez vous nous aider Si vous souhaitez corriger la traduction, envoyez-la à l’adresse: translations@nuclear-power.com ou remplissez le formulaire de traduction en ligne. Nous apprécions votre aide, nous mettrons à jour la traduction le plus rapidement possible. Merci

Un  compteur proportionnel , également appelé détecteur proportionnel , 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 proportionnelle . 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 , qui crée une seule impulsion électrique importante. Les compteurs proportionnels gazeux fonctionnent généralement dans des champs électriques élevés de l’ordre de 10 kV / cm et atteignentfacteurs d’amplification d’environ 10 ⁵ . Comme le facteur d’amplification dépend fortement de la tension appliquée, la charge collectée (signal de sortie) dépend également de la tension appliquée et les compteurs proportionnels nécessitent une tension constante.

Il s’agit d’une différence subtile mais importante entre les chambres d’ionisation et les compteurs proportionnels . Une chambre d’ionisation produira un courant proportionnel au nombre d’électrons collectés chaque seconde. Ce courant est moyenné et est utilisé pour piloter une lecture d’affichage en Bq, ou μSv / h. Les compteurs proportionnels ne fonctionnent pas de cette façon. 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).

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. Grâce à des dispositions fonctionnelles, des modifications et une polarisation appropriées, le compteur proportionnel peut être utilisé pour détecter un rayonnement alpha, bêta, gamma ou neutronique dans des champs de rayonnement mixtes. De plus, les compteurs proportionnels sont capables d’ identifier les particuleset mesure d’énergie (spectroscopie). La hauteur d’impulsion reflète l’énergie déposée par le rayonnement incident dans le gaz détecteur. En tant que tel, il est possible de distinguer les impulsions plus grandes produites par les particules alpha des impulsions plus petites produites par les particules bêta ou les rayons gamma .

Alors que les chambres d’ionisation peuvent fonctionner en mode courant ou impulsion, les compteurs proportionnels ou 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.

Application de compteurs proportionnels

Détection des rayonnements alpha, bêta et gamma à l’aide d’un compteur proportionnel

Les compteurs proportionnels sous forme de détecteurs plans de grande surface sont largement utilisés pour vérifier la contamination radioactivesur le personnel, les surfaces planes, les outils et les vêtements. Les compteurs proportionnels sont normalement utilisés pour détecter les particules alpha et bêta, et peuvent permettre une discrimination entre eux en fournissant une sortie d’impulsion proportionnelle à l’énergie déposée dans la chambre par chaque particule. Ils ont une efficacité élevée pour la bêta, mais inférieure pour l’alpha. Pour que les particules alpha et bêta soient détectées par des compteurs proportionnels, 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 de pénétrer dans la chambre. La fenêtre est généralement en mica avec une densité d’environ 1,5 à 2,0 mg / cm ² pour permettre aux particules bêta de faible énergie (par exemple du carbone 14) pour entrer dans le détecteur. La réduction de l’efficacité pour l’alpha est due à l’effet d’atténuation de la fenêtre d’extrémité, bien que la distance de la surface à contrôler ait également un effet significatif, et idéalement une source de rayonnement alpha devrait être inférieure à 10 mm du détecteur en raison de l’atténuation dans l’air.

Les rayons gamma ont très peu de mal à pénétrer les parois métalliques de la chambre. Par conséquent, des compteurs proportionnels peuvent être utilisés pour détecter le rayonnement gamma et les rayons X (tubes à paroi mince) collectivement appelés photons, et pour cela, le tube sans fenêtre est utilisé.

Le principal inconvénient de l’utilisation de compteurs proportionnels dans les instruments portables est qu’ils nécessitent une alimentation et un amplificateur très stables pour garantir des conditions de fonctionnement constantes (au milieu de la région proportionnelle). Ceci est difficile à fournir dans un instrument portable, et c’est pourquoi les compteurs proportionnels ont tendance à être davantage utilisés dans les instruments fixes ou de laboratoire.

Compteur proportionnel – Spectroscopie

En général, les spectroscopes 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.

Dans les compteurs proportionnels , le nombre d’électrons produits est proportionnel à l’énergie et au type de particule incidente. Par conséquent, 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 (LET faible vs LET élevé). Des compteurs proportionnels peuvent être utilisés par exemple pour analyser un spectre de radiations alpha ou un spectre de particules bêta. La résolution énergétique d’un compteur proportionnel est cependant limitée car à la fois l’événement d’ionisation initial et l’événement de «  multiplication  » suivant sont soumis à des fluctuations statistiques caractérisées par un écart-type égal à la racine carrée du nombre moyen formé.

Un compteur proportionnel sphérique de grand volume peut être utilisé pour les mesures de neutrons. Le gaz N ₂ pur est étudié pour la détection thermique et rapide des neutrons , offrant une nouvelle façon pour la spectroscopie neutronique. Les neutrons sont détectés via les réactions ¹⁴ N (n, p) ¹⁴ C et ¹⁴ N (n, α) ¹¹ B.

Il convient de noter que pour la spectrométrie gamma, les détecteurs les plus courants comprennent les compteurs à scintillation à l’iodure de sodium (NaI) et les détecteurs au germanium de haute pureté.

Chambre proportionnelle multifils – MWPC

Une chambre proportionnelle multifilaire est un type de compteur proportionnel utilisé en particulier en physique des particules à haute énergie pour détecter les particules et les photons chargés et peut fournir des informations de position sur leur trajectoire. Ce dispositif a été développé par Georges Charpak et ses collaborateurs. Cette invention lui a valu le prix Nobel de physique en 1992. La chambre multifilaire utilise un réseau de fils à haute tension (anode), qui traversent une chambre avec des parois conductrices maintenues au potentiel de terre (cathode). Le principe est d’avoir un plan de fils d’anode positionné avec précision, avec des espacements de fils typiques d’environ 2 mm. En calculant les impulsions de tous les fils, la trajectoire des particules peut être trouvée.

Détection de neutrons à l’aide d’un compteur proportionnel

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 compteurs proportionnels sont souvent utilisés comme dispositif de détection de particules chargées. Dans les centrales nucléaires, des compteurs proportionnels remplis de gaz (BF ₃ ) sont normalement utilisés comme détecteurs de plage de source. Ces détecteurs utilisent 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. 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.

La sortie du compteur proportionnelle se présente sous la forme d’une impulsion pour chaque événement ionisant; par conséquent, il existe une série d’impulsions aléatoires d’amplitude variable représentant les événements d’ionisation neutronique et gamma. La hauteur d’impulsion peut n’être que de quelques millivolts, ce qui est trop faible pour être utilisé directement sans amplification. Le discriminateur exclut le passage d’impulsions inférieures à un niveau prédéterminé. La fonction du discriminateur est d’exclure le bruit et les impulsions gamma dont l’amplitude est inférieure à celle des impulsions neutroniques.

Un  compteur proportionnel , également appelé détecteur proportionnel , 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 proportionnelle . 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 , qui crée une seule impulsion électrique importante.

Avantages des compteurs proportionnels

• Amplification . Les compteurs proportionnels gazeux fonctionnent généralement dans des champs électriques élevés de l’ordre de 10 kV / cm et atteignent des facteurs d’amplification typiques d’environ 10 ⁵ . Comme le facteur d’amplification dépend fortement de la tension appliquée, la charge collectée (signal de sortie) dépend également de la tension appliquée et les compteurs proportionnels nécessitent une tension constante. Le facteur d’amplification élevé du compteur proportionnel est l’avantage majeur par rapport à la chambre d’ionisation.
• Sensibilité . Le processus d’amplification de charge améliore considérablement le rapport signal / bruit du détecteur et réduit l’amplification électronique ultérieure requise. Étant donné que le processus d’amplification de charge améliore considérablement le rapport signal / bruit du détecteur, l’amplification électronique ultérieure n’est généralement pas requise. Les instruments de détection proportionnelle sont très sensibles aux faibles niveaux de rayonnement. De plus, lors de la mesure de la sortie de courant, un détecteur proportionnel est utile pour les débits de dose
  car le signal de sortie est proportionnel à l’énergie déposée par ionisation et
  donc proportionnel au débit de dose.

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  Spectroscopie . Grâce à des dispositions fonctionnelles, des modifications et une polarisation appropriées, le compteur proportionnel peut être utilisé pour détecter un rayonnement alpha, bêta, gamma ou neutronique dans des champs de rayonnement mixtes. De plus, les compteurs proportionnels sont capables d’ identifier les particules et de mesurer l’énergie (spectroscopie). La hauteur d’impulsion reflète l’énergie déposée par le rayonnement incident dans le gaz détecteur. En tant que tel, il est possible de distinguer les impulsions plus grandes produites par les particules alpha des impulsions plus petites produites par les particules bêta ou les rayons gamma .

Inconvénients des compteurs proportionnels

• Tension constante . 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. Le principal inconvénient de l’utilisation de compteurs proportionnels dans les instruments portables est qu’ils nécessitent une alimentation et un amplificateur très stables pour assurer des conditions de fonctionnement constantes (au milieu de la région proportionnelle). Ceci est difficile à fournir dans un instrument portable, et c’est pourquoi les compteurs proportionnels ont tendance à être davantage utilisés dans les instruments fixes ou de laboratoire.
• Trempe. Pour chaque électron collecté dans la chambre, il reste un ion gaz chargé positivement. Ces ions gazeux sont lourds par rapport à un électron et se déplacent beaucoup plus lentement. 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. Finalement, les ions positifs s’éloignent du fil central chargé positivement vers la paroi chargée négativement et sont neutralisés en gagnant un électron. Dans le processus, une certaine énergie est dégagée, ce qui provoque une ionisation supplémentaire des atomes de gaz. Les électrons produits par cette ionisation se déplacent vers le fil central et se multiplient en route. Cette impulsion de charge n’est pas liée au rayonnement à détecter et peut déclencher une série d’impulsions. Dans la pratique, la fin de l’avalanche est améliorée par l’utilisation de «techniques de trempe .

Special Reference: U.S. Department of Energy, Instrumantation and Control. DOE Fundamentals Handbook, Volume 2 of 2. June 1992.