Dosimétrie des rayonnements

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.

L’argon et l’hélium sont les gaz de remplissage les plus fréquemment utilisés et permettent la détection des rayonnements alpha, bêta et gamma. Pour la détection des neutrons, He-3 et BF ₃ (trifluorure de bore) sont les gaz les plus couramment utilisés. À des fins spéciales, d’autres mélanges de gaz ont été utilisés, comme un mélange de gaz équivalent tissu composé de 64,4% de méthane, 32,4% de dioxyde de carbone et 3,2% d’azote.

Trempe – Compteurs proportionnels

Dans un compteur proportionnel, le gaz de remplissage de la chambre est un gaz inerte qui est ionisé par un rayonnement incident, et un gaz de trempe pour assurer la fin de chaque décharge impulsionnelle; un mélange commun est composé à 90% d’argon, 10% de méthane, connu sous le nom de P-10.

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 .

Les molécules de gaz d’extinction ont une affinité pour les électrons plus faible que le gaz de chambre; par conséquent, les atomes ionisés du gaz de chambre prennent facilement des électrons des molécules de gaz d’extinction. Ainsi, les molécules ionisées de gaz de trempe atteignent la paroi de la chambre au lieu du gaz de chambre. Les molécules ionisées du gaz de trempe sont neutralisées en obtenant un électron, et l’énergie libérée ne provoque pas d’ionisation supplémentaire, mais provoque la dissociation de la molécule.

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

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. Généralement, 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 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.

Dans un compteur proportionnel, le gaz de remplissage de la chambre est un gaz inerte qui est ionisé par un rayonnement incident, et un gaz de trempe pour assurer la fin de chaque décharge impulsionnelle; un mélange commun est composé à 90% d’argon, 10% de méthane, appelé P-10.

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 .

Les molécules de gaz d’extinction ont une affinité pour les électrons plus faible que le gaz de chambre; par conséquent, les atomes ionisés du gaz de chambre prennent facilement des électrons des molécules de gaz d’extinction. Ainsi, les molécules ionisées de gaz de trempe atteignent la paroi de la chambre au lieu du gaz de chambre. Les molécules ionisées du gaz de trempe sont neutralisées en obtenant un électron, et l’énergie libérée ne provoque pas d’ionisation supplémentaire, mais provoque la dissociation de la molécule.

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

Le compteur proportionnel a une cathode et une anode qui sont maintenues à une certaine tension (au-dessus de 1000 V), et le dispositif est caractérisé par une capacité qui est déterminée par la géométrie des électrodes. Dans un compteur proportionnel, le gaz de remplissage de la chambre est un gaz inerte qui est ionisé par un rayonnement incident, et un gaz de trempe pour assurer la fin de chaque décharge impulsionnelle; un mélange commun est composé à 90% d’argon, 10% de méthane, appelé P-10.

Lorsque le rayonnement ionisant pénètre dans le gaz entre les électrodes, un nombre fini de paires d’ions se forme. 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 ⁴paire d’ions. 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. À proximité immédiate du fil d’anode, l’intensité du champ devient suffisamment grande pour produire des avalanches de Townsend. Cette région d’avalanche ne se produit qu’à des fractions de millimètre du fil d’anode, lui-même de très petit diamètre. Le but est d’utiliser l’effet multiplicateur de l’avalanche produite par chaque paire d’ions. Il s’agit de la région «avalanche». Un objectif clé de la conception est que chaque événement ionisant d’origine dû au rayonnement incident ne produit qu’une seule avalanche. Les facteurs d’amplification des gaz peuvent aller de l’unité dans la région d’ionisation à 10 ³ ou 10 ⁴ dans la région proportionnelle . Le facteur d’amplification élevé du compteur proportionnel est l’avantage majeur par rapport à la chambre d’ionisation.

La collecte de tous ces électrons produira une charge sur les électrodes et une impulsion électrique à travers le circuit de détection. Chaque impulsion correspond à une interaction de rayons gamma ou de particules. La hauteur d’impulsion est proportionnelle au nombre d’électrons d’origine produits. Mais dans ce cas, la hauteur d’impulsion est considérablement amplifiée par le détecteur. Le facteur de proportionnalité dans ce cas est le facteur d’amplification du gaz. Le nombre d’électrons produits est proportionnel à l’énergie de la 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).

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.

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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.

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 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 .

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 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 qu’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 pour produire 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. Généralement, 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 révélée 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 pression élevée, 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.

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).

Avantages des chambres d’ionisation

• Mode actuel. Les chambres d’ionisation sont préférées pour les débits de dose de rayonnement élevés car elles 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. 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.
• Simplicité . Le courant de sortie est indépendant de la tension de fonctionnement du détecteur. Observez la zone plate de la courbe dans la zone de la chambre ionique. En conséquence, des alimentations moins régulées et donc moins chères et plus portables peuvent être utilisées avec des instruments à chambre ionique, tout en offrant une réponse raisonnablement précise.
• Détection de neutrons . Dans les réacteurs nucléaires, les chambres d’ionisation en mode courant sont souvent utilisées pour détecter les neutrons et appartiennent au Neutron Instrumentation System (NIS). 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 gazdu trifluorure de bore (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.

Inconvénients des chambres d’ionisation

• Aucune amplification de charge . 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. 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.
• Faible densité . 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.
• 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 .

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.

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.

L’argon et l’hélium sont les gaz de remplissage les plus fréquemment utilisés et permettent la détection des rayonnements alpha, bêta et gamma. Pour la détection des neutrons, He-3 et BF ₃ (trifluorure de bore) sont les gaz les plus couramment utilisés. À des fins spéciales, d’autres mélanges de gaz ont été utilisés, comme un mélange de gaz équivalent tissu composé de 64,4% de méthane, 32,4% de dioxyde de carbone et 3,2% d’azote.

Voir aussi: Avantages et inconvénients des compteurs proportionnels

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. Les chambres à ions compensés, les compteurs BF ₃ , les compteurs à fission et les compteurs à recul de protons sont des exemples de détecteurs de neutrons.

Avantages et inconvénients en fonction de la 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 faible intensité de champ électrique, choisie de telle sorte 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 primaires. 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.

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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 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.