Dosimétrie des rayonnements

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 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.

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 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.

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Matériaux de scintillation – Scintillateurs

Les scintillateurs sont des types de matériaux qui fournissent des photons détectables dans la partie visible du spectre lumineux, après le passage d’une particule chargée ou d’un photon. Le scintillateur se compose d’un cristal transparent , généralement un phosphore, un plastique ou un liquide organique qui fluorescent lorsqu’il est frappé par un rayonnement ionisant. Le scintillateur doit également être transparent à ses propres émissions lumineuses et il doit avoir un temps de décroissance court. Le scintillateur doit également être protégé de toute lumière ambiante afin que les photons externes ne submergent pas les événements d’ionisation provoqués par le rayonnement incident. Pour y parvenir, une feuille mince opaque, telle que du mylar aluminisé, est souvent utilisée, bien qu’elle doive avoir une masse suffisamment faible pour minimiser l’ atténuation indue du rayonnement incident mesuré.

Il existe principalement deux types de scintillateurs couramment utilisés en physique nucléaire et en physique des particules: les scintillateurs organiques ou plastiques et les scintillateurs inorganiques ou cristallins.

Scintillateurs inorganiques

Les scintillateurs inorganiques sont généralement des cristaux cultivés dans des fours à haute température. Ils comprennent l’iodure de lithium (LiI), l’iodure de sodium (NaI) , l’iodure de césium (CsI) et le sulfure de zinc (ZnS). Le matériau de scintillation le plus utilisé est le NaI (Tl) (iodure de sodium dopé au thallium). L’iode fournit la plupart du pouvoir d’arrêt dans l’iodure de sodium (car il a un Z élevé = 53). Ces scintillateurs cristallins sont caractérisés par une densité élevée, un nombre atomique élevé et des temps de décroissance d’impulsion d’environ 1 microseconde ( ~ 10 ^-6 s). La scintillation dans les cristaux inorganiques est généralement plus lente que dans les cristaux organiques. Ils présentent une efficacité élevée pour la détection des rayons gamma et sont capables de gérer des taux de comptage élevés. Les cristaux inorganiques peuvent être coupés à de petites tailles et disposés dans une configuration en réseau afin de fournir une sensibilité de position. Cette fonction est largement utilisée en imagerie médicale pour détecter les rayons X ou les rayons gamma . Les scintillateurs inorganiques détectent mieux les rayons gamma et les rayons X que les scintillateurs organiques. Cela est dû à leur haute densité et à leur numéro atomique qui donne une haute densité électronique. Un inconvénient de certains cristaux inorganiques, par exemple NaI, est leur hygroscopicité, une propriété qui exige qu’ils soient logés dans un récipient hermétique pour les protéger de l’humidité.

Iodure de sodium dopé au thallium – scintillateurs NaI (Tl)

Le matériau de scintillation le plus utilisé est le NaI (Tl) (iodure de sodium dopé au thallium) . Le NaI (Tl) en tant que scintillateur est utilisé dans les détecteurs à scintillation, traditionnellement en médecine nucléaire, géophysique, physique nucléaire et mesures environnementales. L’iode fournit la plupart du pouvoir d’arrêt dans l’iodure de sodium (car il a un Z élevé = 53). Ces scintillateurs cristallins sont caractérisés par une densité élevée, un nombre atomique élevé et des temps de décroissance d’impulsion d’environ 1 microseconde (~ 10 ^-6 sec). La longueur d’onde d’émission maximale est de 415 nm. La scintillation dans les cristaux inorganiques est généralement plus lente que dans les cristaux organiques. Ils présentent une efficacité élevée pour la détection des rayons gamma et sont capables de gérer des taux de comptage élevés. Les cristaux inorganiques peuvent être coupés à de petites tailles et disposés dans une configuration en réseau afin de fournir une sensibilité de position. Cette fonction est largement utilisée en imagerie médicale pour détecter les rayons X ou les rayons gamma. Les scintillateurs inorganiques détectent mieux les rayons gamma et les rayons X. Cela est dû à leur densité élevée et à leur numéro atomique qui donne une densité électronique élevée. Un inconvénient de certains cristaux inorganiques, par exemple NaI, est leur hygroscopicité, une propriété qui exige qu’ils soient logés dans un récipient hermétique pour les protéger de l’humidité. Les cristaux sont généralement couplés à un tube photomultiplicateur, dans un ensemble hermétiquement scellé.

Iodure de césium dopé au thallium – Scintillateurs CsI (Tl)

L’iodure de césium (CsI) sous forme cristalline est utilisé comme scintillateur pour la détection des protons et des particules alpha . Pure CsI est un matériau scintillant rapide et dense avec un rendement lumineux relativement faible qui augmente considérablement avec le refroidissement. Les inconvénients du CsI sont un gradient de température élevé et une légère hygroscopicité.

L’iodure de césium dopé au thallium a un numéro atomique effectif de 54 et une densité de 4,51 g / cm ³ . Le CsI (TI) est également hygroscopique et ne doit pas être soumis à une humidité élevée ou à de l’eau. CsI ​​(TI) a des temps de désintégration différents pour différentes particules (680ns et 3340ns) et peut être utilisé pour déterminer entre différents types de rayonnement. Le spectre d’émission atteint un pic à 540-560 nm.

Scintillateurs organiques

Les scintillateurs organiques sont des sortes de matériaux organiques qui fournissent des photons détectables dans la partie visible du spectre lumineux, après le passage d’une particule chargée ou d’un photon. Le mécanisme de scintillation dans les matériaux organiques est très différent du mécanisme dans les cristaux inorganiques. Dans les scintillateurs inorganiques, par exemple NaI, CsI, la scintillation se produit en raison de la structure du réseau cristallin. Le mécanisme de fluorescence dans les matériaux organiques résulte des transitions dans les niveaux d’énergie d’une seule molécule et donc la fluorescence peut être observée indépendamment de l’état physique (vapeur, liquide, solide).

En général, les scintillateurs organiques ont des temps de décroissance rapides (généralement ~ 10 ^-8 sec ), tandis que les cristaux inorganiques sont généralement beaucoup plus lents (~ 10 ^-6 sec), bien que certains aient également des composants rapides dans leur réponse. Il existe trois types de scintillateurs organiques:

• Cristaux organiques purs . Les cristaux organiques purs comprennent des cristaux d’anthracène, de stilbène et de naphtalène. Le temps de décroissance de ce type de luminophore est d’environ 10 nanosecondes. Ce type de cristal est fréquemment utilisé dans la détection des particules bêta . Ils sont très durables, mais leur réponse est anisotrope (ce qui gâche la résolution énergétique lorsque la source n’est pas collimatée), et ils ne peuvent pas être facilement usinés, ni cultivés en grandes tailles. Ils ne sont donc pas très souvent utilisés.
• Solutions organiques liquides . Les solutions organiques liquides sont produites en dissolvant un scintillateur organique dans un solvant.
• Scintillateurs en plastique . Les luminophores en plastique sont fabriqués en ajoutant des produits chimiques de scintillation à une matrice en plastique. La constante de désintégration est la plus courte des trois types de luminophores, approchant 1 ou 2 nanosecondes. Les scintillateurs en plastique sont donc plus appropriés pour une utilisation dans des environnements à flux élevé et dans des mesures de débit de dose élevé. Le plastique a une forte teneur en hydrogène, il est donc utile pour les détecteurs de neutrons rapides . Il faut beaucoup plus d’énergie pour produire un photon détectable dans un scintillateur qu’une paire électron-ion par ionisation (généralement par un facteur de 10), et parce que les scintillateurs inorganiques produisent plus de lumière que les scintillateurs organiques, ils sont par conséquent meilleurs pour les applications à faibles énergies .

La scintillation est un éclair de lumière produit dans un matériau transparent par le passage d’une particule (un électron, une particule alpha, un ion ou un photon à haute énergie). La scintillation se produit dans le scintillateur, qui est un élément clé d’un détecteur de scintillation. En général, un détecteur à scintillation comprend:

• Scintillateur . Un scintillateur génère des photons en réponse au rayonnement incident.
• Photodétecteur . Un photodétecteur sensible (généralement un tube photomultiplicateur (PMT), une caméra à dispositif à couplage de charge (CCD) ou une photodiode), qui convertit la lumière en un signal électrique et électronique pour traiter ce signal.

Matériaux de scintillation – Scintillateurs

Les scintillateurs sont des types de matériaux qui fournissent des photons détectables dans la partie visible du spectre lumineux, après le passage d’une particule chargée ou d’un photon. Le scintillateur se compose d’un cristal transparent , généralement un phosphore, un plastique ou un liquide organique qui fluorescent lorsqu’il est frappé par un rayonnement ionisant. Le scintillateur doit également être transparent à ses propres émissions lumineuses et il doit avoir un temps de décroissance court. Le scintillateur doit également être protégé de toute lumière ambiante afin que les photons externes ne submergent pas les événements d’ionisation provoqués par le rayonnement incident. Pour y parvenir, une feuille mince opaque, telle que du mylar aluminisé, est souvent utilisée, bien qu’elle doive avoir une masse suffisamment faible pour minimiser l’ atténuation indue du rayonnement incident mesuré.

Il existe principalement deux types de scintillateurs couramment utilisés en physique nucléaire et en physique des particules: les scintillateurs organiques ou plastiques et les scintillateurs inorganiques ou cristallins.

Scintillateurs inorganiques

Les scintillateurs inorganiques sont généralement des cristaux cultivés dans des fours à haute température. Ils comprennent l’iodure de lithium (LiI), l’iodure de sodium (NaI) , l’iodure de césium (CsI) et le sulfure de zinc (ZnS). Le matériau de scintillation le plus utilisé est le NaI (Tl) (iodure de sodium dopé au thallium). L’iode fournit la plupart du pouvoir d’arrêt dans l’iodure de sodium (car il a un Z élevé = 53). Ces scintillateurs cristallins sont caractérisés par une densité élevée, un nombre atomique élevé et des temps de décroissance d’impulsion d’environ 1 microseconde ( ~ 10 ^-6 s). La scintillation dans les cristaux inorganiques est généralement plus lente que dans les cristaux organiques. Ils présentent une efficacité élevée pour la détection des rayons gamma et sont capables de gérer des taux de comptage élevés. Les cristaux inorganiques peuvent être coupés à de petites tailles et disposés dans une configuration en réseau afin de fournir une sensibilité de position. Cette fonction est largement utilisée en imagerie médicale pour détecter les rayons X ou les rayons gamma . Les scintillateurs inorganiques détectent mieux les rayons gamma et les rayons X que les scintillateurs organiques. Cela est dû à leur haute densité et à leur numéro atomique qui donne une haute densité électronique. Un inconvénient de certains cristaux inorganiques, par exemple NaI, est leur hygroscopicité, une propriété qui exige qu’ils soient logés dans un récipient hermétique pour les protéger de l’humidité.

Scintillateurs organiques

Les scintillateurs organiques sont des sortes de matériaux organiques qui fournissent des photons détectables dans la partie visible du spectre lumineux, après le passage d’une particule chargée ou d’un photon. Le mécanisme de scintillation dans les matériaux organiques est très différent du mécanisme dans les cristaux inorganiques. Dans les scintillateurs inorganiques, par exemple NaI, CsI, la scintillation se produit en raison de la structure du réseau cristallin. Le mécanisme de fluorescence dans les matériaux organiques résulte des transitions dans les niveaux d’énergie d’une seule molécule et donc la fluorescence peut être observée indépendamment de l’état physique (vapeur, liquide, solide).

En général, les scintillateurs organiques ont des temps de décroissance rapides (généralement ~ 10 ^-8 sec ), tandis que les cristaux inorganiques sont généralement beaucoup plus lents (~ 10 ^-6 sec), bien que certains aient également des composants rapides dans leur réponse. Il existe trois types de scintillateurs organiques:

• Cristaux organiques purs . Les cristaux organiques purs comprennent des cristaux d’anthracène, de stilbène et de naphtalène. Le temps de décroissance de ce type de luminophore est d’environ 10 nanosecondes. Ce type de cristal est fréquemment utilisé dans la détection des particules bêta . Ils sont très durables, mais leur réponse est anisotrope (ce qui gâche la résolution énergétique lorsque la source n’est pas collimatée), et ils ne peuvent pas être facilement usinés, ni cultivés en grandes tailles. Ils ne sont donc pas très souvent utilisés.
• Solutions organiques liquides . Les solutions organiques liquides sont produites en dissolvant un scintillateur organique dans un solvant.
• Scintillateurs en plastique . Les luminophores en plastique sont fabriqués en ajoutant des produits chimiques de scintillation à une matrice en plastique. La constante de désintégration est la plus courte des trois types de luminophores, approchant 1 ou 2 nanosecondes. Les scintillateurs en plastique sont donc plus appropriés pour une utilisation dans des environnements à flux élevé et dans des mesures de débit de dose élevé. Le plastique a une forte teneur en hydrogène, il est donc utile pour les détecteurs de neutrons rapides . Il faut beaucoup plus d’énergie pour produire un photon détectable dans un scintillateur qu’une paire électron-ion par ionisation (généralement par un facteur de 10), et parce que les scintillateurs inorganiques produisent plus de lumière que les scintillateurs organiques, ils sont par conséquent meilleurs pour les applications à faibles énergies .

Les neutrons libres peuvent être classés en fonction de leur énergie cinétique. Cette énergie est généralement donnée en électron-volts (eV). Le terme température peut également décrire cette énergie représentant l’équilibre thermique entre un neutron et un milieu à une certaine température.

Énergies cinétiques des neutrons – Neutrons rapides

• Neutrons froids  (0 eV; 0,025 eV). Neutrons en équilibre thermique avec un environnement très froid comme le deutérium liquide. Ce spectre est utilisé pour des expériences de diffusion de neutrons.
• Neutrons thermiques . Neutrons en équilibre thermique avec un milieu environnant. L’énergie la plus probable à 20 ° C (68 ° F) pour la distribution maxwellienne est de  0,025 eV  (~ 2 km / s). Cette partie du spectre d’énergie des neutrons constitue la partie la plus importante du spectre  dans les réacteurs thermiques .
• Neutrons épithermaux  (0,025 eV; 0,4 eV). Neutrons d’énergie cinétique supérieure à thermique. Certaines conceptions de réacteurs fonctionnent avec le spectre des neutrons épithermaux. Cette conception permet d’atteindre un taux de production de combustible plus élevé que dans les réacteurs thermiques.

• 

  Neutrons de cadmium  (0,4 eV; 0,5 eV). Neutrons d’énergie cinétique en dessous de l’énergie de  coupure de cadmium  . Un isotope du cadmium,  ¹¹³ Cd, n’absorbe fortement les neutrons que s’ils sont inférieurs à ~ 0,5 eV (énergie de coupure du cadmium).

• Neutrons d’épicadmium  (0,5 eV; 1 eV). Neutrons d’énergie cinétique au-dessus de l’énergie de  coupure de cadmium . Ces neutrons ne sont pas absorbés par le  cadmium .
• Neutrons lents  (1 eV; 10 eV).
• Neutrons de résonance  (10 eV; 300 eV). Les neutrons de résonance  sont appelés résonance pour leur comportement particulier. Aux énergies de résonance, les  sections efficaces peuvent atteindre des pics plus de 100 fois plus élevés que la valeur de base de la section efficace. À ces énergies, la capture de neutrons dépasse considérablement une probabilité de  fission . Il est donc très important (pour les réacteurs thermiques) de surmonter rapidement cette gamme d’énergie et de faire fonctionner le réacteur avec des neutrons thermiques, ce qui augmente la probabilité de fission.
• Neutrons intermédiaires  (300 eV; 1 MeV).
• Neutrons rapides  (1 MeV; 20 MeV). Les neutrons d’énergie cinétique supérieure à 1 MeV (~ 15 000 km / s) sont généralement appelés neutrons de fission. Ces neutrons sont produits par des processus nucléaires tels que la fission nucléaire ou des réactions (ɑ, n)  . Les neutrons de fission ont une distribution d’énergie de Maxwell-Boltzmann avec une énergie moyenne (pour la fission de  ²³⁵ U ) 2 MeV. À l’intérieur d’un  réacteur nucléaire,  les neutrons rapides sont ralentis vers les énergies thermiques via un processus appelé  modération neutronique .
• Neutrons relativistes  (20 MeV; ->)

La physique du réacteur  n’a pas besoin de cette fine division des énergies neutroniques. Les neutrons peuvent être grossièrement (à des fins de physique des réacteurs) divisés en trois gammes d’énergie:

• Neutrons thermiques  (0,025 eV – 1 eV).
• Neutrons de résonance  (1 eV – 1 keV).
• Neutrons rapides  (1 keV – 10 MeV).

Même la plupart des codes de calcul des réacteurs n’utilisent que deux groupes d’énergie neutronique:

• Groupe de neutrons lents  (0,025 eV – 1 keV).
• Groupe de neutrons rapides  (1 keV – 10 MeV).

Voir aussi:  Neutron Energy

Classification des réacteurs selon le spectre de flux de neutrons

Voir aussi: Spectre de flux de neutrons

Du point de vue physique, les principales différences entre les  types de réacteurs  proviennent des différences dans leurs  spectres d’énergie neutronique . En fait, la  classification de base  des  réacteurs nucléaires  est basée sur l’énergie moyenne des neutrons qui causent la majeure partie des  fissions  dans le  cœur du réacteur . De ce point de vue, les réacteurs nucléaires sont divisés en  deux catégories :

• Réacteurs thermiques.  Presque tous les réacteurs actuels construits à ce jour utilisent des  neutrons thermiques  pour soutenir la  réaction en chaîne . Ces réacteurs contiennent un  modérateur de neutrons  qui ralentit les neutrons de la fission jusqu’à ce que leur énergie cinétique soit plus ou moins en  équilibre thermique  avec les atomes (E <1 eV) du système.
• Réacteurs à neutrons rapides .  Les réacteurs rapides ne contiennent pas de modérateur de neutrons  et utilisent  des réfrigérants primaires moins modérateurs , car ils utilisent  des neutrons rapides  (E> 1 keV), pour provoquer la fission dans leur combustible.

Comparaison des spectres de neutrons dans un LWR typique   et un réacteur surgénérateur rapide refroidi au sodium . Il  convient de noter que le  spectre du réacteur rapide est fortement affecté par la  section efficace de diffusion élastique  du liquide de refroidissement utilisé.

Les principales différences entre ces deux types sont, bien sûr, dans  les sections efficaces des neutrons , qui présentent une dépendance énergétique importante  . Il peut être caractérisé par un rapport  capture-fission , qui est  plus faible dans les réacteurs rapides . Il existe également une différence dans le  nombre de neutrons produits par une fission , qui est plus élevée dans les réacteurs rapides que dans les réacteurs thermiques. Ces différences très importantes sont principalement dues à des  différences de flux de neutrons . Par conséquent, il est très important de connaître la distribution détaillée de l’énergie neutronique dans un cœur de réacteur.

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.

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

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 neutrons rapides (> 0,5 MeV) dépendent principalement du proton de recul dans les réactions (n, p). Matériaux riches en hydrogène, par exemple scintillateurs plastiques, sont donc les mieux adaptés à leur détection. Les neutrons thermiques dépendent de réactions nucléaires telles que les réactions (n, γ) ou (n, α) pour produire l’ionisation. Les matériaux tels que LiI (Eu) ou les silicates de verre sont donc particulièrement bien adaptés à la détection des neutrons thermiques.

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

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

Avantages du compteur Geiger-Mueller

• Amplification élevée . Un signal fort (le facteur d’amplification peut atteindre environ 10 ¹⁰ ) est produit par ces avalanches de forme et de hauteur indépendamment de l’ionisation primaire et de l’énergie du photon détecté. L’impulsion de tension dans ce cas serait un grand ≈ 1,6 V. facilement détectable. L’avantage technique d’un compteur Geiger est sa simplicité de construction et son insensibilité aux petites fluctuations de tension. 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.
• Simplicité . Les compteurs GM sont principalement utilisés pour l’ instrumentation portable en raison de sa sensibilité, de son circuit de comptage simple et de sa capacité à détecter les rayonnements de faible intensité. Les détecteurs GM sont généralement plus sensibles aux rayonnements de faible énergie et de faible intensité que les détecteurs proportionnels ou à chambre ionique.
• Électronique plus simple . Les détecteurs GM peuvent être utilisés avec des boîtiers électroniques plus simples. La
  sensibilité d’ entrée d’un instrument de relevé GM typique est de 300 à 800 millivolts, tandis que la
  sensibilité d’ entrée d’un instrument de relevé proportionnel typique est de 2 millivolts.

Inconvénients du compteur Geiger-Mueller

• Pas d’identification de particules, pas de résolution d’énergie . Étant donné que la hauteur d’impulsion est indépendante du type et de l’énergie du rayonnement, la discrimination n’est pas possible. Il n’y a aucune information sur la nature de l’ionisation à l’origine du pouls. Les détecteurs GM ne peuvent pas distinguer les différents types de rayonnement (α, β, γ), ni les différentes énergies de rayonnement. En effet, la taille de l’avalanche est indépendante de l’ionisation primaire qui l’a créée.
• Temps mort . En raison de la grande avalanche induite par toute ionisation, un compteur Geiger met beaucoup de temps (environ 1 ms) à récupérer entre les impulsions successives. Par conséquent, les compteurs Geiger ne sont pas en mesure de mesurer des taux de rayonnement élevés en raison du « temps mort » du tube.

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

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

Applications – Détection des rayonnements alpha, bêta et gamma 

Les compteurs Geiger sont principalement utilisés pour l’ instrumentation portable en raison de sa sensibilité, de son circuit de comptage simple et de sa capacité à détecter les rayonnements de faible intensité. Bien que l’utilisation principale des compteurs Geiger soit probablement dans la détection de particules individuelles, ils se trouvent également dans les compteurs gamma. Ils sont capables de détecter presque tous les types de rayonnement, mais il existe de légères différences dans le tube Geiger-Mueller. Cependant, le tube Geiger-Müller produit une sortie d’impulsion qui est de la même amplitude pour tous les rayonnements détectés, donc un compteur Geiger avec un tube de fenêtre d’extrémité ne peut pas faire la distinction entre les particules alpha et bêta.

Il existe deux principaux types de construction de tubes Geiger :

• Type de fenêtre d’extrémité . Pour que les particules alpha et bêta soient détectées par les compteurs Geiger, 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 ²pour permettre aux particules bêta de faible énergie (par exemple du carbone 14) d’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.
• Type sans fenêtre . Les rayons gamma ont très peu de mal à pénétrer les parois métalliques de la chambre. Par conséquent, les compteurs Geiger 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.
  • Un tube à paroi épaisse est utilisé pour la détection de rayonnement gamma au-dessus d’énergies d’environ 25 KeV, ce type a généralement une épaisseur de paroi globale d’environ 1 à 2 mm d’acier au chrome.
  • Un tube à paroi mince est utilisé pour les photons de basse énergie (rayons X ou rayons gamma) et les particules bêta de haute énergie. La transition de la conception à parois minces aux parois épaisses s’effectue aux niveaux d’énergie de 300 à 400 keV. Au-dessus de ces niveaux, des conceptions à parois épaisses sont utilisées, et en dessous de ces niveaux, l’effet d’ionisation directe des gaz est prédominant.

Parfois, une conception en «crêpe» du tube Geiger-Mueller est préférée. Ce détecteur est un tube Geiger plat avec une fine fenêtre en mica de plus grande surface. Les tubes plats Geiger comme celui-ci sont appelés tubes à «crêpes». Ces tubes sont équipés d’un écran métallique pour les protéger. Cette conception offre une zone de détection plus grande et donc une efficacité plus élevée pour rendre la vérification plus rapide. Cependant, la pression de l’atmosphère contre la basse pression du gaz de remplissage limite la taille de la fenêtre en raison de la résistance limitée de la membrane de la fenêtre.

Applications – Détection de neutrons

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.).

Ce n’est pas courant, mais les compteurs Geiger peuvent également être utilisés pour la détection de neutrons. Dans ce cas, le tube Geiger-Mueller doit avoir l’intérieur du tube recouvert de bore, ou le tube doit contenir du trifluorure de bore (BF ₃ ) ou de l’hélium-3 comme gaz de remplissage.

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.