Dosimétrie des rayonnements

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

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

Détection de neutrons à l’aide du compteur Geiger

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.).

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.

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 .

Tube Geiger à paroi épaisse et à paroi mince

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.

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 .

Compteur Geiger sans fenêtre et sans fenêtre

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.

En raison de la grande avalanche induite par toute ionisation, un compteur Geiger met longtemps (environ 1 ms) à récupérer entre les impulsions successives. Par conséquent, les compteurs Geiger ne sont pas en mesure de mesurer des taux de rayonnement élevés en raison du « temps mort » du tube. Le  temps mort  est le temps après chaque événement pendant lequel le système n’est pas en mesure d’enregistrer un autre événement.

Dans un compteur Geiger, le gaz de remplissage de la chambre est un gaz inerte qui est ionisé par un rayonnement incident et un gaz de trempe de 5 à 10% d’une vapeur organique ou d’un gaz halogène pour empêcher les impulsions parasites en éteignant les avalanches d’électrons. Le compteur Geiger ne doit pas émettre d’impulsions parasites et doit revenir rapidement à l’état passif, prêt pour le prochain événement de rayonnement. 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.

Cependant, 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. Ces atomes retournent ensuite à leur état fondamental en émettant des photons qui à leur tour produisent une ionisation supplémentaire et donc des décharges secondaires parasites. 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. Ce type de trempe est appelé  auto-trempe  ou  trempe interne , car les tubes arrêtent la décharge sans aide extérieure.

Pour les compteurs Geiger, la trempe externe, parfois appelée « trempe active » ou « trempe électronique », est également une possibilité. La trempe électronique utilise une électronique de contrôle à grande vitesse simpliste pour éliminer et réappliquer rapidement la haute tension entre les électrodes pendant un temps fixe après chaque pic de décharge afin d’augmenter le taux de comptage maximal et la durée de vie du tube.

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

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 .

Principe de base des compteurs Geiger

Le compteur Geiger a une cathode et une anode qui sont maintenues à haute tension, et le dispositif est caractérisé par une capacité qui est déterminée par la géométrie des électrodes. Dans un compteur Geiger, le gaz de remplissage de la chambre est un gaz inerte qui est ionisé par un rayonnement incident et un gaz de trempe de 5 à 10% d’une vapeur organique ou d’un gaz halogène pour empêcher les impulsions parasites en éteignant les avalanches d’électrons.

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. Ces avalanches peuvent être déclenchées et propagées par des photons émis par des atomes excités dans l’avalanche d’origine. Étant donné que ces photons ne sont pas affectés par le champ électrique, ils peuvent interagir loin (par exemple latéralement à l’axe) de l’avalanche primaire, l’ensemble du tube Geiger participe au processus. Un signal fort (le facteur d’amplification peut atteindre environ 10 ¹⁰ ) est produit par ces avalanches de forme et de hauteur indépendamment de l’ionisation primaire et de l’énergie du photon détecté. Le facteur d’amplification élevé du compteur Geiger est l’avantage majeur par rapport à la chambre d’ionisation. Le compteur Geiger est donc un appareil beaucoup plus sensible que les autres chambres. Il est souvent utilisé dans la détection des rayons gamma de bas niveau et des particules bêta pour cette raison.

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. En pratique, la fin de l’avalanche est améliorée par l’utilisation de techniques de «trempe» .

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 rayons gamma ou neutrons. La hauteur d’impulsion n’est pas proportionnelle au nombre d’électrons d’origine produits. Par conséquent, les compteurs Geiger ne sont pas capables d’identifier les particules et de mesurer l’énergie (spectroscopie). 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.

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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

Pour les systèmes de détection de rayonnement qui enregistrent des impulsions (événements discrets) , le temps mort est le temps après chaque événement pendant lequel le système n’est pas en mesure d’enregistrer un autre événement. Ce phénomène est très important, par exemple, pour les compteurs Geiger . En raison de la grande avalanche induite par toute ionisation, un compteur Geiger met longtemps (environ 1 ms) à récupérer entre les impulsions successives. Par conséquent, les compteurs Geiger ne sont pas en mesure de mesurer des taux de rayonnement élevés en raison du «temps mort» du tube.

En d’autres termes, le temps mort est la période pendant laquelle le détecteur est occupé et ne peut pas accepter et traiter des impulsions. Dans le cas de détecteurs de rayonnements ionisants, ce phénomène peut avoir de graves conséquences, car le temps mort fausse les sorties à des activités ou des débits de dose élevés. Le temps mort total d’un système de détection est généralement dû aux contributions du temps mort intrinsèque du détecteur, du frontal analogique et de l’acquisition des données.

Détecteur paralysable et non paralysable

En raison de la nature aléatoire de la désintégration radioactive , il existe toujours une certaine probabilité qu’un événement réel soit perdu, car un autre événement vient d’être enregistré et le détecteur ne peut pas accepter et traiter plus d’une impulsion.

Il existe deux principales caractéristiques de temps mort de chaque système de détection:

• Paralysable . Dans un détecteur paralysable, un événement se produisant pendant le temps mort ne sera pas simplement manqué, mais redémarrera le temps mort, de sorte qu’avec une vitesse croissante, le détecteur atteindra un point de saturation où il sera incapable d’enregistrer un événement du tout.
• Non paralysable . Dans un détecteur non paralysable, un événement se produisant pendant le temps mort est simplement perdu, de sorte qu’avec un taux d’événement croissant, le détecteur atteindra un taux de saturation égal à l’inverse du temps mort.

Pour les systèmes de détection de rayonnement qui enregistrent des impulsions (événements discrets) , le temps mort est le temps après chaque événement pendant lequel le système n’est pas en mesure d’enregistrer un autre événement. Ce phénomène est très important, par exemple, pour les compteurs Geiger . En raison de la grande avalanche induite par toute ionisation, un compteur Geiger met longtemps (environ 1 ms) à récupérer entre les impulsions successives. Par conséquent, les compteurs Geiger ne sont pas en mesure de mesurer des taux de rayonnement élevés en raison du «temps mort» du tube.

En d’autres termes, le temps mort est la période pendant laquelle le détecteur est occupé et ne peut pas accepter et traiter des impulsions. Dans le cas de détecteurs de rayonnements ionisants, ce phénomène peut avoir de graves conséquences, car le temps mort fausse les sorties à des activités ou des débits de dose élevés. Le temps mort total d’un système de détection est généralement dû aux contributions du temps mort intrinsèque du détecteur, du frontal analogique et de l’acquisition des données.

Détecteur paralysable et non paralysable

En raison de la nature aléatoire de la désintégration radioactive , il existe toujours une certaine probabilité qu’un événement réel soit perdu, car un autre événement vient d’être enregistré et le détecteur ne peut pas accepter et traiter plus d’une impulsion.

Il existe deux principales caractéristiques de temps mort de chaque système de détection:

• Paralysable . Dans un détecteur paralysable, un événement se produisant pendant le temps mort ne sera pas simplement manqué, mais redémarrera le temps mort, de sorte qu’avec une vitesse croissante, le détecteur atteindra un point de saturation où il sera incapable d’enregistrer un événement du tout.
• Non paralysable . Dans un détecteur non paralysable, un événement se produisant pendant le temps mort est simplement perdu, de sorte qu’avec un taux d’événement croissant, le détecteur atteindra un taux de saturation égal à l’inverse du temps mort.

Trempe – Temps mort – Compteurs Geiger

Le phénomène de temps mort est également très important pour les compteurs Geiger. Il a généralement une valeur d’environ 100 μs (pour les compteurs proportionnels, il est beaucoup moins), et donc après chaque événement ionisant, un tube Geiger est essentiellement éteint pendant 100 μs.

Dans un compteur Geiger, le gaz de remplissage de la chambre est un gaz inerte qui est ionisé par un rayonnement incident et un gaz de trempe de 5 à 10% d’une vapeur organique ou d’un gaz halogène pour empêcher les impulsions parasites en éteignant les avalanches d’électrons. Le compteur Geiger ne doit pas émettre d’impulsions parasites et doit revenir rapidement à l’état passif, prêt pour le prochain événement de rayonnement. 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.

Cependant, 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. Ces atomes retournent ensuite à leur état fondamental en émettant des photons qui à leur tour produisent une ionisation supplémentaire et donc des décharges secondaires parasites. 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 deTechniques 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 gagnant un électron, et l’énergie libérée ne provoque pas d’ionisation supplémentaire, mais provoque la dissociation de la molécule. Ce type de trempe est appelé auto-trempe ou trempe interne , car les tubes arrêtent la décharge sans aide extérieure.

Pour les compteurs Geiger, la trempe externe, parfois appelée « trempe active » ou « trempe électronique », est également une possibilité. La trempe électronique utilise une électronique de contrôle à grande vitesse simpliste pour éliminer et réappliquer rapidement la haute tension entre les électrodes pendant un temps fixe après chaque pic de décharge afin d’augmenter le taux de comptage maximal et la durée de vie du tube.

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.

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.

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En général, la spectroscopie est la science de l’étude de l’interaction entre la matière et l’énergie rayonnée tandis que la spectrométrie est la méthode utilisée pour acquérir une mesure quantitative du spectre. La spectroscopie (scopie signifie observation ) ne génère aucun résultat. C’est l’approche théorique de la science. La spectrométrie (métrie signifie mesure ) est l’application pratique où les résultats sont générés. Il s’agit de la mesure de l’intensité du rayonnement à l’aide d’un appareil électronique. Ces termes sont souvent utilisés de manière interchangeable, mais chaque spectrométrie n’est pas une spectroscopie (par exemple, spectrométrie de masse vsspectroscopie de masse).

Spectroscopie gamma

En général, la spectroscopie gamma est l’étude des spectres énergétiques des sources de rayons gamma, comme dans l’industrie nucléaire, la recherche géochimique et l’astrophysique. Les spectroscopes, ou spectromètres, sont des appareils sophistiqués 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.

La plupart des sources radioactives produisent des rayons gamma , qui sont de différentes énergies et intensités. Les rayons gamma accompagnent fréquemment  l’émission  de  rayonnement alpha  et  bêta . Lorsque ces émissions sont détectées et analysées avec un système de spectroscopie, un spectre d’énergie gamma peut être produit. Rayons gamma de la désintégration radioactivesont dans la gamme d’énergie de quelques keV à ~ 8 MeV, correspondant aux niveaux d’énergie typiques dans les noyaux avec des durées de vie raisonnablement longues. Comme cela a été écrit, ils sont produits par la désintégration des noyaux lorsqu’ils passent d’un état de haute énergie à un état inférieur. Une analyse détaillée de ce spectre est généralement utilisée pour déterminer l’ identité et la quantité d’émetteurs gamma présents dans un échantillon, et est un outil essentiel dans l’analyse radiométrique. Le spectre gamma est caractéristique des nucléides émetteurs gamma contenus dans la source.

Spectroscopie aux rayons X

La spectroscopie aux rayons X est un terme général pour plusieurs techniques spectroscopiques pour la caractérisation des matériaux en utilisant l’excitation aux rayons X. Lorsqu’un électron de la coquille interne d’un atome est excité par l’énergie d’un photon, il se déplace vers un niveau d’énergie supérieur. Étant donné que le processus laisse une  vacance  dans le niveau d’énergie électronique d’où provient l’électron, les électrons externes de l’atome  descendent  pour remplir les niveaux atomiques inférieurs et un ou plusieurs  rayons X caractéristiques sont généralement émis. En conséquence, des pics d’intensité nets apparaissent dans le spectre à des longueurs d’onde qui sont une caractéristique du matériau à partir duquel la cible anodique est fabriquée. Les fréquences des rayons X caractéristiques peuvent être prédites à partir du modèle de Bohr. L’analyse du spectre d’émission de rayons X produit des résultats qualitatifs sur la composition élémentaire de l’échantillon.

Spectromètre à rayons gamma – Spectroscope à rayons gamma

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

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

Structure du spectre gamma – Le spectre Cobalt-60

L’analyse des spectres gamma est très intéressante, car elle a une structure et les travailleurs doivent faire la distinction entre les vraies impulsions à analyser et les impulsions d’accompagnement provenant de différentes sources de rayonnement. Nous montrerons la structure du spectre gamma sur l’exemple du cobalt 60 mesuré par le détecteur à scintillation NaI (Tl) et par le détecteur HPGe. Le détecteur HPGe permet la séparation de nombreuses lignes gamma étroitement espacées, ce qui est très avantageux pour mesurer des sources radioactives émettant plusieurs gamma.

Le cobalt-60  est un isotope radioactif artificiel du cobalt avec une demi-vie de 5,2747 ans . Il est produit par synthèse par activation neutronique du cobalt 59 dans les réacteurs nucléaires . Le cobalt-60 est une source d’étalonnage courante trouvée dans de nombreux laboratoires. Le spectre gamma a deux pics significatifs , l’un à 1173,2 keV et l’autre à 1332,5 keV . Les bons détecteurs à scintillation doivent avoir une résolution adéquate pour séparer les deux pics. Pour les détecteurs HPGe , ces pics sont parfaitement séparés.

Comme on peut le voir sur la figure, il existe deux photopointes de rayons gamma . Les deux détecteurs montrent également une réponse aux énergies inférieures, causée par la diffusion Compton , deux pics d’échappement plus petits aux énergies 0,511 et 1,022 MeV en dessous du pic photoélectrique pour la création de paires électron-positron lorsqu’un ou les deux photons d’annihilation s’échappent, et un pic de rétrodiffusion . Des énergies plus élevées peuvent être mesurées lorsque deux photons ou plus frappent le détecteur presque simultanément, apparaissant comme des pics de somme avec des énergies jusqu’à la valeur de deux photopointes ou plus ajoutées.

La structure générale du spectre des rayons gamma présente généralement les principales caractéristiques suivantes :

• Les photopointes sont des pics de pleine énergie, qui sont créés, lorsque le rayon γ transfère sa pleine énergie ( _liaison hω -E ) dans le matériau sensible (cristal à scintillation ou cristal de germanium). Une seule fonction delta doit être observée dans le spectre. Le spectre du cobalt 60 contient deux photopointes, un à 1173,2 keV et un autre à 1332,5 keV.
• Compton Continuum . Dans le cristal, un rayon gamma subit un certain nombre d’interactions, mais pour les énergies intermédiaires, la diffusion du compton domine. En diffusion de compton, le photon gamma incident est dévié d’un angle Θ par rapport à sa direction d’origine. Le photon transfère une partie de son énergie à l’électron de recul. L’énergie transférée à l’électron de recul peut varier de zéro à une grande fraction (maximum E) de l’énergie incidente des rayons gamma, car tous les angles de diffusion sont possibles. La taille du cristal à scintillation modifie le rapport entre le pic photoélectrique et le continuum Compton. Pour un détecteur sphérique infiniment grand centré autour d’une source, aucun photon ne pourrait s’échapper et seul un pic photoélectrique serait visible sur le spectre. Pour les très petits détecteurs, la chance pour un photon de partir après la diffusion Compton est élevée et le continuum Compton serait grand par rapport au photopeak.
• Compton Edge . Le bord Compton est une caractéristique du spectrographe qui résulte de la diffusion Compton dans le scintillateur ou le détecteur. Cette caractéristique est due aux photons qui subissent une diffusion Compton avec un angle de diffusion de 180 ° puis s’échappent du détecteur. Lorsqu’un rayon gamma se dissipe du détecteur et s’échappe, seule une fraction de son énergie initiale peut être déposée dans la couche sensible du détecteur. Cela dépend de l’angle de diffusion du photon, de la quantité d’énergie qui sera déposée dans le détecteur. Cela conduit à un spectre d’énergies. L’énergie du bord Compton correspond au photon rétrodiffusé complet .  Les dénombrements entre le bord de Compton et les photopics sont causés par de multiples événements de diffusion de Compton, où le photon gamma diffusé sort du matériau sensible.

Parfois, la structure du spectre des rayons gamma présente les caractéristiques secondaires suivantes :

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  Pic de rétrodiffusion . Un pic de rétrodiffusion Compton est détecté lorsque les rayons γ pénètrent dans le matériau autour du détecteur et sont diffusés à nouveau dans le détecteur. Le photon gamma peut interagir par le mécanisme de Compton dans le bouclier ou les matériaux environnants et est rétrodiffusé hors d’un matériau dans un volume sensible. L’énergie photonique maximale dans cette interaction est de ~ 200 keV quelle que soit l’énergie photonique initiale. Il en résulte un pic secondaire à -200 keV.

• Les pics de rayons X . Lorsque les rayons gamma subissent un effet photoélectrique dans les matériaux environnants (par exemple, l’écran de plomb), les rayons X sortants peuvent être capturés à nouveau par le détecteur. Cela donne un pic de rayons X caractéristique avec une énergie en fonction du matériau dont il est issu. En cas de plomb, les énergies des rayons X caractéristiques se situent dans la plage 72-84 keV. Absorption photoélectrique par un électron K-shell en plomb de blindage, résultant en une vacance K-shell. La transition K -> L pour le plomb = 72 keV. Si cette radiographie caractéristique est absorbée dans le cristal, un pic secondaire à 72 keV est observé.
• Pic de coïncidence . Absorption simultanée de deux photons gamma dans le cristal, entraînant un pic d’énergie supérieur au pic photoélectrique. Les photons gamma peuvent résulter de transitions isomères en série (par exemple 2 keV plus 1332,5 keV dans le cas du cobalt-60) ou de désintégrations simultanées dans des radionucléides séparés (par exemple 2 x 1173,2 keV dans le cas du cobalt-60).
• Pic d’anéantissement . Pour les rayons gamma de haute énergie (supérieurs à 1,02 MeV), la production de paires électron-positon est une interaction possible. Mais un positron peut alors s’annihiler dans le détecteur ou dans le matériau environnant. Si les deux photons d’annihilation de 0,51 MeV sont absorbés dans le cristal, un pic secondaire de 1,02 MeV en dessous du pic photoélectrique peut être trouvé. Si un photon d’annihilation est absorbé et que le second sort du cristal, 0,51 MeV est alors retiré du pic photoélectrique, résultant en un pic secondaire à 0,51 MeV en dessous du pic photoélectrique. La probabilité est plus grande qu’un photon d’annihilation sera absorbé.