Dosimétrie des rayonnements

Chambres d’ionisation

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 donc 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 gaz du 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 intensité de champ électrique faible, sélectionnée de manière à ce qu’aucune multiplication de gaz n’ait lieu. La charge collectée (signal de sortie) est indépendante de la tension appliquée et pour les particules uniques à ionisation minimale 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 pourvues d’une  fenêtre mince . Cette «fenêtre d’extrémité» doit être suffisamment mince pour que les particules alpha et bêta puissent pénétrer. Cependant, une fenêtre de presque n’importe quelle épaisseur empêchera une particule alpha d’entrer dans la chambre. La fenêtre est généralement en mica avec une densité d’environ 1,5 à 2,0 mg / cm ² .

Compteur proportionnel

Un  compteur proportionnel , également appelé  détecteur proportionnel , est un appareil électrique qui détecte différents types de rayonnements ionisants. La tension du détecteur est ajustée pour que les conditions correspondent à la  région proportionnelle . Dans cette région, la tension est suffisamment élevée pour fournir aux électrons primaires une accélération et une énergie suffisantes pour qu’ils puissent ioniser des atomes supplémentaires du milieu. Ces ions secondaires ( amplification de gaz ) formés sont également accélérés, provoquant un effet connu sous le nom d’  avalanches de Townsend , qui crée une seule impulsion électrique importante.

Avantages des compteurs proportionnels

• Amplification . Les compteurs proportionnels gazeux fonctionnent généralement dans des champs électriques élevés de l’ordre de 10 kV / cm et atteignent des facteurs d’amplification typiques  d’environ 10 ⁵ . Comme le facteur d’amplification dépend fortement de la tension appliquée, la charge collectée (signal de sortie) dépend également de la tension appliquée et les compteurs proportionnels nécessitent une tension constante. Le facteur d’amplification élevé du compteur proportionnel est l’avantage majeur par rapport à la chambre d’ionisation.
• Sensibilité . Le processus d’amplification de charge améliore considérablement le  rapport signal / bruit  du détecteur et réduit l’amplification électronique ultérieure requise. Étant donné que le processus d’amplification de charge améliore considérablement le rapport signal / bruit du détecteur, l’amplification électronique ultérieure n’est généralement pas requise. Les instruments de détection proportionnelle sont très sensibles aux faibles niveaux de rayonnement. De plus, lors de la mesure de la sortie de courant, un détecteur proportionnel est utile pour les débits de dose
  car le signal de sortie est proportionnel à l’énergie déposée par ionisation et
  donc proportionnel au débit de dose.
• Spectroscopie . Grâce à des dispositions fonctionnelles, des modifications et une polarisation appropriées, le compteur proportionnel peut être utilisé pour détecter un rayonnement alpha, bêta, gamma ou neutronique dans des champs de rayonnement mixtes. De plus, les compteurs proportionnels sont capables d’  identifier les particules  et de mesurer l’énergie (spectroscopie). La hauteur d’impulsion reflète l’énergie déposée par le rayonnement incident dans le gaz détecteur. En tant que tel, il est possible de distinguer les impulsions plus importantes produites par  les particules alpha  des impulsions plus petites produites par  les particules bêta  ou  les rayons gamma .

Inconvénients des compteurs proportionnels

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

Détecteurs HPGe

Les détecteurs au germanium de haute pureté  ( détecteurs HPGe ) sont la meilleure solution pour une spectroscopie gamma et aux rayons X précise  . Par rapport aux détecteurs au  silicium , le  germanium  est beaucoup plus efficace que le  silicium  pour la détection des radiations en raison de son numéro atomique beaucoup plus élevé que le silicium et en raison de l’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. En raison de son numéro atomique plus élevé,  Ge  a un coefficient d’atténuation linéaire beaucoup plus important, ce qui conduit à un libre parcours moyen plus court. De plus, les détecteurs au silicium ne peuvent pas être plus épais que quelques millimètres, tandis que le germanium peut avoir un épaisseur sensible de quelques centimètres , et peut donc être utilisé comme détecteur d’absorption totale pour les rayons gamma jusqu’à quelques MeV.

Avantages des détecteurs HPGe

• Numéro atomique supérieur. 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.
• 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.
• Très bonne résolution énergétique . Le FWHM 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.
• Grands cristaux . Alors que les détecteurs à base de silicium ne peuvent pas être plus épais que quelques millimètres, le germanium peut avoir une épaisseur sensible et épuisée de quelques centimètres, et peut donc être utilisé comme détecteur d’absorption totale pour les rayons gamma jusqu’à quelques MeV.

Inconvénients des détecteurs HPGe

• Refroidissement . L’inconvénient majeur des détecteurs HPGe est qu’ils doivent être refroidis à des températures d’azote liquide. Le germanium ayant une bande interdite relativement faible , ces détecteurs doivent être refroidis afin de réduire la génération thermique des porteurs de charge à un niveau acceptable. Sinon, le bruit induit par le courant de fuite détruit la résolution énergétique du détecteur. Rappelons que la bande interdite (une distance entre la valence et la bande de conduction ) est très faible pour le germanium (Egap = 0,67 eV). Le refroidissement à la température de l’azote liquide (-195,8 ° C; -320 ° F) réduit les excitations thermiques des électrons de valence de sorte que seule une interaction des rayons gamma peut donner à un électron l’énergie nécessaire pour traverser la bande interdite et atteindre la bande de conduction.
• Prix . L’inconvénient est que les détecteurs au germanium sont beaucoup plus chers que les chambres d’ionisation ou les compteurs à scintillation .

Blindage du rayonnement bêta – Écran

Les caractéristiques suivantes des particules bêta (électrons) sont cruciales dans leur blindage.

• Les particules bêta  sont des électrons énergétiques, elles sont relativement légères et portent une seule charge négative .
• Leur masse est égale à la masse des électrons orbitaux avec lesquels ils interagissent et contrairement à la particule alpha, une fraction beaucoup plus importante de son énergie cinétique peut être perdue en une seule interaction.
• Leur chemin n’est pas si simple. Les particules bêta suivent un chemin très zigzag à travers un matériau absorbant. Ce chemin de particules résultant est plus long que la pénétration linéaire (plage) dans le matériau.
• Comme elles ont une masse très faible, les particules bêta atteignent principalement des énergies relativistes.
• Les particules bêta diffèrent également des autres particules chargées lourdes par la fraction d’énergie perdue par processus radiatif connue sous le nom de bremsstrahlung . Par conséquent, pour les rayonnements bêta à haute énergie, les matériaux denses sont inappropriés.
• Lorsque la particule bêta se déplace plus rapidement que la vitesse de la lumière (vitesse de phase) dans le matériau, elle génère une onde de choc de rayonnement électromagnétique connue sous le nom de rayonnement Cherenkov .

Le rayonnement bêta ionise la matière plus faible que le rayonnement alpha . En revanche, les plages de particules bêta sont plus longues et dépendent fortement de l’énergie cinétique initiale des particules. Certains ont suffisamment d’énergie pour être préoccupés par l’exposition externe. Une particule bêta de 1 MeV peut parcourir environ 3,5 mètres dans l’air. Ces particules bêta peuvent pénétrer dans le corps et déposer la dose dans les structures internes près de la surface. Par conséquent, un blindage plus important qu’en cas de rayonnement alpha est requis.

Les matériaux à faible numéro atomique Z conviennent comme écrans de particules bêta. Avec des matériaux à haute teneur en Z, le bremsstrahlung(rayonnement secondaire – rayons X) est associé. Ce rayonnement est créé lors du ralentissement des particules bêta lorsqu’elles voyagent dans un milieu très dense. Des vêtements lourds, du carton épais ou une fine plaque d’aluminium fourniront une protection contre le rayonnement bêta et empêcheront la production de la bremsstrahlung. Le plomb et le plastique sont couramment utilisés pour protéger le rayonnement bêta. La littérature sur la radioprotection est omniprésente en conseillant le placement du plastique d’abord pour absorber toutes les particules bêta avant d’utiliser un blindage en plomb. Ces conseils sont basés sur la théorie bien établie selon laquelle les pertes radiatives (production de bremsstrahlung) sont plus fréquentes dans les matériaux à numéro atomique (Z) plus élevé que dans les matériaux à faible Z.

Voir aussi plus de théorie: Interaction du rayonnement bêta avec la matière

Voir aussi calculatrice: Activité bêta au débit de dose