Qu’est-ce que la chambre d’ionisation – Chambre d’ions – Définition

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. Dosimétrie des rayonnements

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.

Principe de base des chambres d’ionisation

chambre d'ionisation - principe de baseLa 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.

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 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 .

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 un 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 que dans 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 en produisant 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. En règle générale, 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 avérée 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 haute pression, 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 .

(n, alpha) réactions de 10B

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.

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