Qu’est-ce que la chambre d’ionisation et le compteur proportionnel – Définition

En général, la chambre d’ionisation ainsi que le compteur proportionnel sont des types de détecteurs à ionisation gazeuse. Les chambres d’ionisation peuvent fonctionner en mode courant ou impulsion. En revanche, les compteurs proportionnels sont presque toujours utilisés en mode impulsion. Dosimétrie des rayonnements

En général, la chambre d’ionisation ainsi que le compteur proportionnel sont des types de  détecteurs à ionisation gazeuse. Ceux-ci peuvent être classés en fonction de la tension appliquée au détecteur:

Comme avec d’autres détecteurs, 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.

Chambre 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 Système d’Instrumentation Nucléaire (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 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.

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. Dans la pratique, la fin de l’avalanche est améliorée par l’utilisation de techniques de « trempe ».
Détecteurs à ionisation gazeuse - Régions
Ce diagramme montre le nombre de paires d’ions générées dans le détecteur rempli de gaz, qui varie en fonction de la tension appliquée pour un rayonnement incident constant. Les tensions peuvent varier considérablement en fonction de la géométrie du détecteur et du type et de la pression du gaz. Cette 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. 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 ionique par alpha que bêta et gamma, mais les particules ne peuvent pas être différenciées. Plus de courant est produit dans la région de comptage proportionnel par les particules alpha que bêta, mais par la nature du comptage proportionnel, il est possible de différencier les impulsions alpha, bêta et gamma. Dans la région de Geiger, il n’y a pas de différenciation alpha et bêta, car tout événement d’ionisation unique dans le gaz entraîne la même sortie de courant.

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