Qu’est-ce que la détection des rayonnements bêta – Détecteur de particules bêta – Définition

La détection du rayonnement bêta est très spécifique, car les particules bêta sont plus pénétrantes que les particules alpha. En revanche, une fine plaque d’aluminium peut les arrêter. Détection des rayonnements bêta – Détecteur de particules bêta
Compteur Geiger - Rayonnement bêta
Utilisation en laboratoire d’un compteur Geiger avec sonde d’extrémité pour mesurer le rayonnement bêta Source: wikipedia.org Licence: Public Domain

La détection du rayonnement bêta est très spécifique, car les particules bêta sont plus pénétrantes que les particules alpha. En revanche, une fine plaque d’aluminium peut les arrêter.

Afin de décrire les principes de détection du rayonnement bêta, nous devons comprendre l’ interaction du rayonnement avec la matière . Chaque type de particule interagit de manière différente, nous devons donc décrire séparément l’interaction des particules bêta (rayonnement sous forme de flux de ces particules).

Interaction des particules bêta avec la matière

Le rayonnement bêta se compose d’ électrons libres ou de positrons à des vitesses relativistes. Les particules bêta (électrons) sont beaucoup plus petites que les particules alpha. Ils portent une seule charge négative. Ils sont plus pénétrants que les particules alpha, mais une fine plaque d’aluminium peut les arrêter. Ils peuvent parcourir plusieurs mètres dans l’air mais déposent moins d’énergie à n’importe quel point de leur trajet que les particules alpha. De la même manière que pour les particules chargées lourdes, les particules bêta transfèrent l’énergie par:

  • Excitation. La particule chargée peut transférer de l’énergie à l’atome, élevant les électrons à des niveaux d’énergie plus élevés.
  • Ionisation. L’ionisation peut se produire lorsque les particules chargées ont suffisamment d’énergie pour retirer un électron. Il en résulte une création de paires d’ions dans la matière environnante.

En plus de ces interactions, les particules bêta perdent également de l’énergie par un processus radiatif connu sous le nom de bremsstrahlung . D’après la théorie classique, lorsqu’une particule chargée est accélérée ou décélérée, elle doit rayonner de l’énergie et le rayonnement de décélération est connu sous le nom de bremsstrahlung («rayonnement de freinage») .

Résumé des types d’interactions:

La nature de l’interaction d’un rayonnement bêta avec la matière est différente du rayonnement alpha , malgré le fait que les particules bêta soient également des particules chargées. Par rapport aux particules alpha, les particules bêta ont une masse beaucoup plus faible et atteignent principalement des énergies relativistes . 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. Étant donné que les particules bêta atteignent principalement les énergies relativistes, la formule non relativiste de Bethe ne peut pas être utilisée. Pour les électrons de haute énergie, une expression similaire a également été dérivée par Bethedécrire la perte d’énergie spécifique due à l’ excitation et à l’ionisation (les «pertes par collision»).

De plus, les particules bêta peuvent interagir via une interaction électron-nucléaire (diffusion élastique des noyaux), ce qui peut modifier considérablement la direction des particules bêta . Par conséquent, leur chemin n’est pas si simple. Les particules bêta suivent un chemin très zigzag à travers le matériau absorbant, ce chemin de particules résultant est plus long que la pénétration linéaire (plage) dans le matériau.

Détecteurs de rayonnement bêta

Les détecteurs peuvent également être classés en fonction de matériaux et de méthodes sensibles qui peuvent être utilisés pour effectuer une mesure:

Détection de rayonnement bêta à l’aide d’une chambre d’ionisation

chambre d'ionisation - principe de basePour   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 pour produire des paires d’ions à l’intérieur de la chambre.

Détection du rayonnement bêta à l’aide d’un compteur à scintillation

Les compteurs à scintillation  sont utilisés pour mesurer le rayonnement dans une variété d’applications, y compris les appareils de mesure de rayonnement portatifs, la surveillance du personnel et de l’environnement pour la  contamination radioactive , l’imagerie médicale, les tests radiométriques, la sécurité nucléaire et la sécurité des centrales nucléaires. Ils sont largement utilisés car ils peuvent être fabriqués à peu de frais mais avec une bonne efficacité, et peuvent mesurer à la fois l’intensité et l’énergie du rayonnement incident.

Les compteurs à scintillation peuvent être utilisés pour détecter  les rayonnements alpha ,  bêta et  gamma . Ils peuvent également être utilisés pour la  détection de neutrons . À ces fins, différents scintillateurs sont utilisés.

  • Particules bêta . Pour la détection des particules bêta, des scintillateurs organiques peuvent être utilisés. 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. Les scintillateurs organiques , ayant un  Z inférieur à  celui des cristaux inorganiques, sont les mieux adaptés pour la détection de particules bêta de faible énergie (<10 MeV).

Détection de rayonnement bêta à l’aide de semi-conducteurs – Détecteurs à bande de silicium

détecteur de bande de silicium - semi-conducteurs
Détecteur de bande de silicine Source: micronsemiconductor.co.uk

Les détecteurs à base de silicium sont très bons pour suivre les particules chargées. Un détecteur de bande de silicium est un agencement d’implants en forme de bande agissant comme des électrodes de collecte de charge.

Détecteurs à bande de silicone 5 x 5 cm 2dans la zone sont assez courantes et sont utilisées en série (tout comme les plans de MWPC) pour déterminer les trajectoires des particules chargées à des précisions de position de l’ordre de plusieurs μm dans la direction transversale. Placés sur une tranche de silicium totalement appauvrie et faiblement dopée, ces implants forment un réseau unidimensionnel de diodes. En connectant chacune des bandes métallisées à un amplificateur sensible à la charge, un détecteur sensible à la position est construit. Des mesures de position bidimensionnelles peuvent être obtenues en appliquant une bande supplémentaire comme du dopage sur la face arrière de la plaquette en utilisant une technologie double face. De tels dispositifs peuvent être utilisés pour mesurer de petits paramètres d’impact et ainsi déterminer si une particule chargée provient d’une collision primaire ou était le produit de désintégration d’une particule primaire qui a parcouru une petite distance de l’interaction d’origine, puis s’est désintégrée.

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