Qu’est-ce que la détection des rayonnements gamma – Détecteur de rayons gamma – Définition

La détection du rayonnement gamma est très spécifique, car les rayons gamma interagissent différemment avec la matière. Détection des rayonnements gamma – Détecteur de rayons gamma

La détection du rayonnement gamma est très spécifique, car les rayons gamma interagissent différemment avec la matière. Les rayons gamma peuvent parcourir des milliers de pieds dans l’air et peuvent facilement traverser divers matériaux. De plus, les rayons gamma peuvent ioniser les atomes indirectement et directement (bien qu’ils soient électriquement neutres) par l’ effet photoélectrique et l’ effet Compton . Mais l’ionisation secondaire (indirecte) est beaucoup plus importante.

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

Interaction du rayonnement gamma avec la matière

Les rayons gamma sont constitués de photons de haute énergie . Ces photons sont des particules / ondes (dualité onde-particule) sans masse au repos ni charge électrique. Ils peuvent parcourir 10 mètres ou plus dans les airs. Il s’agit d’une longue distance par rapport aux particules alpha ou bêta. Cependant, les rayons gamma déposent moins d’énergie le long de leurs trajectoires. Le plomb, l’eau et le béton arrêtent le rayonnement gamma. Les photons (rayons gamma et rayons X) peuvent ioniser les atomes directement par l’effet photoélectrique et l’effet Compton, où l’électron relativement énergétique est produit. L’électron secondaire continuera à produire de multiples événements d’ ionisation , donc l’ionisation secondaire (indirecte) est beaucoup plus importante.

Bien qu’un grand nombre d’interactions possibles soient connues, il existe trois mécanismes d’interaction clés avec la matière.

Le photon est complètement absorbé par l’effet photoélectrique et la production de paires, tandis que seule une énergie partielle est déposée dans une diffusion Compton donnée. La probabilité d’absorption photoélectrique (domine aux énergies de rayons gamma inférieures) par unité de masse est approximativement proportionnelle à:

τ (photoélectrique) = constante x Z N / E 3,5

où Z est le numéro atomique, l’exposant n varie entre 4 et 5. E est l’énergie du photon incident. La probabilité de diffusion Compton par interaction avec un atome augmente linéairement avec le numéro atomique Z, car elle dépend du nombre d’électrons disponibles pour la diffusion dans l’atome cible. La probabilité de production de paires (domine aux énergies de rayons gamma plus élevées), caractérisée par la section efficace, est une fonction très compliquée basée sur la mécanique quantique . En général, la section efficace augmente approximativement avec le carré du nombre atomique (σ ~ Z 2 ) et augmente avec l’énergie des photons, mais cette dépendance est beaucoup plus complexe.

En conséquence, un matériau sensible efficace pour la détection de rayonnement gamma est dans la plupart des cas basé sur l’utilisation de matériaux ayant deux propriétés de matériau suivantes:

  • haute densité de matériau.
  • nombre atomique élevé de matériaux  (matériaux Z élevés)

Détecteurs de rayonnement gamma

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 gamma à l’aide d’une chambre d’ionisation

chambre d'ionisation - principe de base

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 rayonnement gamma à l’aide du compteur Geiger

Détecteur de rayonnement ionisant - Tube Geiger
Détecteur de rayonnement ionisant – Tube Geiger

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 .

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.

Détection de rayonnement gamma à l’aide d’un compteur à scintillation

Scintillation_Counter - Tube photomultiplicateur
Appareil à cristal scintillant, photomultiplicateur et composants d’acquisition de données. Source: wikipedia.org Licence CC BY-SA 3.0

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.

  • Rayons gamma . Les matériaux à haute teneur en Z  conviennent mieux comme scintillateurs pour la détection des rayons gamma. Le matériau de scintillation le plus utilisé est le  NaI (Tl)  (iodure de sodium dopé au thallium). L’iode fournit la plupart du pouvoir d’arrêt dans l’iodure de sodium (car il a un Z élevé = 53). Ces scintillateurs cristallins se caractérisent par une densité élevée, un nombre atomique élevé et des temps de décroissance d’impulsion d’environ 1 microseconde (~ 10 -6 seconde). La scintillation dans les cristaux inorganiques est généralement plus lente que dans les cristaux organiques. Ils présentent une grande efficacité pour la détection des rayons gamma et sont capables de gérer des taux de comptage élevés. Les cristaux inorganiques peuvent être coupés à de petites tailles et disposés dans une configuration en réseau afin de fournir une sensibilité de position. Cette fonction est largement utilisée en imagerie médicale pour détecter les rayons X ou les rayons gamma. Les scintillateurs inorganiques détectent mieux les rayons gamma et les rayons X. Cela est dû à leur densité élevée et à leur numéro atomique qui donne une densité électronique élevée.

Détection de rayonnement gamma à l’aide de semi-conducteurs – Détecteurs HPGe

Détecteur HPGe - Germanium
Détecteur HPGe avec cryostat LN2 Source: canberra.com

Les détecteurs au germanium de haute pureté  ( détecteurs HPGe ) sont la meilleure solution pour une spectroscopie gamma et aux rayons X précise .

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 supérieurs à 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 . Si une  résolution énergétique parfaite  est requise, nous devons utiliser un  détecteur à base de germanium , tel que le  détecteur HPGe. Détecteurs semi – conducteurs à base de germanium sont les plus couramment utilisés où une très bonne résolution d’énergie est nécessaire, en particulier pour  spectroscopie gamma , ainsi que  la spectroscopie par 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.

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