Qu’est-ce que la spectroscopie gamma – Définition

La spectroscopie gamma est l’étude des spectres énergétiques des sources de rayons gamma, comme dans l’industrie nucléaire et la recherche géochimique. Le spectre gamma est caractéristique des nucléides émetteurs gamma contenus dans la source. Dosimétrie des rayonnements

En général, la spectroscopie est la science de l’étude de l’interaction entre la matière et l’énergie rayonnée tandis que la spectrométrie est la méthode utilisée pour acquérir une mesure quantitative du spectre. La spectroscopie (scopie signifie observation ) ne génère aucun résultat. C’est l’approche théorique de la science. La spectrométrie (métrie signifie mesure ) est l’application pratique où les résultats sont générés. Il s’agit de la mesure de l’intensité du rayonnement à l’aide d’un appareil électronique. Ces termes sont souvent utilisés de manière interchangeable, mais chaque spectrométrie n’est pas une spectroscopie (par exemple, spectrométrie de masse vsspectroscopie de masse).

Spectroscopie gamma

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En général, la spectroscopie gamma est l’étude des spectres énergétiques des sources de rayons gamma, comme dans l’industrie nucléaire, la recherche géochimique et l’astrophysique. Les spectroscopes, ou spectromètres, sont des appareils sophistiqués conçus pour mesurer la distribution spectrale de puissance d’une source. Le rayonnement incident génère un signal qui permet de déterminer l’énergie de la particule incidente.

La plupart des sources radioactives produisent des rayons gamma , qui sont de différentes énergies et intensités. Les rayons gamma accompagnent fréquemment  l’émission  de  rayonnement alpha  et  bêta . Lorsque ces émissions sont détectées et analysées avec un système de spectroscopie, un spectre d’énergie gamma peut être produit. Rayons gamma de la désintégration radioactivesont dans la gamme d’énergie de quelques keV à ~ 8 MeV, correspondant aux niveaux d’énergie typiques dans les noyaux avec des durées de vie raisonnablement longues. Comme cela a été écrit, ils sont produits par la désintégration des noyaux lorsqu’ils passent d’un état de haute énergie à un état inférieur. Une analyse détaillée de ce spectre est généralement utilisée pour déterminer l’ identité et la quantité d’émetteurs gamma présents dans un échantillon, et est un outil essentiel dans l’analyse radiométrique. Le spectre gamma est caractéristique des nucléides émetteurs gamma contenus dans la source.

Spectroscopie aux rayons X

La spectroscopie aux rayons X est un terme général pour plusieurs techniques spectroscopiques pour la caractérisation des matériaux en utilisant l’excitation aux rayons X. Lorsqu’un électron de la coquille interne d’un atome est excité par l’énergie d’un photon, il se déplace vers un niveau d’énergie supérieur. Étant donné que le processus laisse une  vacance  dans le niveau d’énergie électronique d’où provient l’électron, les électrons externes de l’atome  descendent  pour remplir les niveaux atomiques inférieurs et un ou plusieurs  rayons X caractéristiques sont généralement émis. En conséquence, des pics d’intensité nets apparaissent dans le spectre à des longueurs d’onde qui sont une caractéristique du matériau à partir duquel la cible anodique est fabriquée. Les fréquences des rayons X caractéristiques peuvent être prédites à partir du modèle de Bohr. L’analyse du spectre d’émission de rayons X produit des résultats qualitatifs sur la composition élémentaire de l’échantillon.

Spectromètre à rayons gamma – Spectroscope à rayons gamma

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 au-dessus de 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. Dans les articles précédents, nous avons décrit la spectroscopie gamma à l’aide d’un détecteur à scintillation, qui se compose d’un cristal scintillateur approprié, d’un tube photomultiplicateur et d’un circuit de mesure de la hauteur des impulsions produites par le photomultiplicateur. Les avantages d’un compteur à scintillation sont son efficacité (grande taille et haute densité) et la haute précision et les taux de comptage possibles. En raison du nombre atomique élevé d’iode, un grand nombre de toutes les interactions entraîneront une absorption complète de l’énergie des rayons gamma, de sorte que la fraction photo sera élevée.

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

Mais si une résolution énergétique parfaite est requise, nous devons utiliser un détecteur à base de germanium , tel que le détecteur HPGe . Les détecteurs à semi-conducteur à base de germanium sont les plus couramment utilisés lorsqu’une très bonne résolution énergétique est requise, en particulier pour la spectroscopie gamma , ainsi que la spectroscopie aux 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.

Structure du spectre gamma – Le spectre Cobalt-60

L’analyse des spectres gamma est très intéressante, car elle a une structure et les travailleurs doivent faire la distinction entre les vraies impulsions à analyser et les impulsions d’accompagnement provenant de différentes sources de rayonnement. Nous montrerons la structure du spectre gamma sur l’exemple du cobalt 60 mesuré par le détecteur à scintillation NaI (Tl) et par le détecteur HPGe. Le détecteur HPGe permet la séparation de nombreuses lignes gamma étroitement espacées, ce qui est très avantageux pour mesurer des sources radioactives émettant plusieurs gamma.

schéma de désintégration du cobalt-60

Le cobalt-60  est un isotope radioactif artificiel du cobalt avec une demi-vie de 5,2747 ans . Il est produit par synthèse par activation neutronique du cobalt 59 dans les réacteurs nucléaires . Le cobalt-60 est une source d’étalonnage courante trouvée dans de nombreux laboratoires. Le spectre gamma a deux pics significatifs , l’un à 1173,2 keV et l’autre à 1332,5 keV . Les bons détecteurs à scintillation doivent avoir une résolution adéquate pour séparer les deux pics. Pour les détecteurs HPGe , ces pics sont parfaitement séparés.

Comme on peut le voir sur la figure, il existe deux photopointes de rayons gamma . Les deux détecteurs montrent également une réponse aux énergies inférieures, causée par la diffusion Compton , deux pics d’échappement plus petits aux énergies 0,511 et 1,022 MeV en dessous du pic photoélectrique pour la création de paires électron-positron lorsqu’un ou les deux photons d’annihilation s’échappent, et un pic de rétrodiffusion . Des énergies plus élevées peuvent être mesurées lorsque deux photons ou plus frappent le détecteur presque simultanément, apparaissant comme des pics de somme avec des énergies jusqu’à la valeur de deux photopointes ou plus ajoutées.

Spectre du détecteur HPGe
Figure: Légende: Comparaison des spectres NaI (Tl) et HPGe pour le cobalt-60. Source: Radioisotopes et méthodologie de rayonnement I, II. Soo Hyun Byun, notes de cours. Université McMaster, Canada.

La structure générale du spectre des rayons gamma présente généralement les principales caractéristiques suivantes :

  • Les photopointes sont des pics de pleine énergie, qui sont créés, lorsque le rayon γ transfère sa pleine énergie ( liaison hω -E ) dans le matériau sensible (cristal à scintillation ou cristal de germanium). Une seule fonction delta doit être observée dans le spectre. Le spectre du cobalt 60 contient deux photopointes, un à 1173,2 keV et un autre à 1332,5 keV.
  • Compton Continuum . Dans le cristal, un rayon gamma subit un certain nombre d’interactions, mais pour les énergies intermédiaires, la diffusion du compton domine. En diffusion de compton, le photon gamma incident est dévié d’un angle Θ par rapport à sa direction d’origine. Le photon transfère une partie de son énergie à l’électron de recul. L’énergie transférée à l’électron de recul peut varier de zéro à une grande fraction (maximum E) de l’énergie incidente des rayons gamma, car tous les angles de diffusion sont possibles. La taille du cristal à scintillation modifie le rapport entre le pic photoélectrique et le continuum Compton. Pour un détecteur sphérique infiniment grand centré autour d’une source, aucun photon ne pourrait s’échapper et seul un pic photoélectrique serait visible sur le spectre. Pour les très petits détecteurs, la chance pour un photon de partir après la diffusion Compton est élevée et le continuum Compton serait grand par rapport au photopeak.
  • Compton Edge . Le bord Compton est une caractéristique du spectrographe qui résulte de la diffusion Compton dans le scintillateur ou le détecteur. Cette caractéristique est due aux photons qui subissent une diffusion Compton avec un angle de diffusion de 180 ° puis s’échappent du détecteur. Lorsqu’un rayon gamma se dissipe du détecteur et s’échappe, seule une fraction de son énergie initiale peut être déposée dans la couche sensible du détecteur. Cela dépend de l’angle de diffusion du photon, de la quantité d’énergie qui sera déposée dans le détecteur. Cela conduit à un spectre d’énergies. L’énergie du bord Compton correspond au photon rétrodiffusé complet  Les dénombrements entre le bord de Compton et les photopics sont causés par de multiples événements de diffusion de Compton, où le photon gamma diffusé sort du matériau sensible.

Parfois, la structure du spectre des rayons gamma présente les caractéristiques secondaires suivantes :

  • Bord Compton de 60Co sur le spectromètre gamma Na (Tl).
    Bord Compton de 60Co sur le spectromètre gamma Na (Tl).

    Pic de rétrodiffusion . Un pic de rétrodiffusion Compton est détecté lorsque les rayons γ pénètrent dans le matériau autour du détecteur et sont diffusés à nouveau dans le détecteur. Le photon gamma peut interagir par le mécanisme de Compton dans le bouclier ou les matériaux environnants et est rétrodiffusé hors d’un matériau dans un volume sensible. L’énergie photonique maximale dans cette interaction est de ~ 200 keV quelle que soit l’énergie photonique initiale. Il en résulte un pic secondaire à -200 keV.

  • Les pics de rayons X . Lorsque les rayons gamma subissent un effet photoélectrique dans les matériaux environnants (par exemple, l’écran de plomb), les rayons X sortants peuvent être capturés à nouveau par le détecteur. Cela donne un pic de rayons X caractéristique avec une énergie en fonction du matériau dont il est issu. En cas de plomb, les énergies des rayons X caractéristiques se situent dans la plage 72-84 keV. Absorption photoélectrique par un électron K-shell en plomb de blindage, résultant en une vacance K-shell. La transition K -> L pour le plomb = 72 keV. Si cette radiographie caractéristique est absorbée dans le cristal, un pic secondaire à 72 keV est observé.
  • Pic de coïncidence Absorption simultanée de deux photons gamma dans le cristal, entraînant un pic d’énergie supérieur au pic photoélectrique. Les photons gamma peuvent résulter de transitions isomères en série (par exemple 2 keV plus 1332,5 keV dans le cas du cobalt-60) ou de désintégrations simultanées dans des radionucléides séparés (par exemple 2 x 1173,2 keV dans le cas du cobalt-60).
  • Pic d’anéantissement . Pour les rayons gamma de haute énergie (supérieurs à 1,02 MeV), la production de paires électron-positon est une interaction possible. Mais un positron peut alors s’annihiler dans le détecteur ou dans le matériau environnant. Si les deux photons d’annihilation de 0,51 MeV sont absorbés dans le cristal, un pic secondaire de 1,02 MeV en dessous du pic photoélectrique peut être trouvé. Si un photon d’annihilation est absorbé et que le second sort du cristal, 0,51 MeV est alors retiré du pic photoélectrique, résultant en un pic secondaire à 0,51 MeV en dessous du pic photoélectrique. La probabilité est plus grande qu’un photon d’annihilation sera absorbé.

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