Qu’est-ce que le compteur proportionnel – Détecteur proportionnel – Définition

Le compteur proportionnel, également connu sous le nom de 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. Dosimétrie des rayonnements

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. Les compteurs proportionnels gazeux fonctionnent généralement dans des champs électriques élevés de l’ordre de 10 kV / cm et atteignentfacteurs d’amplification 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.

Détecteurs à ionisation gazeuse - Régions

Il s’agit d’une différence subtile mais importante entre les chambres d’ionisation et les compteurs proportionnels . Une chambre d’ionisation produira un courant proportionnel au nombre d’électrons collectés chaque seconde. Ce courant est moyenné et est utilisé pour piloter une lecture d’affichage en Bq, ou μSv / h. Les compteurs proportionnels ne fonctionnent pas de cette façon. Au lieu de cela, ils amplifient chacune des salves d’ionisation individuelles afin que chaque événement ionisant soit détecté séparément. Ils mesurent donc le nombre d’événements ionisants (c’est pourquoi ils sont appelés compteurs).

Le processus d’amplification de charge améliore considérablement le rapport signal / bruit du détecteur et réduit l’amplification électronique ultérieure requise. 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. Les instruments de détection proportionnelle sont très sensibles aux faibles niveaux de rayonnement. 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 particuleset mesure d’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 grandes produites par les particules alpha des impulsions plus petites produites par les particules bêta ou les rayons gamma .

Alors que les chambres d’ionisation peuvent fonctionner en mode courant ou impulsion, les compteurs proportionnels ou 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.

L’argon et l’hélium sont les gaz de remplissage les plus fréquemment utilisés et permettent la détection des rayonnements alpha, bêta et gamma. Pour la détection des neutrons, He-3 et BF 3 (trifluorure de bore) sont les gaz les plus couramment utilisés. À des fins spéciales, d’autres mélanges de gaz ont été utilisés, comme un mélange de gaz équivalent tissu composé de 64,4% de méthane, 32,4% de dioxyde de carbone et 3,2% d’azote.

Voir aussi: Avantages et inconvénients des compteurs proportionnels

 

Principe de base des compteurs proportionnels

Détecteur de rayonnement ionisant - schéma de base
Les détecteurs de rayonnement ionisant se composent de deux parties qui sont généralement connectées. La première partie est constituée d’un matériau sensible, constitué d’un composé qui subit des changements lorsqu’il est exposé aux rayonnements. L’autre composant est un appareil qui convertit ces changements en signaux mesurables.

Le compteur proportionnel a une cathode et une anode qui sont maintenues à une certaine tension (supérieure à 1000 V), et le dispositif est caractérisé par une capacité qui est déterminée par la géométrie des électrodes. Dans un compteur proportionnel, le gaz de remplissage de la chambre est un gaz inerte qui est ionisé par un rayonnement incident, et un gaz de trempe pour assurer la fin de chaque décharge impulsionnelle; un mélange commun est composé à 90% d’argon, 10% de méthane, appelé P-10.

Lorsque le rayonnement ionisant pénètre dans le gaz entre les électrodes, un nombre fini de paires d’ions se forme. 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 4paire d’ions. 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 extérieur) et les ions négatifs (électrons) migreront vers l’électrode positive (fil central). Le champ électrique dans cette région empêche les ions de se recombiner avec les électrons. À proximité immédiate du fil d’anode, l’intensité du champ devient suffisamment grande pour produire des avalanches de Townsend. Cette région d’avalanche ne se produit qu’à des fractions de millimètre du fil d’anode, lui-même de très petit diamètre. Le but est d’utiliser l’effet multiplicateur de l’avalanche produite par chaque paire d’ions. C’est la région des «avalanches». Un objectif clé de la conception est que chaque événement ionisant d’origine dû au rayonnement incident ne produit qu’une seule avalanche. Les facteurs d’amplification des gaz peuvent aller de l’unité dans la région d’ionisation à 10 3 ou 10 4 dans la région proportionnelle . Le facteur d’amplification élevé du compteur proportionnel est l’avantage majeur par rapport à la chambre d’ionisation.

La collecte de tous ces électrons produira une charge sur les électrodes et une impulsion électrique à travers le circuit de détection. Chaque impulsion correspond à une interaction de rayons gamma ou de particules. La hauteur d’impulsion est proportionnelle au nombre d’électrons d’origine produits. Mais dans ce cas, la hauteur d’impulsion est considérablement amplifiée par le détecteur. Le facteur de proportionnalité dans ce cas est le facteur d’amplification du gaz. Le nombre d’électrons produits est proportionnel à l’énergie de la particule incidente. Par conséquent, les compteurs proportionnels sont capables d’identifier les particules et de mesurer l’énergie (spectroscopie). Différentes énergies de rayonnement et différents types de rayonnement peuvent être distingués en analysant la hauteur d’impulsion, car ils diffèrent considérablement dans l’ionisation primaire (LET faible vs LET élevé).

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.

Trempe – Compteurs proportionnels

Dans un compteur proportionnel, le gaz de remplissage de la chambre est un gaz inerte qui est ionisé par un rayonnement incident, et un gaz de trempe pour assurer la fin de chaque décharge impulsionnelle; un mélange commun est composé à 90% d’argon, 10% de méthane, appelé P-10.

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. Finalement, les ions positifs s’éloignent du fil central chargé positivement vers la paroi chargée négativement et sont neutralisés en gagnant un électron. Dans le processus, une certaine énergie est dégagée, ce qui provoque une ionisation supplémentaire des atomes de gaz. Les électrons produits par cette ionisation se déplacent vers le fil central et se multiplient en route. Cette impulsion de charge n’est pas liée au rayonnement à détecter et peut déclencher une série d’impulsions. Dans la pratique, la fin de l’avalanche est améliorée par l’utilisation de «techniques de trempe ».

Les molécules de gaz d’extinction ont une affinité pour les électrons plus faible que le gaz de chambre; par conséquent, les atomes ionisés du gaz de chambre prennent facilement des électrons des molécules de gaz d’extinction. Ainsi, les molécules ionisées de gaz de trempe atteignent la paroi de la chambre au lieu du gaz de chambre. Les molécules ionisées du gaz de trempe sont neutralisées en obtenant un électron, et l’énergie libérée ne provoque pas d’ionisation supplémentaire, mais provoque la dissociation de la molécule.

Référence spéciale: US Department of Energy, Instrumantation and Control. DOE Fundamentals Handbook, Volume 2 of 2. June 1992.

Détection des rayonnements alpha, bêta et gamma à l’aide d’un compteur proportionnel

Les compteurs proportionnels sous forme de détecteurs plans de grande surface sont largement utilisés pour vérifier la contamination radioactivesur le personnel, les surfaces planes, les outils et les vêtements. Les compteurs proportionnels sont normalement utilisés pour détecter les particules alpha et bêta, et peuvent permettre une discrimination entre eux en fournissant une sortie d’impulsion proportionnelle à l’énergie déposée dans la chambre par chaque particule. Ils ont une efficacité élevée pour la bêta, mais inférieure pour l’alpha. Pour que les particules alpha et bêta soient détectées par des compteurs proportionnels, 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 pour permettre aux particules bêta de faible énergie (par exemple du carbone 14) pour entrer dans le détecteur. La réduction de l’efficacité pour l’alpha est due à l’effet d’atténuation de la fenêtre d’extrémité, bien que la distance de la surface à contrôler ait également un effet significatif, et idéalement une source de rayonnement alpha devrait être inférieure à 10 mm du détecteur en raison de l’atténuation dans l’air.

Les rayons gamma ont très peu de mal à pénétrer les parois métalliques de la chambre. Par conséquent, des compteurs proportionnels peuvent être utilisés pour détecter le rayonnement gamma et les rayons X (tubes à paroi mince) collectivement appelés photons, et pour cela, le tube sans fenêtre est utilisé.

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.

Compteur proportionnel – Spectroscopie

En général, les spectroscopes sont des appareils 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.

Source: wikipedia.org Licence: domaine public

Dans les compteurs proportionnels , le nombre d’électrons produits est proportionnel à l’énergie et au type de particule incidente. Par conséquent, les compteurs proportionnels sont capables d’identifier les particules et de mesurer l’énergie (spectroscopie). Différentes énergies de rayonnement et différents types de rayonnement peuvent être distingués en analysant la hauteur d’impulsion, car ils diffèrent considérablement dans l’ionisation primaire (LET faible vs LET élevé). Des compteurs proportionnels peuvent être utilisés par exemple pour analyser un spectre de radiations alpha ou un spectre de particules bêta. La résolution énergétique d’un compteur proportionnel est cependant limitée car à la fois l’événement d’ionisation initial et l’événement de «  multiplication  » suivant sont soumis à des fluctuations statistiques caractérisées par un écart-type égal à la racine carrée du nombre moyen formé.

Un compteur proportionnel sphérique de grand volume peut être utilisé pour les mesures de neutrons. Le gaz N 2 pur est étudié pour la détection thermique et rapide des neutrons , offrant une nouvelle façon pour la spectroscopie neutronique. Les neutrons sont détectés via les réactions 14 N (n, p) 14 C et 14 N (n, α) 11 B.

Il convient de noter que pour la spectrométrie gamma, les détecteurs les plus courants comprennent les compteurs à scintillation à l’iodure de sodium (NaI) et les détecteurs au germanium de haute pureté.

Chambre proportionnelle multifils – MWPC

Une chambre proportionnelle multifilaire est un type de compteur proportionnel utilisé en particulier en physique des particules à haute énergie pour détecter les particules et les photons chargés et peut fournir des informations de position sur leur trajectoire. Ce dispositif a été développé par Georges Charpak et ses collaborateurs. Cette invention lui a valu le prix Nobel de physique en 1992. La chambre multifilaire utilise un réseau de fils à haute tension (anode), qui traversent une chambre avec des parois conductrices maintenues au potentiel de terre (cathode). Le principe est d’avoir un plan de fils d’anode positionné avec précision, avec des espacements de fils typiques d’environ 2 mm. En calculant les impulsions de tous les fils, la trajectoire des particules peut être trouvée.

Détection de neutrons à l’aide d’un compteur proportionnel

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 compteurs proportionnels sont souvent utilisés comme dispositif de détection de particules chargées. Dans les centrales nucléaires, des compteurs proportionnels remplis de gaz (BF 3 ) sont normalement utilisés comme détecteurs de plage de source. Ces détecteurs utilisent 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. 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.

La sortie du compteur proportionnelle se présente sous la forme d’une impulsion pour chaque événement ionisant; par conséquent, il existe une série d’impulsions aléatoires d’amplitude variable représentant les événements d’ionisation neutronique et gamma. La hauteur d’impulsion peut n’être que de quelques millivolts, ce qui est trop faible pour être utilisé directement sans amplification. Le discriminateur exclut le passage d’impulsions inférieures à un niveau prédéterminé. La fonction du discriminateur est d’exclure le bruit et les impulsions gamma dont l’amplitude est inférieure à celle des impulsions neutroniques.

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