Détecteurs d’ionisation gazeuse
Les détecteurs à ionisation gazeuse sont largement utilisés dans les centrales nucléaires, pour la plupart, pour mesurer les particules alpha et bêta , les neutrons et les rayons gamma . Les détecteurs fonctionnent dans les régions d’ionisation, proportionnelle et Geiger-Mueller avec un arrangement le plus sensible au type de rayonnement mesuré. Les détecteurs de neutrons utilisent des chambres d’ionisation ou des compteurs proportionnels de conception appropriée. Les chambres à ions compensés, lescompteursBF 3 , les compteurs à fission et les compteurs à recul de protons sont des exemples de détecteurs de neutrons.
Avantages et inconvénients en fonction de la tension du détecteur
La relation entre la tension appliquée et la hauteur d’impulsion dans un détecteur est très complexe. La hauteur d’impulsion et le nombre de paires d’ions collectées sont directement liés. Comme cela a été écrit, les tensions peuvent varier considérablement en fonction de la géométrie du détecteur et du type et de la pression du gaz. La 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. Ces exigences sont présentées ci-dessous. La courbe alpha est plus élevée que la courbe bêta et gamma de la région de recombinaison à une partie de la région de proportionnalité limitée en raison du plus grand nombre de paires d’ions produites par la réaction initiale du rayonnement incident.
- Région d’ionisation . Dans la région d’ionisation, une augmentation de la tension n’entraîne pas une augmentation substantielle du nombre de paires d’ions collectées. Le nombre de paires d’ions collectées par les électrodes est égal au nombre de paires d’ions produites par le rayonnement incident, et dépend du type et de l’énergie des particules ou des rayons dans le rayonnement incident. Par conséquent, dans cette région, la courbe est plate. La tension doit être supérieure au point où les paires d’ions dissociées peuvent se recombiner. En revanche, la tension n’est pas suffisamment élevée pour produire une amplification gazeuse (ionisation secondaire). 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. Leur courant est indépendant de la tension appliquée et ils sontpréféré pour les débits de dose de rayonnement élevés car ils n’ont pas de «temps mort», un phénomène qui affecte la précision du tube Geiger-Mueller à des débits de dose élevés.
- Région proportionnelle . Dans la région proportionnelle, la charge collectée augmente avec une nouvelle augmentation de la tension du détecteur, tandis que le nombre de paires d’ions primaires reste inchangé. L’augmentation de la tension fournit aux électrons primaires une accélération et une énergie suffisantes pour qu’ils puissent ioniser des atomes supplémentaires du milieu. Ces ions secondaires formés sont également accélérés, provoquant un effet connu sous le nom d’ avalanches de Townsend , qui crée une seule impulsion électrique importante. Même s’il y a un grand nombre d’ions secondaires (environ 10 3 – 10 5 ) pour chaque événement primaire, la chambre fonctionne toujours de telle sorte que le nombre d’ions secondaires est proportionnelau nombre d’événements principaux. C’est très important, car l’ionisation primaire dépend du type et de l’énergie des particules ou des rayons dans le champ de rayonnement intercepté. Le nombre de paires d’ions collectées divisé par le nombre de paires d’ions produites par l’ionisation primaire fournit le facteur d’amplification du gaz (noté A). L’amplification des gaz qui se produit dans cette région peut augmenter la quantité totale d’ionisation à une valeur mesurable. 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. De plus, 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.
- Région de Geiger-Mueller . Dans la région de Geiger-Mueller, la tension et donc le champ électrique sont si forts que des avalanches secondaires peuvent se produire. Ces avalanches peuvent être déclenchées et propagées par des photons émis par des atomes excités dans l’avalanche d’origine. Étant donné que ces photons ne sont pas affectés par le champ électrique, ils peuvent interagir loin (par exemple latéralement à l’axe) de l’avalanche primaire, l’ensemble du tube Geiger participe au processus. Un signal fort (le facteur d’amplification peut atteindre environ 10 10) est produite par ces avalanches de forme et de hauteur indépendamment de l’ionisation primaire et de l’énergie du photon détecté. Les détecteurs, qui fonctionnent dans la région de Geiger-Mueller, sont capables de détecter les rayons gamma, ainsi que tous les types de particules chargées qui peuvent pénétrer dans le détecteur. Ces détecteurs sont appelés compteurs Geiger . Le principal avantage de ces instruments est qu’ils ne nécessitent généralement aucun amplificateur de signal. Étant donné que les ions positifs ne se déplacent pas loin de la région d’avalanche, un nuage d’ions chargé positivement perturbe le champ électrique et met fin au processus d’avalanche. Dans la pratique, la fin de l’avalanche est améliorée par l’utilisation de « trempe”Techniques. Contrairement aux compteurs proportionnels, l’énergie ou même les particules de rayonnement incidentes ne peuvent pas être distinguées par les compteurs Geiger, car le signal de sortie est indépendant de la quantité et du type d’ionisation d’origine.
Détecteurs semi-conducteurs
Un détecteur à semi-conducteur est un détecteur de rayonnement qui est basé sur un semi – conducteur , tel que le silicium ou le germanium pour mesurer l’effet des particules chargées ou des photons chargés. Les détecteurs à semi-conducteur sont largement utilisés dans la radioprotection , le dosage des matériaux radioactifs et la recherche en physique car ils ont des caractéristiques uniques, 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. Ces détecteurs sont utilisés pour mesurer l’énergie du rayonnement et pour l’identification des particules. Parmi les matériaux semi-conducteurs disponibles, le silicium est principalement utilisé pour détecteurs de particules chargées (en particulier pour le suivi des particules chargées) et détecteurs de rayons X mous tandis que le germanium est largement utilisé pour la spectroscopie des rayons gamma . Un semi-conducteur grand, propre et presque parfait est idéal comme compteur de radioactivité . Cependant, il est difficile de fabriquer de gros cristaux avec une pureté suffisante. Les détecteurs à semi-conducteurs ont donc une faible efficacité, mais ils donnent une mesure très précise de l’énergie. Les détecteurs à semi-conducteurs, en particulier les détecteurs à base de germanium , sont les plus couramment utilisés lorsqu’une très bonne résolution énergétique est requise. Afin d’atteindre une efficacité maximale, les détecteurs doivent fonctionner aux très basses températures de l’azote liquide (-196 ° C). Par conséquent, l’inconvénient est que les détecteurs à semi-conducteur sont beaucoup plus chers que les autres détecteurs et nécessitent un refroidissement sophistiqué pour réduire les courants de fuite (bruit).
Avantages des détecteurs HPGe
- Numéro atomique supérieur. 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.
- 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.
- Très bonne résolution énergétique . Le FWHM 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.
- Grands cristaux . Alors que les détecteurs à base de silicium ne peuvent pas être plus épais que quelques millimètres, le germanium peut avoir une épaisseur sensible et épuisée de quelques centimètres, et peut donc être utilisé comme détecteur d’absorption totale pour les rayons gamma jusqu’à quelques MeV.
Inconvénients des détecteurs HPGe
- Refroidissement . L’inconvénient majeur des détecteurs HPGe est qu’ils doivent être refroidis à des températures d’azote liquide. Le germanium ayant une bande interdite relativement faible , ces détecteurs doivent être refroidis afin de réduire la génération thermique des porteurs de charge à un niveau acceptable. Sinon, le bruit induit par le courant de fuite détruit la résolution énergétique du détecteur. Rappelons que la bande interdite (une distance entre la valence et la bande de conduction ) est très faible pour le germanium (Egap = 0,67 eV). Le refroidissement à la température de l’azote liquide (-195,8 ° C; -320 ° F) réduit les excitations thermiques des électrons de valence de sorte que seule une interaction des rayons gamma peut donner à un électron l’énergie nécessaire pour traverser la bande interdite et atteindre la bande de conduction.
- Prix . L’inconvénient est que les détecteurs au germanium sont beaucoup plus chers que les chambres d’ionisation ou les compteurs à scintillation .
Avantages des détecteurs de silicium
- Par rapport aux détecteurs à ionisation gazeuse, la densité d’un détecteur à semi-conducteur est très élevée et les particules chargées de haute énergie peuvent dégager leur énergie dans un semi-conducteur de dimensions relativement petites.
- Le silicium a une densité élevée de 2,329 g / cm 3 et, par conséquent, la perte d’énergie moyenne par unité de longueur permet de construire des détecteurs minces (par exemple 300 µm) qui produisent toujours des signaux mesurables. Par exemple, en cas de particules ionisantes minimales (MIP), la perte d’énergie est de 390 eV / µm. Les détecteurs au silicium sont mécaniquement rigides et donc aucune structure de support spéciale n’est nécessaire.
- Les détecteurs à base de silicium sont très bons pour suivre les particules chargées, ils constituent une partie substantielle du système de détection du LHC au CERN.
- Les détecteurs au silicium peuvent être utilisés dans des champs magnétiques puissants.
Inconvénients des détecteurs au silicium
- Prix . L’inconvénient est que les détecteurs au silicium sont beaucoup plus chers que les chambres à brouillard ou les chambres à fil.
- Dégradation . Ils subissent également une dégradation au fil du temps des rayonnements, mais celle-ci peut être considérablement réduite grâce à l’effet Lazare.
- FWHM élevé . 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.
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