Qu’est-ce que le spectre gamma – Structure – Caractéristiques – Définition

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 de séparer de nombreuses lignes gamma rapprochées, ce qui est très avantageux pour mesurer des sources radioactives émettant plusieurs gamma.

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 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-positon 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.

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 photopeaks, l’un à 1173,2 keV et l’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 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 de Compton est élevée et le continuum de Compton serait grand par rapport au pic photoélectrique.
• 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 de bord Compton correspond au photon rétrodiffusé complet .  Les dénombrements entre le bord de Compton et les pic photoélectriques sont causés par de multiples événements de diffusion Compton, où le photon gamma diffusé sort du matériau sensible.

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

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  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.