Qu’est-ce que le tube Geiger-Müller – Chambre Geiger – Définition

Un tube Geiger-Müller est un élément clé du compteur Geiger. Le tube Geiger-Müller est l’élément de détection qui détecte le rayonnement. Il existe deux principaux types de construction de tubes Geiger. Dosimétrie des rayonnements
Détecteur de rayonnement ionisant - Tube Geiger
Détecteur de rayonnement ionisant – Tube Geiger

Un compteur Geiger se compose d’un tube Geiger-Müller (l’élément de détection qui détecte le rayonnement) et de l’électronique de traitement, qui affiche le résultat.

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 .

Visualisation de la propagation des avalanches de Townsend au moyen de photons UV. Source: wikpedia.org Licence: CC BY-SA 3.0

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 . 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 produit par ces avalanches de forme et de hauteur indépendamment de l’ionisation primaire et de l’énergie du photon détecté. L’impulsion de tension dans ce cas serait un grand ≈ 1,6 V. facilement détectable. L’avantage technique d’un compteur Geiger est sa simplicité de construction et son insensibilité aux petites fluctuations de tension. Il est très utile pour la mesure générale du rayonnement nucléaire, mais il présente deux inconvénients importants.

  • Détecteurs à ionisation gazeuse - Régions
    Ce diagramme montre le nombre de paires d’ions générées dans le détecteur rempli de gaz, qui varie en fonction de la tension appliquée pour un rayonnement incident constant. Les tensions peuvent varier considérablement en fonction de la géométrie du détecteur et du type et de la pression du gaz. Cette 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. Les particules alpha sont plus ionisantes que les particules bêta et les rayons gamma, donc plus de courant est produit dans la région de la chambre ionique par alpha que bêta et gamma, mais les particules ne peuvent pas être différenciées. Plus de courant est produit dans la région de comptage proportionnel par les particules alpha que bêta, mais par la nature du comptage proportionnel, il est possible de différencier les impulsions alpha, bêta et gamma. Dans la région de Geiger, il n’y a pas de différenciation alpha et bêta, car tout événement d’ionisation unique dans le gaz entraîne la même sortie de courant.

    Étant donné que la hauteur d’impulsion est indépendante du type et de l’énergie du rayonnement, la discrimination n’est pas possible. Il n’y a aucune information sur la nature de l’ionisation à l’origine du pouls.

  • En raison de la grande avalanche induite par toute ionisation, un compteur Geiger met longtemps (environ 1 ms) à récupérer entre les impulsions successives. Par conséquent, les compteurs Geiger ne sont pas en mesure de mesurer des taux de rayonnement élevés en raison du « temps mort » du tube.

Il existe une différence subtile mais importante entre les chambres d’ionisation et les compteurs Geiger . Une chambre d’ionisation produira un courant proportionnel au nombre d’électrons collectés chaque seconde (aucune amplification ne se produit). Ce courant est moyenné et est utilisé pour piloter une lecture d’affichage en Bq, ou μSv / h. Les compteurs proportionnels et Geiger ne fonctionnent pas de cette manière. 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). Alors que les chambres d’ionisation peuvent fonctionner en mode courant ou impulsion, les compteurs proportionnels ou les compteurs Geiger sont presque toujours utilisés dansmode d’impulsion . Contrairement aux compteurs proportionnels, les compteurs GM sont principalement utilisés pour l’ instrumentation portable en raison de sa sensibilité, de son circuit de comptage simple et de sa capacité à détecter un rayonnement de faible niveau.

Région Geiger-Mueller

Visualisation de la propagation des avalanches de Townsend au moyen de photons UV. Source: wikpedia.org Licence: CC BY-SA 3.0

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.

Principe de base des compteurs Geiger

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 Geiger a une cathode et une anode qui sont maintenues à haute tension, et le dispositif est caractérisé par une capacité qui est déterminée par la géométrie des électrodes. Dans un compteur Geiger, le gaz de remplissage de la chambre est un gaz inerte qui est ionisé par un rayonnement incident et un gaz de trempe de 5 à 10% d’une vapeur organique ou d’un gaz halogène pour empêcher les impulsions parasites en éteignant les avalanches d’électrons.

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. 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 produit par ces avalanches de forme et de hauteur indépendamment de l’ionisation primaire et de l’énergie du photon détecté. 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.

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 techniques de «trempe» .

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 rayons gamma ou neutrons. La hauteur d’impulsion n’est pas proportionnelle au nombre d’électrons d’origine produits. Par conséquent, les compteurs Geiger ne sont pas capables d’identifier les particules et de mesurer l’énergie (spectroscopie). Étant donné que le processus d’amplification de charge améliore considérablement le rapport signal / bruit du détecteur, l’amplification électronique ultérieure n’est généralement pas requise.

Trempe – Temps mort – Compteurs Geiger

Temps mort - Détecteur - Paralysable - Non paralysableDans un compteur Geiger, le gaz de remplissage de la chambre est un gaz inerte qui est ionisé par un rayonnement incident et un gaz de trempe de 5 à 10% d’une vapeur organique ou d’un gaz halogène pour empêcher les impulsions parasites en éteignant les avalanches d’électrons. Le compteur Geiger ne doit pas émettre d’impulsions parasites et doit revenir rapidement à l’état passif, prêt pour le prochain événement de rayonnement. 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.

Cependant, 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. Ces atomes retournent ensuite à leur état fondamental en émettant des photons qui à leur tour produisent une ionisation supplémentaire et donc des décharges secondaires parasites. 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 gagnant un électron, et l’énergie libérée ne provoque pas d’ionisation supplémentaire, mais provoque la dissociation de la molécule. Ce type de trempe est appelé  auto-trempe  ou  trempe interne , car les tubes arrêtent la décharge sans aide extérieure.

Pour les compteurs Geiger, la trempe externe, parfois appelée « trempe active » ou « trempe électronique », est également une possibilité. La trempe électronique utilise une électronique de contrôle à grande vitesse simpliste pour éliminer et réappliquer rapidement la haute tension entre les électrodes pendant un temps fixe après chaque pic de décharge afin d’augmenter le taux de comptage maximal et la durée de vie du tube.

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

Types de tubes Geiger-Mueller

Les compteurs Geiger sont principalement utilisés pour l’ instrumentation portable en raison de sa sensibilité, de son circuit de comptage simple et de sa capacité à détecter les rayonnements de faible intensité. Bien que l’utilisation principale des compteurs Geiger soit probablement dans la détection de particules individuelles, ils se trouvent également dans les compteurs gamma. Ils sont capables de détecter presque tous les types de rayonnement, mais il existe de légères différences dans le tube Geiger-Mueller. Cependant, le tube Geiger-Müller produit une sortie d’impulsion qui est de la même amplitude pour tous les rayonnements détectés, donc un compteur Geiger avec un tube de fenêtre d’extrémité ne peut pas faire la distinction entre les particules alpha et bêta.

Il existe deux principaux types de construction de tubes Geiger :

  • Type de fenêtre d’extrémité . Pour que les particules alpha et bêta soient détectées par les compteurs Geiger, elles doivent être dotées 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 2pour permettre aux particules bêta de faible énergie (par exemple du carbone 14) d’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.
  • Type sans fenêtre . Les rayons gamma ont très peu de mal à pénétrer les parois métalliques de la chambre. Par conséquent, les compteurs Geiger 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.
    • Un tube à paroi épaisse est utilisé pour la détection de rayonnement gamma au-dessus d’énergies d’environ 25 KeV, ce type a généralement une épaisseur de paroi globale d’environ 1 à 2 mm d’acier au chrome.
    • Un tube à paroi mince est utilisé pour les photons de basse énergie (rayons X ou rayons gamma) et les particules bêta de haute énergie. La transition de la conception à parois minces aux parois épaisses se fait aux niveaux d’énergie de 300 à 400 keV. Au-dessus de ces niveaux, des conceptions à parois épaisses sont utilisées, et en dessous de ces niveaux, l’effet d’ionisation directe des gaz est prédominant.

Parfois, une conception en «crêpe» du tube Geiger-Mueller est préférée. Ce détecteur est un tube Geiger plat avec une fine fenêtre en mica de plus grande surface. Les tubes plats Geiger comme celui-ci sont appelés tubes à «crêpes». Ces tubes sont équipés d’un écran métallique pour les protéger. Cette conception offre une zone de détection plus grande et donc une efficacité plus élevée pour rendre la vérification plus rapide. Cependant, la pression de l’atmosphère contre la basse pression du gaz de remplissage limite la taille de la fenêtre en raison de la résistance limitée de la membrane de la fenêtre.

Détection de neutrons à l’aide du compteur Geiger

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.).

Ce n’est pas courant, mais les compteurs Geiger peuvent également être utilisés pour la détection de neutrons. Dans ce cas, le tube Geiger-Mueller doit avoir l’intérieur du tube recouvert de bore, ou le tube doit contenir du trifluorure de bore (BF 3 ) ou de l’hélium-3 comme gaz de remplissage.

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