Qu’est-ce qu’un détecteur à ionisation gazeuse – Détecteur à gaz – Définition

Les détecteurs à ionisation gazeuse sont des instruments de détection de rayonnement utilisés dans les applications de radioprotection pour mesurer le rayonnement ionisant, et également en physique des particules pour détecter la présence de particules ionisantes. Dosimétrie des rayonnements
Détecteur de rayonnement ionisant - Tube Geiger
Détecteur de rayonnement ionisant – Tube Geiger

Les détecteurs à ionisation gazeuse sont des instruments de détection de rayonnement utilisés dans les applications de radioprotection pour mesurer le rayonnement ionisant, et également en physique des particules pour détecter la présence de particules ionisantes. Ces détecteurs sont conçus pour mesurer l’ionisation produite lorsqu’une particule incidente traverse un milieu, ils sont basés sur l’effet ionisant du rayonnement. Pour que le rayonnement ionisant se produise, l’énergie cinétique des particules ( photons, électrons, etc. ) du rayonnement ionisant est suffisante et la particule peut ioniser (pour former des ions en perdant des électrons) des atomes cibles pour former des ions. Un simple rayonnement ionisant peut faire tomber des électrons d’un atome.

Le détecteur d’ionisation gazeuse de base se compose d’une chambre qui est remplie d’un milieu approprié (air ou gaz de remplissage spécial) qui peut être facilement ionisé. Les types de détecteurs les plus utilisés sont basés sur les effets produits lorsqu’une particule chargée passe à travers un gaz. Le support d’exploitation:

  • doit être chimiquement stable (ou inerte) de sorte que les électrons d’ionisation en mouvement ne soient pas facilement capturés par les molécules de ce milieu
  • devrait avoir une faible valeur de potentiel d’ionisation (I) afin de maximiser la quantité d’ionisation produite par énergie déposée par toute particule incidente.
  • ne doit pas être très sensible aux dommages causés par les rayonnements, de sorte que sa réponse aux particules incidentes ne change pas de façon marquée avec l’utilisation

Les gaz typiques utilisés dans les détecteurs sont l’ argon et l’ hélium , bien que le trifluorure de bore  (BF 3 ) soit utilisé lorsque le détecteur doit être utilisé pour mesurer les neutrons. 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, proportionnelles 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. Chambres à ions compensés, BF 3 Les compteurs, les compteurs à fission et les compteurs à recul de protons sont des exemples de détecteurs de neutrons.

Principe de base des détecteurs à ionisation gazeuse

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.

La chambrea une cathode et une anode qui sont maintenues à une certaine tension relative élevée, et le dispositif est caractérisé par une capacité qui est déterminée par la géométrie des électrodes. Lorsque le rayonnement ionisant pénètre dans le gaz entre les électrodes, un nombre fini de paires d’ions se forme. 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. La collecte de ces ions produira une charge sur les électrodes et une impulsion électrique à travers le circuit de détection. 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 104 paires d’ions. Cependant, il s’agit d’un petit signal, ce signal peut être considérablement amplifié à l’aide d’une électronique standard.

Régions de fonctionnement des détecteurs ionisants – 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.

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 que 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.
  • Région de recombinaison. À basse tension, le champ électrique n’est pas suffisamment important pour accélérer les électrons et les ions. Les électrons et les ions peuvent se recombiner peu de temps après leur production, et seule une petite fraction des électrons et des ions produits atteint leurs électrodes respectives. Cependant, à mesure que la tension du détecteur augmente, une fraction de plus en plus importante des ions produits atteindra les électrodes. Cette augmentation se poursuit jusqu’à ce que la tension de « saturation » soit atteinte. La plage de tension de fonctionnement où cela se produit est appelée région de recombinaison . Les détecteurs ne fonctionnent pas dans cette région, car ni le nombre de recombinaisons ni le nombre de paires d’ions initialement produites ne peuvent être déterminés avec précision.
  • 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 proportionnelle limitée . Dans la région proportionnelle limitée, le facteur d’amplification du gaz ne continue pas d’augmenter proportionnellement à la tension. Des ionisations supplémentaires et des effets non linéaires provoquent l’absence de proportionnalité du signal de sortie à l’énergie déposée à une tension appliquée donnée. Le champ électrique dans la chambre est déformé en raison de la concentration élevée en ions positifs. 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. Cette région est généralement évitée en tant que région de détection.
  • 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 la particule de rayonnement incident ne peut pas être distinguée par les compteurs Geiger, car le signal de sortie est indépendant de la quantité et du type d’ionisation d’origine.
  • Région de décharge . Enfin, à des tensions encore plus élevées (au-dessus de la région de Geiger-Mueller), le champ électrique génère une décharge continue du milieu, la chambre n’étant plus sensible à aucune ionisation incidente. Cette région n’est pas utilisée pour la détection ou la mesure des rayonnements ionisants. Si la tension du tube Geiger est augmentée au-dessus de la fin du plateau, le taux de comptage recommence à augmenter rapidement, jusqu’au début de la décharge continue où le tube ne peut pas détecter le rayonnement et peut être endommagé.

Types de détecteurs de rayonnement ionisant

En conséquence, il existe trois types de base de détecteurs à ionisation gazeuse , qui sont classés en fonction de la tension appliquée au détecteur:

  • chambres d’ionisation,
  • compteurs proportionnels,
  • Tubes Geiger-Müller.

Comme avec d’autres détecteurs, les chambres d’ionisation peuvent fonctionner en mode courant ou impulsion. En revanche, les compteurs proportionnels ou les compteurs 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.

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