B7 · Rayonnements ionisants
Détection et mesure des rayonnements ionisants
Décrire les phénomènes physiques exploités par les détecteurs à gaz et à scintillation et l'organisation d'une chaîne de mesure. Analyser efficacité de détection, géométrie, temps mort, bruit de fond et fluctuations statistiques du comptage.
Biophysique7 min de lecture17 QCM corrigés
Principe d'une détection
Le rayonnement n'est pas observé directement. Il interagit d'abord avec la matière du détecteur et y produit des ionisations ou des excitations. Le signal recueilli dépend donc à la fois du rayonnement incident, de la probabilité d'interaction et du fonctionnement du détecteur.
Les mécanismes microscopiques d'interaction des photons et des particules avec la matière sont étudiés dans les fiches précédentes ; ici, seule leur conversion en signal mesurable est considérée.
Deux modes de mesure sont possibles :
- le mode courant mesure une charge moyenne ou un courant produit par de nombreux événements ;
- le mode impulsionnel associe à chaque interaction détectée une impulsion électrique, qui peut être comptée et éventuellement analysée selon son amplitude.
Un coup n'est donc pas nécessairement égal à une particule émise : certaines particules ne rencontrent pas le détecteur, ne déposent pas assez d'énergie ou produisent un signal rejeté par l'électronique.
Détecteurs à gaz
Création et collecte des charges
Un détecteur à gaz comporte un volume gazeux entre deux électrodes soumises à une différence de potentiel. Le rayonnement y crée des paires constituées d'un électron libre et d'un ion positif. Sous l'effet du champ électrique, les électrons migrent vers l'anode et les ions positifs vers la cathode.
Les collisions étant aléatoires, deux dépôts d'énergie identiques ne produisent pas exactement le même nombre de paires. Cette fluctuation limite la précision avec laquelle l'énergie peut être mesurée.
Influence de la tension
À faible tension, une partie des charges se recombine avant d'atteindre les électrodes. Lorsque la tension augmente, la collecte devient complète. À tension plus élevée, les électrons acquièrent entre deux collisions une énergie suffisante pour ioniser à leur tour le gaz : une avalanche électronique apparaît.
Selon la tension appliquée, plusieurs régimes de fonctionnement sont obtenus.
Dans le compteur Geiger-Müller, la décharge se propage largement dans le gaz. Elle doit être interrompue par un mécanisme d'extinction, obtenu par le mélange gazeux et le circuit électrique. Après chaque décharge, le détecteur reste temporairement incapable d'enregistrer correctement un nouvel événement.
Détecteurs à scintillation
Conversion de l'énergie en lumière
Dans un scintillateur, l'énergie déposée excite les constituants du matériau. Leur retour vers un état d'énergie plus faible produit des photons. Le nombre moyen de photons émis augmente généralement avec l'énergie déposée, ce qui permet une mesure spectrométrique si la proportionnalité est suffisamment bonne.
Les scintillateurs peuvent être :
- inorganiques, souvent denses et favorables à l'arrêt des photons énergétiques ;
- organiques, généralement caractérisés par une émission très rapide.
La lumière produite subit toutefois des pertes par absorption, réflexion imparfaite ou mauvaise collection. La transparence, le rendement lumineux et la durée de scintillation influencent donc les performances.
Conversion de la lumière en signal électrique
La lumière est dirigée vers un photodétecteur. Dans un photomultiplicateur, les photons libèrent des électrons au niveau d'une photocathode. Ces électrons sont accélérés vers une succession de dynodes, chacune émettant plusieurs électrons secondaires. Cette cascade fournit une forte amplification.
La charge finale de l'impulsion dépend successivement :
- de l'énergie déposée dans le scintillateur ;
- du nombre de photons lumineux produits ;
- de la fraction de lumière collectée ;
- du nombre de photoélectrons émis ;
- du gain du photomultiplicateur.
Toute fluctuation à l'une de ces étapes dégrade la résolution en énergie, c'est-à-dire la capacité à distinguer deux dépôts d'énergie proches.
Organisation de la chaîne de mesure
Un compteur totalise les impulsions acceptées. Un analyseur multicanal répartit les impulsions dans des canaux selon leur amplitude, laquelle peut être reliée à l'énergie après étalonnage. Le discriminateur évite de compter une partie du bruit électronique, mais un seuil trop élevé rejette aussi des événements physiques.
Efficacité et géométrie de détection
L'efficacité absolue combine deux facteurs :
- l'efficacité géométrique, probabilité que le rayonnement atteigne le détecteur ;
- l'efficacité intrinsèque, probabilité qu'un rayonnement atteignant le détecteur produise un signal accepté.
La géométrie dépend de la distance, de l'orientation, de la surface sensible et de l'interposition éventuelle de matière. L'efficacité intrinsèque dépend notamment de la nature et de l'épaisseur du milieu sensible, de l'énergie du rayonnement et du seuil électronique.
Temps mort et pertes de comptage
Dans un système non paralysable, les événements arrivant pendant le temps mort sont perdus sans prolonger celui-ci. Dans un système paralysable, chaque nouvel événement survenant pendant l'indisponibilité recommence une période de temps mort.
À faible taux, la correction est limitée. Lorsque le taux augmente, les pertes deviennent importantes. Un système paralysable peut même voir son taux mesuré diminuer si les événements deviennent si rapprochés qu'ils maintiennent continuellement l'appareil indisponible.
Bruit de fond et fluctuations statistiques
Il peut provenir du rayonnement naturel, de sources environnantes, de contaminations, des matériaux du détecteur ou du bruit électronique. Il doit être mesuré dans des conditions aussi proches que possible de celles de la mesure totale, puis soustrait après normalisation par les durées d'acquisition.
Pour des événements indépendants survenant à taux constant, le nombre de coups suit une loi de Poisson.
L'incertitude absolue augmente avec le comptage, mais l'incertitude relative diminue. Augmenter la durée d'acquisition améliore donc la précision relative, sans supprimer les erreurs systématiques liées à l'étalonnage, à l'efficacité ou à la géométrie.
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