Chambre à ionisation

La chambre à ionisation
équipe 35
Julien TAVERNIER ; Youcef LACREMI et Morgane RUCKL .
Table des matières
Introduction
I-La matière
II-Histoire de la radioactivité
III-La chambre à ionisation
IV-Conclusion
Remerciements
Nous sommes trois élèves du CLE (Collège Lycée Expérimental) à Hérouville Saint
Clair. Par conséquent nous sommes près du GANIL. Le GANIL est le Grand
Accélérateur National d’Ions Lourds qui est situé entre Hérouville et Caen.Cela fait deux
années que nous avons commencé ce projet. Le projet consiste à reproduire une
chambre à ionisation avec peu de moyens.
Notre thématique :
« Comment détecter les particules élémentaires avec cette chambre? »
Pour vous répondre, nous allons vous présenter 4 parties:
I-La matière
II-Histoire de la radioactivité
III-La chambre à ionisation
IV-Conclusion
I- La matière
Les particules élémentaires sont les particules qui ne sont pas sécables.
Les physiciens les classent en deux catégories :
- Les fermions ou particules de matière.
- Les bosons qui sont les particules supports des interactions élémentaires.
Il existe quatre types de particules élémentaires de matières :
- L'électron
- Le neutrino électrique
- Le quark up
- Le quark down
Il existe une interaction qui affecte toutes les catégories de fermions connues, à
commencer par les électrons, les quarks et les neutrinos, cette interaction est
l'interaction faible ( aussi appelée force faible et parfois force nucléaire faible ). C'est
l'une des quatre interactions fondamentales de la nature. Elle est responsable de la
désintégration radioactive de particules subatomiques et est à l'origine de la fusion
nucléaire dans les étoiles. Elles se mesurent en Newton comme toutes les interactions .
L’interaction forte, ( ou force nucléaire forte ) assure la cohésion du noyau en faisant
fortement s'attirer les nucléons. Elle ne s'exerce qu'à des distances très courtes,
quelques diamètres de noyaux. À distance égale, elle est 100 à 1 000 fois plus intense
que l'interaction électromagnétique.
La gravitation électromagnétique se manifeste sous deux formes, la force électrique et
la force magnétique. La première régit les phénomènes électriques comme la foudre ,
les cheveux qui se dressent sur la tête quand il y a de l'électricité dans l'air , et la
deuxième régit les phénomènes magnétiques comme la boussole, les électroaimants,
etc... La force magnétique est un effet provenant du mouvement des charges
électriques, ainsi une boussole est perturbée par les éclairs d'un orage. Cette interaction
fait se repousser deux charges électriques de même signe ( un électron et un noyau ).
La gravitation, responsable de l'attraction des masses, explique la pesanteur et le
mouvement des corps célestes. Elle varie avec la distance suivant la même loi que la
force électromagnétique. C'est de très loin la force la plus faible des quatre : 10 à 40 fois
plus faible que la force électromagnétique ! Pourtant c'est celle que nous ressentons le
plus : quand on tombe de haut, on se fait mal ! Car la masse qui nous attire est
gigantesque, c'est celle de la Terre.
Les
photons,
les
particules
de
lumière,
sont
les
supports
de
l'interaction
électromagnétique. Les particules vecteurs de l'interaction faible sont les bosons W+ ,Wet Z. Les particules vecteurs de l'interaction forte sont appelés gluons (leur étude relève
de la chromodynamique quantique).
Les particules vecteurs de la gravitation (gravitons) n'ont à ce jour pas (encore) été
découvertes mais leur existence est fortement réduite par la théorie.
Les théories utilisées en physique des particules se nomment la Théorie Quantique des
Champs, avec les résultats expérimentaux, elle forme le Modèle Standard de la
physique des particules.
Le boson de Higgs donne leur masse aux autres particules élémentaires.
II-Le nucléaire et son histoire
La radioactivité est un phénomène physique naturel, au cours duquel des noyaux
atomiques instables se transforment en dégageant de l’énergie sous forme de rayons
pour devenir stable. La radioactivité a été découverte en 1896, par un professeur
prussien, directeur de l'Institut de physique de Würzburg, Monsieur Wilhelm Roentgen.
Le 8 novembre 1895, il recouvre d’un carton noir un appareil qu’il se servait pour étudier
des phénomènes électriques. Il vit qu’un écran placé a côté est devenu fluorescent.
En faisant passer sa main derrière l’écran il vit l’ombre de ses os.
Il répéta cette expérience pendant le mois de décembre c'est à la fin de ce mois qu’il
publie un court article sur un rayonnement mystérieux.
Vite appelé « rayon X »Henri Becquerel décide la possible qu’une relation existe entre le
phénomène de fluorescence des sels d’uranium et ces rayons X. Becquerel sort donc
ses sels d'uranium au soleil. Puis les place contre des plaques photo recouvertes d'un
carton noir. Le développement des plaques lui montre alors que les sels d'uranium ont
émis des rayons radioactifs. La semaine suivante, le ciel est couvert sur Paris.
Impossible d'exposer les sels d'uranium. Becquerel range donc son uranium et ses
plaques photographiques protégées de papier noir dans un tiroir, le soleil ne se montre
pas pendant plusieurs jours. Et les plaques restent dans le tiroir pendant plusieurs jours.
Finalement, Henri Becquerel décide de développer ces plaques vierges qu'il n'avait pas
exposées aux sels d'uranium fluorescents. Stupéfait, il constate que les plaques sont
impressionnées. Un nouveau type de rayonnement émis par l'uranium non fluorescent
est passe au travers du papier noir. L'ombre de la croix de cuivre que Becquerel avait
placée entre l'uranium et les plaques est visible: le nouveau rayonnement ne l'ont pas
traversée. Cependant Marie Curie poursuit ses recherches et confirme ce phénomène
de radioactivité. Elle obtient donc un prix Nobel de physique pour la découverte du
rayonnement radioactif qu’elle se sépare avec Becquerel. Particules élémentaires.
III-La chambre a ionisation
La théorie de Bragg-Gray selon laquelle une ionisation produite dans une cavité remplie
de gaz qui est placée dans un milieu est liée à l'énergie absorbée dans ce milieu
environnant, permet la conception des chambres à ionisations.Une chambre à
ionisations est un détecteur de particules, elle repère le passage d'une particule dans un
milieu gazeux en mesurant la charge totale des électrons d'ions produit lors de
l'ionisation du milieu par la particule. La particule étant suffisamment chargée, donc elle
va arracher les électrons des atomes du milieu, ce phénomène se nomme la ionisation.
Pour empêcher les électrons et les ions de se recombinés, il est nécessaire de placer un
champ électrique, pour se faire les parois de la chambre servent de cathode (négatif) et
la tige au centre sert d'anode (positif). Les électrons vont se diriger vers l'anode et les
ions vont se diriger vers la cathode, cela va produire une tension. Cette tension étant
assez faible il est nécessaire d'avoir un amplificateur pour pouvoir mesurer cette
tension.Le projet a commencé l’année dernière dans le cadre de l’atelier clelab. Un
atelier est une heure et demie par semaine d’un apprentissage autre que les temps de
classe habituel.Nous avons commencé à deux. Notre professeur de physique nous a
donné des documents permettant de comprendre et d’analyser le fonctionnement de
cette chambre a ionisation.
Après avoir pris connaissance du schéma ci-contre. Nous avons testé le montage sur
une boite métallique de poudre de lait pour bébé.
Comme on le voit sur le schéma il y a une pile de 9V, une résistance d’un KΩ, d’un
multimètre utilisé en voltmètre la fameuse boite et deux transistors en parallèle. Ce
montage permet de multiplier le courant par la puissance de multiplication du transistor
au carré En approchant une source radioactive de césium 137, nous nous rendîmes
compte qu’aucune tension n n’avait été détectée. De cet échec nous avons eu deux
hypothèses :
1. La rouille dus à l’abandon de la boite pendant les vacances d’été empêchait la
bonne circulation du courant dans le capteur.
2. Le fait que la boite est un diamètre assez conséquent pour ne pas provoquer
de champ de force assez conséquent pour permettre aux électrons de rejoindre
le fil de fer situé à l’intérieur de la boite.
De ce fait nous acheté un bouteille de coca Qui était a peut prés 3 fois plus petite .Et
encore une fois ce fut un échec .Au début nous pension que nous avions réussi mais la
variation de la tensions était dus aux interférences dans la pièce. Nous avons vu sa
grâce à un oscilloscope : la présence de la source n affluait pas sur la courbe. Notre 1 ère
participation aux olympiades de la physique nous a stoppés dans notre avancée
pendant quelque temps. Après avoir était éliminés aux portes de la finale. Quand nous
sommes rentrés des olympiades nous avons émis une fois encore des hypothèses sur
le dysfonctionnement de la boite :
1.Les transistors en série ne multiplient pas assez le courant
2.Il n y a pas assez de tension pour que cela marche
3.La source radioactive serait inactive ou trop faible
4.les interférences sont trop fortes pour capter une valeur
Dès notre retour malgré certaine séances passé sur le détecteur de muon prêté par
« science à l’école » nous avons échanger nos transistors d’origine contre des
transistors Darlington. Car nous avons appris que le montage en parallèle marche mal
ou pas du tout avec des transistors normaux. Nous avons donc essayé le nouveau
montage avec un générateur de 15V. Sans effet. Alors nous avons poursuivis avec une
pile 9V.Nous avons rajoutés une prise terre car nous avons vu sa sur un autre schémas
et que sa devais servir à quelque chose.Ce montage ne marchait toujours pas . Et les
vacances d’été nous ont coupés dans notre élans .Au début de cette année nous avons
eu un nouveau membre dans notre équipe.Et nous avons pris un modèle pour la
fabrication de la chambre nous avons aussi changé la chambre pour une boite de
chicoré. Voici le model :
On
peut y voir une résistance (en vert), une pile 9V, un transistor Darlington, une
prise
jack (tout à droite) le volt mètre est branché sur le couvercle de la boite . En ayant fait le
montage exactement comme sur la photo la chambre fonctionnait correctement. De
cette observation nous avons pu procéder a la phase de test :
Nous avons posé d’une part un support pour la source radioactive sur un raille optique
sur un chiffre déterminé et d'autre part la chambre a ionisation sur le 0. Le but de cette
expérience est de voir a quelle distance la chambre capte un valeur X.
Pour le test nous avons rajouté de papier d’aluminium et nous vont isolé les composants
électronique avec une demi-boite de chicoré pour que les interférences ne soit détecté
par la chambre.
La chambre fonctionne très bien le problème c est qu elle est instable nous avons donc
pu avoir aucune valeur . Nous allons sûrement tester notre chambre dans un laboratoire
de recherche à Caen. A partir de l’expérience en cours nous souhaitons calculer le
temps de demie vie d’une particule de notre source.
IV-Conclusion
Pour conclure nous avons réussi à reproduire une chambre à ionisation qui fonctionne
mais ceci est trop instable pour fonctionner correctement. Pour la suite, nous voulons
résoudre ce problème en démontant et remontant la boite et identifier l'origine de ce
problème .
Nous espérons par la suite d'obtenir un résultat positif.
Nous souhaitons remercier Olivier LOPEZ, le LPC et Mr Vanden Driessche ,Mr Manier