Détecteurs à Scintillation

Détection et mesure
des rayonnements ionisants - 1
IAEA
International Atomic Energy Agency
Jour 3 – Leçon 3
Objectif
Apprendre davantage sur les
différents types de détecteurs de
rayonnements utilisés en
radioprotection
IAEA
2
Contenu
• Détecteur
• Principe d’un détecteur
• Types de détecteurs
IAEA
3
Détecteurs
• Le détecteur est une base fondamentale dans
toute pratique mettant en œuvre des
rayonnements ionisants
• La connaissance parfaite des instruments ainsi
que leur limitation est essentielle pour une bonne
interprétation des résultats de mesures
IAEA
4
Matière du Détecteur
• Tout matériau qui présente des changements mesurables
lorsqu’il est présenté aux rayonnements ionisants peut être
utilisée comme détecteur de rayonnement ionisant.
•
•
•
•
•
•
Changement de couleurs
Les changements chimiques
Émission de lumière visible
La charge électrique
Détecteurs actifs: mesure immédiate de la modification.
Détecteurs passifs: le traitement avant la lecture
IAEA
5
Principe d’un détecteur
• Détecteurs rempli de Gas
• Chambres d’ionisations
• Compteurs proportionels
• Geiger Müller (GM) tubes
• Détecteurs à Scintillation
• solides
• liquides
IAEA
• Autres détecteurs
• Semi conducteurs
• Films
• Détectors à
Thermoluminescense
(TLD)
6
Types de détecteurs
1) Compteurs
Détecteur rempli de gaz
Détecteurs à scintillations
2) Spéctromètres
Détecteurs à scintillations
Détecteurs solides
3) Dosimètres
Détecteur rempli de gaz
Détecteurs solides
Détecteurs à scintillations
Détecteurs thermoluminiscents
Film
IAEA
7
Types de détecteurs
Effet
Type d’ Instrument
Détecteur
Electrique
1. Chambre d’ionisation
1. Gas
2. Compteur proportionnel
2. Gas
3. Tube GM
3. Gas
4. Détecteur solide
4. Semiconducteur
1. Film
1. Émulsion
Photographique
2. Dosimètre chimique
2. Solide ou Liquide
Lumière
1. Compteurs à scintillations
1. Cristal ou Liquide
Thermo-
1. Cristal
luminescent
1. Dosimètre Thermo luminescent
Chaleur
1. Calorimètre
1. Solide ou Liquide
Chemique
IAEA
8
Détecteurs remplis de gaz
Ces détecteurs consistent en:
•
un tube rempli de gaz
•
électrode positive (anode) et une électrode négative
(cathode)
IAEA
9
Régions des Opérations pour les
détecteurs remplis de à Gaz
IAEA
10
Chambres d’Ionisation
• Plus simple de tous les détecteurs de rayonnement remplis de gaz
• Un champ électrique (104 V / m) est utilisé pour collecter l'ensemble
des ionisations produites par le rayonnement incident dans le
volume de gaz
• Dans la plupart des chambres d'ionisation, le gaz entre les
électrodes est de l'air.
• La chambre peut ou ne peut pas être scellée de l'atmosphère.
• Il existe de nombreuses conceptions différentes pour les électrodes
dans une chambre d'ionisation, mais en général, elles sont
constituées d'un fil à l'intérieur d'un cylindre, ou une paire de
cylindres concentriques
IAEA
11
Chambres d’Ionisation
Ion négatif
Ion Positif
Electromètre
+
1234
HV
La réponse est proportionelle au nombre
d’ionisations (activité, débit d’exposition)
Propriétés générales des Chambres d’ionisations
 Haute précision
 Stable
 Sensibilité relativement faible
IAEA
12
Exemples de chambre d’ionisations
IAEA
13
Applications des chambres d’ionisations
 Mode courent
 Surveillance
 Spectrométrie
Alpha
radiologique
 Calibration de
sources de
rayonnements
 Mesure des gaz
radioactifs
 Mode Pulsé
 Comptage
IAEA
14
Propriétés des chambres
d’ionisations
•Haute précision
•Stables
•Sencibilité relativement
basse
IAEA
15
Problèmes des chambres d’ionisations
• Un problème de base avec des chambres d'ionisation,
c'est qu'ils ne sont pas tout à fait efficaces comme
détecteurs de rayons x et gamma.
•Seul un très faible pourcentage (moins de 1 pour cent) de
rayons X ou gamma en passant par la chambre crée
l’ionisation de l’air
•• Pour
. les rayons x et gamma, leur réponse varie avec
l'énergie du photon, à cause de l'absorption des photons
dans le volume de gaz
• L'efficacité de détection et de la pénétration relative des
photons à travers les parois de la chambre sont deux
processus dépendant de l'énergie
IAEA
16
Compteurs Proportionnels
 Les compteurs proportionnels sont exploités à une
tension de champ électrique de 106 V/m pour les gaz
provoquant des avalanches
 Applications
 Basse énergie des rayons x
 Détection de Neutrons
 Spéctrosmétrie
IAEA
17
Détecteurs Proportionnels
Multiplication & Avalanche dans le gaz
L'avalanche s'arrête une fois que le champ électrique est
réduit à un seuil à cause de la charge d'ions positifs
accumulés dans le gaz .
anode
V
 (r) 
r ln( b / a )
un électron
cathode
IAEA
18
Propriétés des compteurs Proportionnels
• Ils peuvent être utilisés dans des situations dans lesquelles
le nombre de paires d'ions générées par le rayonnement
est trop faible pour permettre un fonctionnement
satisfaisant dans les chambres d'ionisation de type pulsé.
• Une sensibilité un peu plus élevée que la chambre
d'ionisation
• Utilisé pour les particules et les photons de basse énergie
IAEA
19
Compteurs GM
• Lorsque l'intensité du champ électrique à travers un compteur
proportionnel est augmentée (> 106 V / m), le dispositif entre
dans une région de fonctionnement du compteur GM.
• Le compteur GM est un dispositif à ionisation de gaz dans
lequel l'effet d'ionisation crée une réaction qui peut être
convertie en un signal de sortie électrique.
• C'est un détecteur rempli de gaz conçu pour un effet
d'amplification maximale de gaz.
IAEA
20
Structure du tube GM
• Le fil central (anode) est maintenu à une tension positive
élevée par rapport à l'électrode cylindrique extérieure
(cathode).
•L'électrode externe peut être un cylindre en métal ou une
couche de film métallique à l'intérieur d'un tube en verre ou
en plastique.
•Des compteurs GM ont une fenêtre d'entrée de
rayonnement mince à une extrémité du tube.
•Le cylindre ou le tube est scellé et rempli d'un mélange de
gaz spécial, typiquement de l'argon ainsi qu'un gaz de
trempe.
IAEA
21
Gaz de remplissage
• Les gaz utilisés dans un tube GM doivent
répondre à certaines exigences telles que
celles des compteurs proportionnels.
• Les gaz rares sont largement utilisés pour le
remplissage des tubes GM, avec de l'hélium
et l'argon, les plus populaires.
• Un deuxième volet est normalement ajouté à
la plupart des gaz GM à des fins de
refroidissement, les avalanches d'électrons.
IAEA
22
Usage des tubes GM
•Simple, peu coûteux, facile à utiliser
•Impulsion de type compteur qui enregistre
le nombre d'événements de rayonnement
•Toutes les informations sur l'énergie sont
perdues, n’ont pas la capacité de faire la
spectrométrie
•Temps mort dépasse largement tout autre
détecteur de rayonnement couramment
utilisé
•Il a une sensibilité élevée, mais a une
précision faible.
IAEA
23
Types des tubes (GM)
IAEA
24
Détecteurs à Scintillation
•Scintillation est un moyen de détection de la présence de
rayonnements ionisants
•Le rayonnement ionisant interagit avec un scintillateur qui
produit une impulsion de lumière
•Cette lumière interagit avec une photocathode qui se traduit
par la production d'un électron
•L'électron est multiplié dans un tube photomultiplicateur
ayant une série de dynodes ciblées avec l'augmentation de
la tension qui résulte en un signal électrique,
IAEA
25
Détecteurs à scintillation
•Le nombre de coups dépend de l'activité présente
•L'énergie de l'électron, et par conséquent, le
courant associé est proportionnel à l'énergie du
rayonnement ionisant incident
•En analysant l'énergie et le nombre de coups
correspondant, le nucléide et l'activité peuvent être
déterminés
IAEA
26
Détecteurs à scintillation
Il existe plusieurs types de détecteurs à scintillation:
•scintillateur NaI (iodure de sodium): limité à la détection des
gamma;
•scintillateur plastique: solution de composés fluorescents
inclus dans une matière plastique transparente (portiques);
•scintillateur ZnS (sulfure de zinc): utilisés pour la détection
du rayonnement alpha
IAEA
27
Détecteurs à scintillation (alpha)
IAEA
28
Détecteurs à scintillation (alpha)
Le tube du photomultiplicateur se trouve dans le poigné.
IAEA
29
Détecteurs à Scintillations (photons)
IAEA
30
Analyse du spectre
• Des détecteurs à scintillation, lorsqu'ils
sont utilisés avec un analyseur multi canal
(MCA) fournissent des informations sur
l'énergie d'un photon qui a interagi avec le
détecteur, ainsi que l'activité présente
• Le spectre peut être analysé pour
déterminer les isotopes qui sont présents
IAEA
31
Dosimètres Thermolumniscents (TLD)
Mécanismes de Thermoluminescence :
•Thermoluminescence est l'émission de lumière à partir
d'un cristal en chauffage, après l'enlèvement d'excitation
(c.-à rayonnement ionisant).
•La dose de rayonnement amène les électrons dans le
cristal de passer d'états de faible énergie à des états
d'énergie supérieurs.
IAEA
32
Dosimètres Thermolumniscents (TLD)
•Certains de ces électrons excités sont piégés
dans des états métastables
•Ces photons peuvent être collectées avec un
tube photomultiplicateur.
•Par un étalonnage approprié, la dose délivrée
au cristal peut être mesurée.
IAEA
33
Processus Simplifié du TLD
IAEA
34
Thermoluminescence
principe duTLD
matériau
Thermo-luminescent
photomultiplicateur
Émission de lumière
Chauffage du filament
IAEA
35
Courbes de lecture TLD
IAEA
36
TLD
Advantages:
Inconvénients:
• Petite taille
• Temps de réponse lent
• Haute sensibilité
• Pas d’enregistrement
• Intégration
permanent
• Equivalent Tissus
IAEA
38
Détecteurs de Neutrons BF3
BF3 Construction du tube
• Dimensions et géométrie du tube
 Tube de grande taille à forte pression de gaz de
remplissage
 Il est d’une géométrie cylindrique
 Cathode
• Al : Section efficace pour l’absorption des neutrons
• SS : Préféré par rapport aux autres car Al montre
l’activité alpha
IAEA
39
Détecteurs de Neutrons BF3
Effet du vieillissement
Dégradation des performances après l’enregistrement de
1010 - 1011 coups
Rendement de détection
• Efficacité diminue brusquement avec
l'augmentation de l'énergie des neutrons
• Espaces morts pour la collecte de charge réduisent
l'efficacité de détection
IAEA
40
Neutrons lents
Détecteurs au Litium
• la réaction induite par les neutrons est détectée sur la
base des scintillateurs au lithium
• La fonction du scintillateur LiI(Eu) comme le détecteur
NaI(Tl)
• La taille des cristaux est plus grande que la gamme de
production de réaction, la réaction de la hauteur
d'impulsion est sans effet et une seule paroi est formée
• L'efficacité de scintillation est presque la même pour les
particules chargées lourdes et les électrons secondaires
IAEA
41
Le compteur Proportionnel à 3He
Conception du tube à 3He
Diamètre plus large que possible
• La Pression 3He est augmentée pour réduire la
portée des particules chargées
• Ajouter une petite quantité d'un gaz plus lourd pour
augmenter le pouvoir d’arrêt
IAEA
42
Détecteurs d’état solide
• Les détecteurs d’état solide sont appelés aussi des détecteurs
Semi-conducteurs
• Dans ces détecteurs de rayonnement, un matériau semiconducteur un cristal tel que le silicium (Si) ou germanium (Ge)
constitue le moyen de détection.
• Dans le détecteur les paires d’électron-trou sont produites
lorsqu’une particule du rayonnement ionisant le traverse
• En conséquence, une impulsion de courant généré est mesurée
• Le fonctionnement des détecteurs Ge(Hp)e nécessite l'azote
liquide
IAEA
43
Détecteurs d’état solide
IAEA
44
Utilisation du Solide comme moyen de
détection
 Dans de nombreuses applications de détection de rayonnement,
l'utilisation de support solide est d'un grand avantage
 Pour les électrons de haute énergie et des gammas, des
détecteurs à semi-conducteurs sont beaucoup plus petits que les
détecteurs remplis de gaz
 La résolution en énergie peut être améliorée en augmentant le
nombre de porteurs de charge - possible dans les semiconducteurs
IAEA
45
Détecteurs Semi-conducteurs
•Les caractéristiques souhaitables de - (détecteurs à
diode semi-conducteur) ou des détecteurs à l’état
solide
•Taille compacte
•Résolution en énergie élevée
•Temps de réponse rapide
•Épaisseur efficace - peut varier en fonction de l'exigence
matériaux semi-conducteurs
•Silicium - Utilisé pour la spectrométrie des particules
chargées
•Germanium
IAEA - Utilisé pour la spectrométrie gamma
46
Détecteurs Semi-conducteurs
• Lorsqu'une tension positive est appliquée sur le matériau
de type-n et la tension négative au matériau de type-p, les
électrons sont expulsés plus loin de la région en créant
une région d'appauvrissement beaucoup plus épaisse
• La région d'appauvrissement agit comme le volume
sensible du détecteur
• Le rayonnement ionisant en entrant dans cette région va
créer des trous et des électrons en excès qui migrent et
provoquent une impulsion électrique
IAEA
47
Détecteurs Semi-conducteurs
Polarisation inverse
Anode (+)
++
++
++
++
++
++
++
------
Cathode (-)
Intrinsèque/ Région d’épuisement
IAEA
48
Détecteurs Semi-conducteurs
Les rayons gamma transfert
l'énergie aux électrons
(principalement par diffusion
Compton) et ces électrons
traversent la région
intrinsèque du détecteur
(+)
(-)
e
IAEA
49
Film Dosimètre
Fenêtre ouverte
Filtre du Cu
(0.05, 0.3 et 1.2
mm)
Kodak Type 2
0.8 mm Filtre
en Pb
IAEA
Film
Radiographique
50
Film Dosimètre
•Les dosimètres films (communément connus par film
badge) sont constitués d'un morceau de film
photographique dans un support
•Le support est équipé d'une gamme de filtres qui nous
permettent de distinguer entre les bêta, rayons X, gamma et
les neutrons thermiques et permet également la
détermination de l'équivalent de dose individuel pour Hp
(10), Hp (0,07) et Hp (3)
IAEA
51
Film Dosimètre
 En déterminant le degré de noircissement (densité
optique) sur le film développé et en la comparant avec
des films calibrés qui ont été exposés à des doses
connues, il est possible de déterminer à la fois la dose
totale reçue par l'utilisateur et également la contribution
de la dose totale par l'type de rayonnement
 Les différents filtres utilisés dans les films badges
permettent de déterminer les doses: corps Hp (10), la
peau Hp (0,07) et les yeux Hp (3) qui sont présentées
IAEA
dans la figure et le tableau ci-dessous
52
Film Dosimètre
Filtre
Fenêtre
Plastique (50 mg cm-2)
Plastique (300 mg cm-2)
Dural (0.040”)
Sn + Pb (0.028” 0.012”)
Cd + Pb (0.028” 0.012”)
Plomb (0.012”)
Indium (0.4 g)
Application
béta et rayons x mous
 et ray-x dose et énergie*
 et ray-x dose et énergie*
 et ray-x dose et énergie *
 et ray-x dose et énergie *
neutrons lents**
bord blindage+
suivi de l'accident de neutrons
* détermination quantitative de
** par gamma émis après la capture par le cadmium
d'éviter le chevauchement d'un noircissement du film dû à
l'angle d’incidence du rayonnement
+
IAEA
53
Film Dosimètre
A
B
Film
Package
C
D
E
C
B
A
D
E
O
A - Plastic filter
B to E - Metallic filters
O - Open window
IAEA
54
Film Dosimètre
• La densité sur le film
résulte de trois sources
de base :
Al Filter
Noir = exposé
Blanc = non
exposé
 Base+Fog
 Exposition
Pb Filter
IAEA
55
Où trouver plus d’information
 Cember, H., Johnson, T. E, Introduction to Health Physics,
4th Edition, McGraw-Hill, New York (2009)
 International Atomic Energy Agency, Postgraduate
Educational Course in Radiation Protection and the Safety of
Radiation Sources (PGEC), Training Course Series 18,
IAEA, Vienna (2002)
IAEA
56