I - Détecteurs à scintillation

 

II - Détecteurs à ionisation de gaz

   1) Chambre d'ionisation

   2) Compteur proportionnel

   3) Geiger Müller

 

III - Détecteurs semi-conducteurs

 

IV - Autres détecteurs

 

V - Cas particulier de la détection des neutrons

1) Détecteur au bore 10

2) Détecteur à l'hélium 3

3) Dosimètre électronique

4) Dosimètre à bulles

 

VI - Dosimétrie passive

1) Les films dosimètres

2) Les détecteurs thermoluminescents

3) Dosimètres OSL (à luminescence stimulée optiquement)

4) Dosimètre neutron-Neutrak T

 

VII - Choix du détecteur

 

VIII - Spécificités et caractéristiques d'un détecteur

 

 

 

3 familles de détecteurs :

• détecteurs à scintillation
• détecteurs à ionisation de gaz
• détecteurs semi-conducteur

 

  I - Détecteurs à scintillation

Interaction rayonnement/matière : excitation/désexcitation --> photons

Nombre de scintillations proportionnel à l'activité --> mesure quantitative

Intensité lumineuse proportionnelle à l'énergie --> mesure qualitative

Types de scintillateurs :

• solides minéraux : iodure de sodium (NaI), sulfure de zinc (ZnS)
• solides organiques : plastique (polystyrène, naphtalène)
• liquides organiques : xylène, toluène

Des impuretés sont intégrées au scintillateur (thallium/NaI, argent/ZnS) pour ajuster la longueur d'onde de la lumière émise au spectre d'absorption de la cellule photoélectrique.

Scintillateurs plastiques : composé fluorescent inclus dans une matière plastique. Son usage dépend de l'épaisseur du scintillateur (γ : épais, α : mince). Permet de détecteurs de grande surface.

Scintillateurs liquides : l’échantillon radioactif est introduit au sein même du milieu détecteur (intéressant pour la mesure de faibles énergies).

Principe de fonctionnement :

Un détecteur de scintillation est constitué principalement d'un élément actif (cristal scintillateur NaI, CsI dopé) ou scintillateur organique dans lequel les photos vont interagir.

Les particules chargées produites sont stoppées dans le matériau par collisions multiples. Pendant leur ralentissement, elles excitent le matériau actif qui émet un rayonnement lumineux de scintillation. Le nombre de photons de scintillation est proportionnel à l'énergie déposée, donc lié à l'énergie du photon γ incident. De quelques dizaines à quelques milliers de photons de scintillation sont produits dans le détecteur pour chaque photon γ qui interagit.

Ces photons de scintillation sont collectés par la photocathode d'un photomultiplicateur (PM), en contact optique avec le scintillateur. Cette photocathode émet alors des électrons secondaires. Puis, par un système de dynodes portées à des potentiels croissants, on multiplie ce nombre d'électrons par un facteur de l'ordre de 10⁶. L'impulsion collectée sur l'anode du PM est devenue mesurable, elle est amplifiée et mise en forme de sorte que la hauteur de cette impulsion soit proportionnelle à l'énergie déposée dans le scintillateur.

Un photomultiplicateur doit être alimenté avec une haute tension (de 500 à 1500 V selon les PM).

Utilisation en centrale :

• NaI --> mesure γ
• ZnS --> mesure α
• scintillateurs plastiques : mesures β-γ
• liquides : mesure β - faible énergie

Avantages : grande sensibilité/volume, permet la spectrométrie, existe pour tous les rayonnements, bonne stabilité, rendement élevé (80% pour les γ).

Inconvénients : fragile, durée de vie limitée, sensible à la lumière, nécessite une THT stable, rayonnement parasite spécifique à chaque scintillateur.

 

  II - Détecteurs à ionisation de gaz

Les particules pénètrent dans le détecteur et perdent leur énergie en ionisant le gaz tout au long de leur trajectoire. Elles créent des paires ion-électron.

Sous la ddp entre anode et cathode, les ions sont attirés par la cathode (-) et les électrons par l'anode (+). Ces charges électriques recueillies traversent une résistance et provoquent des impulsions de tension.

La nature et la forme de l'enceinte dépendent du rayonnement à détecter :

• si les particules ont un faible parcours dans la matière (α, β), on ménagera une fenêtre mince dans la paroi.
• si le rayonnement est pénétrant (γ), il n'est pas indispensable d'avoir une fenêtre.

• Recombinaison : Q < Q₀ --> non utilisé
• Chambre d'ionisation : Q = Q₀ --> le détecteur fonctionne en chambre d'ionisation
• Compteur proportionnel : Q > kQ₀ (k = coefficient d'amplification dépend de la THT). Ionisation en cascade. La charge recueillie est proportionnelle à l'énergie libérée par la particule.
• Semi-proportionnel : Q ≠ kQ0 --> non utilisé
• Geiger Müller : Q = cste (indépendant de la charge initiale). Le détecteur peut quantifier les particules sans pouvoir discriminer en fonction de l'énergie.
• Amorçage : destruction du compteur.

Un détecteur à ionisation de gaz donné ne peut fonctionner que sous un seul régime de fonctionnement.

 

     1) Chambre d'ionisation

Caractéristiques : Q = Q₀ --> plateau de comptage (courant en fonction de la HT) à pente nulle. Dynamique de mesure élevée (6 à 8 décades).

Utilisation :

• mesure de débit de dose équivalent γ (chambre remplie d'air)
• mesure de l'activité des gaz β (chambre à circulation)
• radioprotection --> stylodosimètre
• labo : spectrométrie α
• chaînes contrôle d'ambiance

Avantages/inconvénients :

• mesure gaz β, possibilité de discriminer le bruit de fond γ par l'utilisation de chambre différentielle.
• durée de vie illimitée, conception simple et souplesse d'utilisation, peu de maintenance
• possibilité d'une paroi de chambre équivalent tissu
• mesure γ, la sensibilité est fonction du volume

 

     2) Compteur proportionnel

Caractéristiques : Q = kQ₀ avec k fonction du champ électrique. Discrimination possible des β et α par seuil fonction de la HT. Dynamique de mesure élevée (4 à 5 décades).

Utilisations :

• mesure de contamination surfacique
• mesure des neutrons (à l'aide des réactions nucléaires intermédiaires)

Avantages/Inconvénients :

• la surface de détection peut être élevée (800 cm²)
• la fenêtre d'entrée a une faible épaisseur (0,7 mg/cm²) - fragilité et porosité
• grande sensibilité rapportée au volume, bonne résolution (< 10keV)
• excellent compteur à particules, spectrométrie n et X mais pas à la mesure de dosimétrie
• mesure β, le bruit de fond γ gêne la mesure (non discriminable).

 

     3) Geiger Müller

Caractéristiques : Q = cste (forte amplification par rapport à Q₀). Plateau de comptage (Q ne varie pas en fonction de la HT). Dynamique de mesure limitée (3 à 4 décades). Présence d'un temps mort important. Électronique associée simple et système multi-mesures. Durée de vie limitée.

Utilisations :

• mesure de contamination surfacique (β)
• mesure de débit de dose équivalent γ
• mesure d'équivalent de dose γ (dosimétrie)

Avantages/Inconvénients :

• mauvaise lecture sous forte exposition, sous-estimation potentielle voire cécité
• en mesure β, fenêtre mince (2 mg/cm²) - fragilité et porosité des fenêtres
• grande sensibilité par rapport au volume, les dimensions du GM sont faibles en mesure γ
• mesure β, le bruit de fond gêne la mesure (non discriminable).

Le détecteur est un compteur à particules, d'où leur grand emploi pour la mesure de contamination surfacique. Un seul électron primaire suffit à produire la charge Q.

Pour éviter une décharge continue du tube, on ajoute de faibles quantités de vapeurs organiques (alcool ou halogène), lesquelles permettent l'auto-coupure.

Suivant l'épaisseur de la paroi du GM, c'est un compteur γ ou (βγ) ou (αβγ). Le 2e volet d'utilisation est en dosimétrie des rayonnements. Ces compteurs sont surtout utilisés dans les appareils portables de chantier.

 

  III  - Détecteurs semi-conducteurs

 

     Principe de fonctionnement

Semi-conducteur pur : généralement Si ou Ge.

Jonction de type N (négative) : ajout d'impuretés de phosphore ou d'arsenic (5 e^- périphériques) --> excès.

Jonction de type P (positive) : ajout d'impuretés bore ou gallium (3 e^- périphériques) --> défaut (trou).

En polarisant en inverse une jonction P-N, les charges se déplacent respectivement suivant la polarité et créent une région centrale sans charge appelée zone de déplétion ou zone sensible. C'est par cette zone que le détecteur mesure les rayonnements ionisants.

Lors du passage du rayonnement dans la zone sensible, création d'une paire électron-trou. Collecte des charges créées et mesure du courant proportionnel à l'énergie.

 

  IV - Autres détecteurs

 

Détecteurs à barrière de surface :

• un bloc de Si type P
• une couche de type N très mince (0,1 µm) afin que les particules de faible parcours la traversent et perdent la totalité de l'énergie dans la zone sensible.

 

Détecteurs Germanium compensé au lithium (Ge-Li) :

• un cylindre de semi-conducteur de type P dans lequel on fait migrer du lithium dopant de type N.
• les impuretés de lithium viennent neutraliser les atomes P du cristal et produisent ainsi une zone compensée.

 

Détecteur Ge HP coaxial :

• détecteur de haute pureté, Ge intrinsèque. Ce sont des cylindres de Ge de type N en surface et de type P au niveau de l'axe (ou inversement).

 

Interaction rayonnement-matière : ionisation --> création d'une paire électron-trou. Chambre d'ionisation solide.

Caractéristiques : l'énergie nécessaire pour créer une paire électron-trou est de l'ordre de 3 eV. Faible fluctuation statistique, meilleure résolution en énergie. Etant solide, l'efficacité est plus importante à volume égal en comparaison des chambres d'ionisation.

Utilisation :

• mesure de spectrométrie γ
• mesure de contamination (β, α) surfacique ou atmosphérique
• mesure d'équivalent de dose γ (dosimétrie)

Avantages/inconvénients :

• petit volume, stable et précis
• en mesure β, l'épaisseur faible des compteurs minimise l'influence parasite des γ
• refroidissement nécessaire pour les capteurs Ge.

 

  V - Cas particulier de la détection des neutrons

Ionisation de gaz : détecteur au bore 10 et à l'hélium 3.

Semi-conducteur : dosimètre électronique

Autre : dosimètre à bulles

Les particules neutres ne produisent pas d'ionisation directe des atomes ; par contre elles interagissent pour donner des particules secondaires chargées, directement ionisantes.

Le neutron n'est jamais mesuré directement. Il faut le ralentir (paraffine) --> baisse d'énergie avec production d'un autre rayonnement.

 

     1) Détecteur au bore 10

Le compteur contient du bore 10 sous forme de gaz BF3 (95%) ou de dépôt solide. Il fonctionne en régime proportionnel.

Les compteurs sont de géométrie cylindrique, la cathode est en cuivre ou en inox.

 

     2) Détecteur à hélium 3

Le gaz de remplissage est de l'hélium 3. Il est plus sensible et HT plus basse. On détecte les neutrons thermiques par l'intermédiaire des particules ionisantes produites par la réaction nucléaire des neutrons sur l'hélium 3.

Détecteurs sensibles essentiellement aux neutrons thermiques.

 

     3) Dosimètre électronique

Plusieurs écrans sont placés devant des détecteurs à semi-conducteur :

• écran 1 : écran de détection de neutrons intermédiaires, d'épaisseur 10 µm.
• écran 2 : écran de détection de neutrons rapides, d'épaisseur 100 µm.
• écran 3 : écran de détection de neutrons thermiques.
• écran 4 : écran de détection de neutrons épithermiques. Cet écran est composé de plusieurs matériaux. Tout d'abord du cadmium, qui absorbe les neutrons thermiques et thermalise les épithermiques, puis du ¹⁰B.

Les détecteurs à SC placés derrière ces écrans vont détecter les rayonnements secondaires créés. Ces détecteurs sont compensés en γ.

 

     4) Dosimètre à bulles

Un liquide vaporisable est inclus sous la forme de micro gouttelettes dans un gel de grande viscosité. L'ensemble est surchauffé.

• Apparition de fines bulles de gaz dans le gel visible à l’œil nu.
• Nombre de bulles proportionnel à l'énergie cédée. Pas d'interaction avec les électrons et protons. Il est insensible aux rayonnements X et γ.
• Sensible à la température ambiante.
• Limité dans le temps (90 compressions)
• Sensible aux chocs (provoque des fissures dans le gel)

Il se présente sous la forme d'un stylodosimètre.

 

  VI - Dosimétrie passive

 

     1) Les films dosimètres

Ils n'existent plus. Plage d'utilisation comprise entre 0,2 mSv et 5 Sv. Sensibles à la température. Obsolètes du point de vue réglementaire (0,1 mSv).

 

     2) Les détecteurs thermoluminescents

Ce détecteur est composé d'un cristal contenant des impuretés. L'intégration d'atomes étrangers à cette structure permet aux électrons de s'associer avec des énergies différentes.

Ces détecteurs permettent de faire de bonnes mesures de contact (dosimétrie des mains). Mesure de la dose sur un domaine très large : 50 µGy à 200 Gy. Dose non conservée après lecture. Sensible à la lumière.

 

     3) Dosimètre OSL (à luminescence stimulée optiquement)

Le principe de fonctionnement de ce dosimètre est proche de celui des détecteurs thermoluminescents.

Matériau luminescent : couche d'alumine dopée au carbone Al₂O₃ : C.

Ces dosimètres sont utilisables sur une plage de 0,01 mSv à 10 Sv. Le seuil d’enregistrement est de 0,1 mSv. Une relecture est possible 50 fois.

 

     4) Dosimètre neutron-Neutrak T

Composé d'une feuille en PADC (carbonate de polyallyl diglycol) appelé détecteur CR 39, recouverte d'un radiateur en plastique.

Le choc des neutrons sur les noyaux hydrogénés du radiateur provoque l'émission d'une particule chargée qui va laisser des traces dans la feuille en PADC. Au développement, une attaque chimique fait apparaître des traces. Il suffit alors de dénombrer celles-ci au microscope électronique.

Le neutrak T a la capacité de mesurer sur une grande plage d'énergie. Seuil de mesure : 0,2 mSv.

 

  VII - Choix du détecteur

Certaines sondes sont dites spécifiques - sondes α et γ. Dans la pratique, la grande majorité des radioéléments sont multirayonnants. Le choix des matériaux se fera sur la combinaison des critères suivants :

• sur la meilleure sensibilité des appareils disponibles.
• sur le rayonnement émergeant
• sur le rayonnement d'énergie plus élevé

 

  VIII - Spécificités et caractéristiques d'un détecteur

• Seuil sensibilité, temps de réponse, mouvement propre.
• Linéarité dans la gamme de mesure
• Limite de détection
• Réponse aux différents rayonnements
• Réponse fonction de l'énergie, de l'activité, du débit de dose (saturation)
• Réponse spatiale (isotropie)
• Dérive du zéro, autonomie
• Mesure équivalente tissus ou à l'organisme
• Sensibilité à l'environnement (T°, produits chimiques...)