Quels sont les détecteurs et les spectromètres à l’état solide ?

Publié le : 17 mai 202113 mins de lecture

Les compteurs Geiger ne sont pas le seul instrument permettant de mesurer l’intensité des sources radioactives en pratique, la contamination radioactive ou, dans le cas des tubes Geiger à énergie compensée, l’exposition. Il existe différents types de radiomètres ionisants utilisés comme instruments de contrôle. Ils comprennent notamment deux grandes classes : les gaz et les solides. Le compteur Geiger-Muller classique est certainement le type de détecteur de gaz le plus connu, c’est-à-dire qu’il exploite l’ionisation d’un gaz par le rayonnement incident et il est excellent pour mesurer le rayonnement alpha, constitué de noyaux d’hélium, c’est-à-dire de 2 protons 2 neutrons, et peu pénétrant, le rayonnement bêta : électrons ou positrons énergétiques émis par certains noyaux radioactifs. Par souci d’exhaustivité, les autres types de détecteurs de gaz sont les compteurs proportionnels et les chambres d’ionisation. Les détecteurs à l’état solide, d’autre part, comprennent principalement des détecteurs à scintillation et des détecteurs à semi-conducteurs. Ils sont excellents pour mesurer le rayonnement gamma : rayonnement électromagnétique de haute énergie et de haute fréquence produit par la désintégration radioactive des noyaux atomiques. Ou par l’interaction des rayons cosmiques avec l’atmosphère et dans leurs versions plus sophistiquées et plus coûteuses également le spectre gamma des sources d’intérêt, particulièrement utile pour l’analyse radiométrique. La sensibilité des détecteurs à l’état solide est environ 10 000 fois plus élevée que celle des détecteurs de gaz, en raison de l’énergie moyenne plus faible requise pour produire une paire d’ions dans les matériaux de détection solides par rapport à l’air, généralement un ordre de grandeur plus faible et de la densité plus élevée des matériaux de détection solides par rapport à l’air, généralement trois ordres de grandeur plus élevés. Ces propriétés facilitent la miniaturisation des radiamètres à l’état solide.

A. Les détecteurs à scintillation

Les détecteurs à scintillation sont généralement préférés pour les instruments de surveillance portatifs également parce que les tubes de Geiger sont relativement délicats et, comme ils peuvent mesurer avec précision l’énergie du rayonnement incident, ils peuvent être utilisés à la fois comme compteurs et comme excellents dosimètres.

B. Un compteur à scintillation de poche pour mesurer les rayons gamma dans l’environnement

Un détecteur à scintillation ou un compteur à scintillation est obtenu en couplant un scintillateur à un capteur de lumière électronique tel qu’un tube photomultiplicateur, une photodiode ou un photomultiplicateur au silicium. Un scintillateur est un matériau qui scintille lorsqu’il est excité par un rayonnement ionisant. En effet, les matériaux luminescents, lorsqu’ils sont frappés par une particule entrante, absorbent son énergie et scintillent : c’est-à-dire qu’ils émettent l’énergie absorbée sous forme de lumière. Les tubes photomultiplicateurs absorbent la lumière émise par le scintillateur et l’émettent sous forme d’électrons par l’effet photoélectrique. La multiplication ultérieure de ces électrons produit une impulsion électrique qui peut ensuite être analysée, fournissant des informations importantes sur la particule qui a initialement frappé le scintillateur. Les photodiodes à vide sont similaires, mais n’amplifient pas le signal, tandis que les photodiodes au silicium détectent les photons directement dans le silicium. Les matériaux sont largement utilisés dans diverses applications : comme radiamètres portables, pour la radioprotection dans les centrales nucléaires, pour l’analyse radiométrique des matières radioactives, pour la découverte de matières radioactives, potentiellement dangereuses pendant le transport et pour la recherche en physique, car ils peuvent être produits à bas prix, mais avec un bon rendement quantique, et peuvent mesurer à la fois l’intensité et l’énergie des accidents de rayonnement. Les compteurs à scintillation peuvent être utilisés pour mesurer les rayonnements alpha, bêta et gamma. Les détecteurs peuvent être conçus pour avoir un ou deux matériaux à scintillation, selon l’application. Par exemple, les détecteurs de phosphore simple sont utilisés pour détecter les rayonnements alpha ou bêta, tandis que les détecteurs de phosphore double sont utilisés pour détecter les deux. D’autres compteurs permettent de mesurer séparément les rayonnements alpha et bêta avec le même détecteur. Le scintillateur est constitué d’un cristal transparent, généralement un phosphore, un plastique ou un liquide organique. Le phosphore le plus couramment utilisé est l’iodure de sodium : NaI. L’iodure de césium : CsI est utilisé comme matériau pour la détection des protons et des particules alpha. L’iodure de sodium : NaI est utilisé pour la détection des rayons gamma et le sulfure de zinc : ZnS est largement utilisé comme détecteur de particules alpha. Enfin, l’iodure de lithium : LiI est utilisé dans les détecteurs de neutrons. Un détecteur à scintillation au NaI est, en fait, un type courant de détecteur portable pour l’investigation des matériaux radioactifs et pour une utilisation générale en laboratoire. Les capteurs au NaI sont, en effet, capables de détecter les rayonnements gamma de faible énergie. Par conséquent, un détecteur de NaI est un excellent outil pour détecter les émetteurs gamma de faible énergie tels que le chrome-51, l’iode 125, l’iode 131 ou le fer 59. En revanche, un tube de Geiger-Muller est préférable pour mesurer le bêta et l’alpha. Les moniteurs destinés à détecter la contamination radioactive industrielle qu’ils soient portables pour la surveillance des personnes ou des zones ou fixes pour la surveillance du personnel nécessitent une large fenêtre de détection pour assurer une couverture efficace et rapide des surfaces surveillées. Les matériaux à scintillation sont également utilisés pour la mesure de la dose gamma ambiante, bien qu’une construction différente soit utilisée pour détecter la contamination, car une fenêtre mince n’est pas nécessaire. Certains compteurs à scintillation portables d’un certain niveau comme les MicroR Meters de Ludlum ont des circuits de discrimination d’énergie supérieure et inférieure et, lorsqu’ils sont utilisés correctement comme analyseurs à canal unique, ils peuvent fournir des informations sur l’énergie gamma et identifier les matières radioactives. Si l’instrument est équipé de haut-parleurs, les impulsions produisent également un clic acoustique. Les unités de lecture courantes sont les microroentgens par heure : μR/hr et les comptes par minute : cpm.

C. Spectromètres gamma

Le rendement lumineux du scintillateur est à peu près proportionnel à l’énergie du rayonnement incident. Les scintillateurs convertissent souvent un seul photon de rayonnement de haute énergie en un grand nombre de photons de basse énergie. En mesurant l’intensité du flash : le nombre de photons produits par le rayon X ou le photon gamma, il est donc possible de distinguer l’énergie du photon d’origine. Cela permet la spectroscopie gamma, c’est-à-dire l’étude quantitative des spectres d’énergie des sources de rayons gamma ou X. Un spectromètre gamma se compose donc d’un cristal scintillateur approprié, d’un tube photomultiplicateur et d’un circuit permettant de mesurer la hauteur des impulsions produites par le photomultiplicateur. Ils sont comptés et triés par leur hauteur, ce qui donne un diagramme cartésien du nombre d’éclairs en fonction de la luminosité de l’éclair du scintillateur : approximativement proportionnelle à l’énergie, qui est proche du spectre d’énergie du rayonnement incident, avec quelques artefacts supplémentaires.

D. Un spectromètre gamma à monter soi-même 

La plupart des sources radioactives produisent des rayons gamma, qui sont d’énergies et d’intensités différentes. Le spectre gamma est la caractéristique des nucléides émetteurs de rayons gamma contenus dans la source. Par conséquent, lorsque ces émissions sont détectées et analysées avec un système de spectroscopie gamma, l’analyse détaillée de ce spectre permet de déterminer l’identité et la quantité des émetteurs gamma présents dans une source, et constitue un outil essentiel de l’analyse radiométrique. Les noyaux radioactifs : radionucléides émettent fréquemment des rayons gamma dans une gamme d’énergie allant de quelques keV à environ 10 MeV, ce qui correspond aux niveaux d’énergie typiques des noyaux ayant des durées raisonnablement longues. La limite entre les rayons gamma et les rayons X est un peu floue, car les rayons X désignent généralement l’émission d’électrons de haute énergie, qui peut dépasser 100 keV, tandis que les émissions de noyaux de plus faible énergie sont appelées rayons gamma, même pour des énergies inférieures à 20 keV. Parmi les spectromètres gamma de laboratoire les plus sophistiqués, on trouve les systèmes d’analyse multicanaux : système d’analyseur multicanal, qui peuvent fournir un comptage et une identification automatiques puissants et utiles des émetteurs sur des échantillons de matrice liquide ou solide ou d’autres préparations extraites d’échantillons radioactifs. La plupart des systèmes sont utilisés pour compter les rayons gamma, tandis que certains détecteurs au silicium sont utilisés pour les rayons alpha.

E. Détecteurs à semi-conducteurs

Les détecteurs à semi-conducteurs sont une sorte de chambre d’ionisation à l’état solide. Ils détectent les rayonnements ionisants en utilisant un semi-conducteur pour mesurer l’effet des particules chargées ou des photons. Les détecteurs à semi-conducteurs sont largement utilisés pour la radioprotection, la spectrométrie gamma et rayons X, ainsi que les détecteurs de particules. Dans un détecteur à semi-conducteurs, le rayonnement incident interagit avec le matériau du détecteur – un semi-conducteur tel que le silicium ou le germanium pour créer des paires de laques électroniques. Ces paires électron-lune sont collectées par des électrodes, les électrons migrant vers l’électrode chargée positivement et les espaces migrant vers l’électrode chargée négativement, créant ainsi une impulsion électrique. Cette impulsion électrique contient des informations sur le type, l’énergie, l’heure d’arrivée et le nombre de particules arrivant dans l’unité de temps. La caractéristique importante des détecteurs à semi-conducteurs est leur résolution en énergie, qui est plus élevée que celle des détecteurs à scintillation, en raison de leur potentiel d’ionisation plus faible et de leur taille compacte. Dans certains détecteurs à semi-conducteurs, le germanium est utilisé à la place du silicium comme matériau de détection. Il est préférable au silicium pour la détection des rayons gamma et utilisé pour ceux-ci. Notez cependant que les appareils au germanium doivent être refroidis pour réduire le bruit thermique et observer les signaux. Les détecteurs à semi-conducteurs à base de silicium, en revanche, sont utilisés pour mesurer les rayonnements à courte portée : particules chargées ou rayons gamma de faible énergie. Comme les détecteurs à scintillation, les détecteurs à semi-conducteurs peuvent également être utilisés pour la spectrométrie gamma et rayons X, et donc pour l’analyse qualitative et quantitative d’échantillons contenant des émetteurs de radionucléides de ce type de rayonnement. Ces instruments sont donc utilisés dans les laboratoires de dosimétrie, les services environnementaux, les laboratoires de radiologie, les laboratoires de radiochimie de différents établissements et départements, ainsi que dans les centres de physique nucléaire à des fins de recherche. Un spectromètre à semi-conducteur de particules alpha utilisé dans un laboratoire universitaire. 

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