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dernière mise à jour
22 mars 2013
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CAPTEURS DE RAYONNEMENTS NUCLEAIRES
deuxième partie (2/3) : détecteur à ionisation dans les gaz

principe général les divers modes
chambre d'ionisation un exemple précis
compteur proportionnel le meilleur
compteur Geiger-Muller
et comment l'employer
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principe général

Un volume utile de gaz est délimité par deux électrodes, par exemple l'une cylindrique et l'autre filiforme telles que figurées sur le schéma, soumises à une différence de potentiel continue. Le rayonnement incident ionise le gaz et les électrodes collectent les ions en résultant.

L'énergie moyenne Wi, nécessaire à la création d'une paire d'ions, dépend de la nature du gaz, mais aussi de l'énergie et de la nature de la particule incidente. Si la ddp est suffisante, chaque paire d'ions libérée peut entraîner un processus d'ionisation secondaire. Ainsi on montre que dès que le rapport champ électrique/pression (E/P) dépasse 22.5 mV/cm.Pa, il y a ionisation secondaire dans l'air. Cela correspond , à la pression atmosphérique, à 2300 V/cm.

Selon la valeur du rapport E/P on aura différents régimes de fonctionnement des détecteurs, et donc différents types de détecteurs pratiques.


La figure présente les 6 zones de fonctionnement possibles:

chambre d'ionisation ex : CRGA11 de RTC(groupe Philips)

Il s'agit d'une chambre cylindrique avec électrode périphérique et électrode centrale filiforme, avec une fenêtre d'entrée transparente au rayonnement en matériau et un gaz de remplissage sous pression adaptés à la détection souhaitée: La chambre RTC fonctionne sous 1.05 bar/600 V et peut mesurer 108 R/h avec une sensibilité de 1.510-12A/R/h.

Pour détecter les neutrons on recouvre de carbure de bore la paroi de la chambre: l'absorption d'un neutron génère alors un a qui ionise le gaz.

Pour éliminer les rayonnements parasites (cosmiques) on utilise deux chambres identiques, mais dont une seule reçoit le rayonnement spécifique à mesurer et on fait la différence des courants.

La forme de l'impulsion de sortie dépend du réseau RC associé, des temps de collection sur les électrodes (1µs environ pour les électrons, mais 1ms et plus pour les ions sur la cathode).

L'efficacité de détection est de 100% pour les , 80 à 90% pour les et seulement 1% pour les .

A titre d'exemple nous donnons ci-dessous la réponse d'une chambre d'ionisation en fonction de l'énergie des particules incidentes. Chaque point expérimental correspond à l'émission caractéristique d'un radionucléide indiqué sur le graphique.


Fig. réponse d'une chambre d'ionisation en fonction de l'énergie des photons incidents

compteur proportionnel

Le facteur de gain du montage précédent atteint 102 à 103, on peut alors détecter une particule unique. Enfin, l'amplitude de l'impulsion de sortie est proportionnelle à l'énergie perdue par la particule lors de sa traversée du volume utile.

Remarque: comment savoir, si l'on est en régime de compteur proportionnel, si l'on détecte une particule unique ou la somme de n particules?

compteur Geiger/Muller et modes d'utilisation


photo: ex de compteurs Geiger Muller (doc. Philips)

l'essentiel des informations présentées ci-après vaut aussi bien pour l'utilisation en compteur proportionnel qu'en compteur GM.

Lorsque le champ électrique est suffisant, il y a un effet d'avalanche et tout le gaz s'ionise. Pour arrêter cette ionisation, on doit ajouter un gaz dit autocoupeur de type halogène, ainsi qu'une résistance de grande valeur (10 M) en série avec l'anode.

Sur la figure, on peut noter que la durée de l'impulsion (temps mort) varie de 10 à 200 µs selon les tubes.


En conséquence on ne pourra compter que des particules suffisamment dispersées dans le temps, c'est à dire séparées par un intervalle au moins supérieur à 1.5 fois le temps mort. Pour détecter des neutrons thermiques on placera soit du BF3 gazeux, soit une mince couche de bore sur l'électrode cylindrique.


La figure ci-dessus représente le montage adopté typiquement avec ce type de tube. On choisira une grande valeur pour R1 ce qui permet d’augmenter la constante de temps de recharge du tube. En outre lorsqu’il y a ionisation le tube est équivalent à un court circuit, si R1 est important cela va conduire à une diminution notable de la tension aux bornes du tube ce qui va faciliter la désionisation. R2 va définir l’impulsion de sortie. On choisit en général un rapport de R1/R2 = 45. Les diverses capacités figurant sur le schéma sont des capacités parasites. C1 est en particulier la capacité parasite du tube.

Alimentation switchée


Une autre procédure, figurée ci-avant, pour permettre le désamorçage du tube consiste en un montage dit actif. Dans ce cas, c’est l’alimentation HT qui est pilotée, il est alors possible de réduire R1 et le tube peut alors compter des particules plus rapprochées dans le temps.

Dès qu’une impulsion est détectée et mise en forme, la seconde sortie du circuit de mise en forme alimente le générateur d’impulsion qui va commander la réduction de la HT pendant la durée d’une impulsion. Dès que l’impulsion de commande repasse au niveau 1, la HT est restaurée, simultanément le compteur est à nouveau prêt à compter la prochaine impulsion.

Notons l’importance des capacités parasites, C1 est de l’ordre de 1 pF. C2, C3, C4 ont un rôle dans la forme de l’impulsion, mais c’est C3 la plus gênante, car elle interdit le rétablissement instantané de la tension d’anode puisqu’il faut d’abord charger C3, ce qui introduit un accroissement du temps mort. La capacité C4 qui court-circuite les composantes HF de l’impulsion doit être réduite à moins de 100pF.