DETECTEUR A SCINTILLATIONSLe passage de particules ionisantes à travers certaines substances conduit à la formation d'étatsexcites, dont la désexcitation s'effectue avec émission de lumière visible ou scintillations. Cesphotons lumineux dont le nombre est proportionnel au nombre d'excitations produites, donc à laperte d'énergie du rayonnement dans le milieu, peuvent être détectés à l'aide d'un tubephotomultiplicateur dont la photocathode les convertit en un flux d'électrons par effetphotoélectrique Le nombre de ces électrons est multiplié par émission secondaire, ce qui donne lieuà un courant de sortie assez intense. Ces compteurs ont donc une réponse proportionnelle à la perted'énergie subie par la particule incidente dans le scintillateur. Différents matériaux ont été utiliséspour ce propos

des scintillateurs minéraux : CsI(T), NaI(T) pour la détection des particules chargées (procédémaintenant abandonné) et des rayonnements ,

des scintillateurs organiques solides (anthracène, plastiques), ou liquides (en Particulier pour ladétection des de faible énergie et celle des neutrons et )

Principe des phénomènes de scintillationLa réponse de ces détecteurs est liée à la fraction de l'énergie du rayonnement perdue par

ionisation, les scintillateurs utilisent la fraction de l'énergie dissipée dans des excitations atomiquesou moléculaires. L'émission de photons lumineux, lors de la désexcitation, constitue laluminescence.

Lorsque la transition entre le ou les états excites formés et l'état stable du système, ladésexcitation s'effectue en moins de 10-8 sec, ordre de grandeur de la vie moyenne des étatsatomiques pour ce type de transition. Si par contre l'état excité est métastable, l'émission estretardée; le phénomène, appelé phosphorescence, peut avoir une vie moyenne de 10-6 s à plusieursheures.

Les scintillateurs à cristaux minérauxLes scintillateurs à cristaux minéraux sont le plus

souvent des halogénures alcalins (NaI, CsI) contenantdes traces d'impuretés (t' par exemple) jouant 1e rôle decentres d'activation du processus de luminescence. Uncristal pur est représenté par une bande de valencenormalement remplie par les électrons, et une bande deconduction normalement vide. L'interaction d'uneparticule chargée peut induire une transition d'unélectron de la bande de valence à la bande deconduction (ionisation), laissant une lacune (trou) dansla première. Cet électron et ce trou peuvent migrer

indépendamment l'un de l'autre dans le cristal. Par contre, dans le cas d'une excitation, la paireelectron-trou formée est liée. La figure montre la position de la bande excitonique, située en dessousla bande de conduction.

Toute impureté dans le cristal (atome étranger ou lacune du réseau) peut créer des niveauxd'énergie dans la bande interdite en des sites définis du cristal. Par capture d'exciton ou capture'successive d'un électron et d'un trou lors de leurs migrations, les centres d'impureté passent dans unétat excités. Si la transition entre cet état et 1e fondamental est permise, un photon est émis.

électrons Bande de conduction

Exci

tonNiveaux

d'impuretés

Bande excitonique

Bande de valence

trous

Centreactivateur

Les scintillateurs minéraux, composés d'élément de Z moyen, donnent lieu à effetsphotoélectriques et sont adaptés à la spectrométrie.

Les PhotomultiplicateursLa lumière de scintillation est convertie en un courant de très faible intensité par une

photocathode. Ce courant est amplifie par un multiplicateur du nombre d'électrons qui utilise lapropriété d'émission secondaire de certains matériaux Les électrons émis par la photocathode sontcollectes sur une électrode (dynode) qui émet électrons pour un électron incident ( > 1). Cesélectrons secondaires sont collectés par une seconde dynode. Un dispositif comportant n dynodesprésente un coefficient de multiplication A = n. Le photomultiplicateur (P.M.) est équivalent à unecellule photoélectrique associée à un amplificateur de cour de gain élevé (A ~ 106)

Le scintillateur doit être monté sur le phototube par l'intermédiaire d'un milieu d'indice deréfraction intermédiaire entre ceux du cristal et de la photocathode. On utilise des graisses optiquesde grande viscosité et, si nécessaire, des guides de lumière peuvent être montés entre le détecteuret le phototube.

La photocathode, semi transparente, offre une efficacité dépendant de la longueur d'ondede la lumière incidente. Le rendement quantique, nombre d'électrons émis par photon lumineuxincident, est au maximum de 25 %.

Les dynodes, réalisées en alliages Cu-Be ou Ag-Mg, ont des coefficients d émission secondaire de 4 à 5 pour une tension entre étages de l'ordre de 150 volts

La haute tension est appliquée entre la cathode et l'anode, chaque dynode étant à unetension définie par le pont d'alimentation.

Le signal de sortie peut être prélevé sur la dernière dynode ou sur l'anode, aux bornes d'unerésistance de charge élevée. La forme et l'amplitude de l'impulsion de sortie dépendant du rapportde la constante de temps RC du circuit de sortie à celle du scintillateur.

Interaction des photons avec la matièreLes photons sont classés non en fonction de leur énergie, mais selon leur mode e production

Le terme "rayonnements " s'applique aux rayonnements électromagnétiques émis dans destransitions nucléaires. Le rayonnement de freinage et les spectres continus de rayons X résultent del'accélération de charges électriques électrons ou particules lourdes chargeas). Les rayons Xcaractéristiques sont mis dans les transitions d'électrons entre les couches K, L, M ... des atomes.Tous ces rayonnements sont de même nature, et leur interaction avec la matière st indépendante deleur origine.

De nombreux processus peuvent entraîner la diffusion ou l'absorption des photons, maisdans le domaine d'énergie des transitions nucléaires (10 keV à 10 MeV) trois processus sont trèslargement dominants, et permettent d'expliquer les effets observés: ce sont 1'effet Compton, l'effetphotoélectrique et la production de paire électron-positon.

Effet photoélectriqueLe photon d'énergie E disparaît en cédant toute son énergie de préférence à l'électron le plus lié aunoyau qui expulsé de l'atome avec une énergie :

T = E - Be

Où Be est l'énergie de liaison de l'électron.

Un effet photoélectrique laisse une lacune dans une couche profonde du cortège électronique. Il estdonc suivit d'un réarrangement qui s'accompagne d'émission X ou de l'émission d'électron Auger.

L'effet ComptonC'est une diffusion inélastique du photon incident dans l'interaction avec un électron

atomique. Lors d'une interaction Compton, le photon incident d'énergie E perd une partie de sonénergie qui est transférée à un des électrons de l'atome. Le plus souvent, cette interaction se produitavec les électrons des couches externes de l'atome (les moins liés) car ils sont les plusnombreux. On considère donc ces électrons comme libres et initialement au repos.

Soit un photon d'énergie h incident sur un électron. Sa quantité de mouvement p = k doitêtre conservée dans la collision. Le photon diffusé est émis dans une direction faisant un angle aveccelle du photon incident. Sa quantité de mouvement est donc | p' | < | p | et son énergie h' < h, ladifférence h' - h étant transférée à l'électron. Les paramètres utilisés sont indiqués sur la figure ci-dessous:

La conservation d'énergie et de la quantité de mouvement conduisent à :c' -

c = - ' =

hm0 c2 ( 1 – cos)

Si on remplace h = E et h' = E', on obtient

E' =E

1 + (1 - cos) avec E

mc2

L'énergie transférée à l'électron est E – E’.Elle est maximale lorsque que = . On obtient donc

Tmax = 2 E' = E

2

1 + 2 Dans ce cas on dit que le photon "rétrodiffuse" et l'énergie maximale Tmax = Ec sera appelée"énergie de front Compton" dans le spectre obtenu.

Figure: Distribution en énergie des électrons de recul après diffusionCompton. Les ``pics'' sont appelés Compton edge

Production de Paire e+ et eCe phénomène peut se manifester lorsque 1'energie du photon incident est supérieure au

seuil de matérialisation d'une paire électron-positron (E > 2mec2, où m0 est la masse au repos del'électron). L'énergie résiduelle apparaît en énergie cinétique des électrons :

E = 2 m0c2 + Ee + Ee+

Apres dissipation de son énergie cinétique par chocs successifs dans le milieu matériel, le positroninstable s'annihile avec un électron. La quantité de mouvement ne peut être conservée que si deuxphotons de même impulsion sont émis. Ces deux photons ont donc la même énergie et sont émisdans des directions opposées.

Chacun a une énergie égale à l'énergie de masse de l'électron : m0c2 = 511 keV.

Les processus de production de paires et de rayonnements de freinage sont intimement liés.Mathématiquement, les deux théories sont presque identiques.

Spectrométrie des rayonnements

Principes générauxLes divers processus d'interaction photon - matière décrits précédemment interviennent dans lesdétecteurs. Lorsque la réponse du détecteur est proportionnelle à l'énergie déposée par le

rayonnement (ce qui est le cas des détecteurs utilises en spectrométrie ), à un rayonnementmonoénergitique correspond une réponse complexe.

Tout d'abord, l'interaction se produit avec une probabilité proportionnelle à la section efficace totaled'absorption. Tout détecteur sera caractérisé par une efficacité qui représente la probabilité pourque le détecteur délivre une information lorsqu'un photon l'atteint. Cette probabilité dépend de lanature du détecteur (influence du numéro atomique du matériau) et de l'énergie des photons.

Spectre théoriqueLe "spectre" d'énergie des rayonnements est la distribution de fréquence des énergies derayonnement absorbées par le détecteur. Pour tout processus conduisant à l'absorption totale del'énergie du photon incident (en une ou plusieurs étapes), le détecteur délivre une impulsiond'amplitude définie, proportionnelle à cette énergie. Le spectre comporte donc une raie " de pleineénergie", souvent appelée "photopic' car l'effet dominant qui y contribue est l'effet photo-électrique(tout au moins aux énergies E < 2 MeV). Lorsqu'un effet Compton se produit dans le détecteur,l'énergie cinétique de l'électron Compton est dissipée par chocs successifs dans le détecteur.L'énergie du photon diffuse ne sera recueillie que si celui-ci subit à son tour une interaction(photoélectrique par exemple) dans le volume sensible du détecteur. Dans le cas contraire, ledétecteur fournira une réponse proportionnelle à l'énergie de l'électron Compton, qui est compriseentre zéro et Ec = E /(1 + m0c2/2E ). A l'effet Compton correspond donc une distribution spectralecontinue ente ces deux limites d'énergie.

Enfin, lorsque E > 1.022 MeV, la production de paire e+, e- devient possible Les énergies cinétiquesde l'électron et du positon sont recueillies. L'annihilation de l'e+ donne lieu à l'émission de deuxphotons d'énergie m0c2 = 511 keV qui peuvent chacun être absorbe ou non dans le volume sensible.

Selon que l'un seulement ou les deux photons d'annihilation ne sont pas absorbe le détecteurrecueille E - 0.511 MeV ou E - 1.022 MeV. A ce phénomène correspond les deux raiesd'échappement.

Les phénomènes d'ionisation produits par les électrons photoélectriques ou Compton dans ledétecteur sont aléatoires, ainsi que d'autres phénomènes de conversion qui seront envisagésultérieurement. I1 en résulte que les raies spectrales observées présentent un élargissement du auxfluctuations statistiques autour d'une valeur moyenne de la réponse du détecteur. Les raiesexpérimentales présentent donc une distribution normale. Le nombre des ionisations ou excitationsatomiques étant sensiblement proportionnel à l'énergie absorbée, la valeur moyenne de l'amplitudedes impulsions est V = kE et l'écart type de la distribution des amplitudes est = k E . La raie

Distribution Compton

Raies d'échappement

Pic de pleineénergie

Energie

Nom

bre

d'év

énem

ents

expérimentale est caractérisée par sa largeur à mi-hauteur E = FWHM = 2 x 1.17 = 2,34 k E . La

largeur relative V/V =2.34 k E /kE et donc proportionnel à 1/ E .

La largeur de raie caractérise l'aptitude du détecteur à discriminer des rayonnements d'énergiesvoisines. Cette caractéristique, appelée pouvoir de résolution ou plus fréquemment ''résolution'' estexprimée, selon les détecteurs, sous la forme E (en keV), ou la forme E/E (en %) pour une valeurd'énergie prise comme référence (généralement la raie 1.332 MeV du 60Co).

La chaîne de désintégration du radium 226

TP 1 : ETALONNAGE ET ETUDE DU SPECTRE DU CESIUM 137

Matériel utilisé- Un détecteur NaI(Tl)- Une alimentation stabilisée variable jusqu’à 5 kV- Un amplificateur linéaire pour spectroscopie- un châssis d’alimentation basse tension pour l’amplificateur- Un analyseur multicanaux 2048 canaux- Sources radioactives gamma étalonnées: 22Na ,137Cs, 241Am et 60CoEtalonnage1. Les sources utilisées sont 137Cs, 60Co, 22Na et 241Am. A partir de tables (JEFPC), établir les schémas

de décroissance et déterminer les énergies des gammas émis dans leur décroissance.2. Etablir le schéma du montage, identifier les éléments constitutifs de la chaîne de détection.3. Mettez la tension sur le photomultiplicateur (900 volts)4. Mettez la tension sur l'amplificateur5. Allumer le PC et lancer le logiciel d’acquisition CassyLab (répondre Annuler)6. Placer la source de 22Na et dans la barre de menu utiliser l’icône pour régler les

paramètres de la carte d’acquisition (Gain, polarité…)7. Configurer le temps de prise de données à 300 sec.8. Lorsque le paramétrage est terminé et sauvegardé, on peut commencer l'acquisition des

mesures. Il suffit de cliquer sur l'icône du menu (ou d'appuyer sur la touche F9). Unnouveau clic sur cette même icône arrête la mesure en cours. Lancer une acquisition.

9. Relevez un spectre de bruit de fond10. Relever les spectres gamma des sources disponibles.11. Ouvrir le fichier « cassy1_1005_2010_2011.xls », et charger le spectre, correspondant à la source

de 22Na.12. Soustraire de ce spectre le spectre du bruit de fond13. Identifier les pics observés (canal, en utilisant le programme PClook32.14. Pour représenter le spectre en fonction de l'énergie, il convient de procéder à un étalonnage

énergétique. Pour ce faire, nous allons utiliser les raies du Na22. Tracer la droite d'étalonnageE = f(Canal) entre l’énergie E (KeV) et le canal C correspondant. Déterminer les coefficients a etb de la droite d’étalonnage.

15. Charger le spectre correspondant à la source de 137Cs, puis déterminer l’énergie des raiesobservées. Comparer avec les valeurs tabulées.

16. Ajuster à nouveau la droite d'étalonnage à l’aide de ces points.17. Charger le spectre correspondant à la source de 60Co, puis déterminer l’énergie des raies

observées. Comparer avec les valeurs tabulées.18. Dans un tableau reporter la résolution du détecteur E (en KeV) pour les différents pics des

sources utilisées

Etude du spectre du césium 137

19. Charger le spectre correspondant à la source de 137Cs. Expliquez de façon qualitative la forme duspectre : origine physique du pic photoélectrique, du front Compton et du pic de rétro diffusion.

20. Calculez l’énergie attendue pour le front Compton21. Calculez l’énergie attendue pour le pic de retro diffusion.22. On s’intéressera en particulier à la position du front Compton. Le spectre théorique fait

apparaître une brusque rupture de pente au niveau du front Compton. Le spectre expérimentalest en fait la convolution du spectre théorique par une gaussienne (résolution de l’appareillage).Cette convolution conserve-t-elle la position du pic photoélectrique, du front Compton et du picde rétro diffusion.

23. Charger le spectre de césium 137 avec du plomb derrière. Il y a apparition d'un pic d’énergie72.8 keV. Identifier ce pic et expliquer ce qui se passe quand on place le plomb.

TP 2 : RELEVE DU SPECTRE GAMMA COMPLEXE DU RA 226 ET DE SESPRODUITS DE FILIATION

Matériel utilisé- Un détecteur NaI(Tl)- Une alimentation stabilisée variable jusqu’à 5 kV- Un amplificateur linéaire pour spectroscopie- un châssis d’alimentation basse tension pour l’amplificateur- Un analyseur multicanaux 2048 canaux- Sources radioactives gamma étalonnées: 137Cs, 241Am

1. Pour les sources 137Cs, 241Am faire les schémas de décroissance à partir de tables, et déterminerles énergies des gammas émis dans leur décroissance.

2. Allumer le PC et lancer le programme PClook32.3. Charger le spectre correspondant à la source de 137Cs-Pb et identifier les pics observés.4. Procéder à un étalonnage énergétique et tracer la droite d'étalonnage E = f(Canal). Déterminer

les coefficients a et b de la droite d’étalonnage.5. Charger le spectre correspondant à la source de 241Am et identifier en énergie les pics observés.6. Charger le spectre correspondant à la source de 226Ra et déterminer l’énergie les pics observés.7. Les raies mesurées sont assignées aux divers isotopes de la chaîne de désintégration du radium.

En s'aidant des valeurs données dans la littérature et des logiciels à votre disposition, ou aussi decertaines adresses Internet telles que http://nucleardata.nuclear.lu.se/nucleardata/toi/ identifierces raies.

TP 3: OBSERVATION QUANTITATIVE DE L'EFFET COMPTON

Matériel utilisé- Un détecteur NaI(Tl)- Une alimentation stabilisée variable jusqu’à 5 kV- Un amplificateur linéaire pour spectroscopie- un châssis d’alimentation basse tension pour l’amplificateur- Un analyseur multicanaux 2048 canaux- Sources radioactives gamma étalonnées: 137Cs et 241Am

1. Relier le module de sortie du compteur à scintillations à l'adaptateur AMC et à l'alimentationhaute tension. Installer le plateau gradué sur son support et disposer l'écran en plomb.

2. Allumer le PC et charger le programme d’acquisition.3. Positionner la source d’étalonnage (137Cs +241Am) à l’angle 0° (par rapport au détecteur). Relever

le spectre des gammas et identifier les pics observés.4. Procéder à un étalonnage énergétique E = f(Canal) à l'aide des raies pour 662 keV et 59,5 kev et

déterminer les coefficients a et b de la droite d’étalonnage.5. Placer au centre du plateau gradué, le diffuseur en aluminium, remplacer la source

d’étalonnage par celle de 137Cs.6. Pour les angles (0°,30°,45°, 60°,90° et 120°) entre la direction de la source et celle du détecteur

relever le spectre des gammas diffusés dans l'aluminium avec et sans diffuseur.7. A l’aide du programme d’analyse PClook32, former le spectre de diffusion (différence entre les

spectres avec et sans diffuseur d'aluminium) pour chaque angle.8. D'après les spectres de diffusion, déterminer E L'énergie des gammas diffusés en fonction de

l'angle correspondant et comparée avec la valeur théorique.