T.D. détection - mesures n°1
Mise en situation
Problématique • Vous disposez des détecteurs suivants :
IRSN - ENSOSP TD ops 2012 V1 3
Catégorie Détecteurs BdF
Ictomètre Canberra SAB 100 0 c/s - 3 c/s
Ictomètre Canberra SAB 70 0 c/s - 3 c/s
Ictomètre Canberra SABG15 0,5 c/s
Ictomètre Canberra MCB 1 0,5 c/s
Ictomètre Canberra MCB 2 0,5 c/s
Ictomètre Canberra SMIBM 0,5 c/s
Ictomètre Canberra SBM 7311 0,5 c/s
Ictomètre Canberra DS 501 0,5 c/s
Ictomètre Canberra SG 2 R 225 c/s
Ictomètre Canberra SX 2 R 20 c/s
Ictomètre Saphymo Como 170 0 c/s - 20 c/s
Ictomère SPP 2 NF 90 c/s
Ictomètre / spectromètre Mirion HDS 100 200 c/s
Problématique • Vous devez, en travaillant en groupe, définir
les détecteurs les plus adaptés à la détection de chaque type de rayonnements / énergie en prenant en compte trois facteurs :
– Le détecteur
– La paroi du détecteur
– La distance entre la source / contamination et le détecteur
Problématique • Analyser la détection des alphas
T.D. détection - mesures n°1
Détection des alphas par les ictomètres
Lt Col D. Giordan - CMIR 68 - Version 1 - octobre 2009
Lt Col D. Giordan - CMIR 68 - Version 1 - octobre 2009
Alpha
1 - traverser le matelas d’air
qui sépare la source du
détecteur
?
2 – traverser la ou les parois
qui entourent le détecteur
?
3 – interagir dans le
détecteur
?
Lt Col D. Giordan - CMIR 68 - Version 1 - octobre 2009
Alpha
1 - traverser le matelas
d’air qui sépare la source
du détecteur
Les particules alpha sont arrêtées par 5 cm d’air ou 25 µm d'eau (la rosée du
matin)
2 – traverser la ou les
parois qui entourent le
détecteur
Les particules alpha sont arrêtées par tout : - humidité
- papier
- etc.
Plus la grille de protection est dense, moins les rayonnements passent
3 – interagir dans le
détecteur
Il ne pourra s’agir, pour une bonne efficacité, que d’une détection en surface.
% de transparence SAB 70 : 59 % de
SA70 : 89 % SAB 100 : 80 %
Lt Col D. Giordan - CMIR 68 - Version 1 - octobre 2009
% de transparence Como 170 : %
Problématique • Analyser la détection des bétas
T.D. détection - mesures n°1
Détection des bétas par les ictomètres
Lt Col D. Giordan - CMIR 68 - Version 1 - octobre 2009
Lt Col D. Giordan - CMIR 68 - Version 1 - octobre 2009
Bêta
1 - traverser le matelas
d’air qui sépare la source
du détecteur
?
2 – traverser la ou les
parois qui entourent le
détecteur
?
3 – interagir dans le
détecteur
?
Lt Col D. Giordan - CMIR 68 - Version 1 - octobre 2009
Bêta
1 - traverser le matelas
d’air qui sépare la source
du détecteur
Penser à rechercher, dans un abaque, le parcours dans l’air des bêtas pour être
sûr qu’il y en a à l’endroit de la mesure : par exemple, un bêta de 1 MeV a un
parcours d'ans l'air de 3,25 m et de 5 mm dans les tissus humains
2 – traverser la ou les
parois qui entourent le
détecteur
Les particules bêta sont facilement arrêtées surtout par les éléments à Z légers
Plus le matériau est dense, plus il y a création de rayonnements X de freinage
Plus la grille de protection est dense, moins les rayonnements passent
3 – interagir dans le
détecteur
Plus le détecteur est léger, moins les rayonnements de freinage induits par le
passage des bêtas sont nombreux, donc plus sont précises les mesures.
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% de transparence
MCB1 50 %
SBM7311 60 % DS 501, SMIBM, SBM 75 %
SABG15 et MCB2 78 %
Problématique • Analyser la détection des photons
T.D. détection - mesures n°1
Détection des photons par les ictomètres
Lt Col D. Giordan - CMIR 68 - Version 1 - octobre 2009
Lt Col D. Giordan - CMIR 68 - Version 1 - octobre 2009
Photons gamma et X
1 - traverser le matelas
d’air qui sépare la source
du détecteur
?
2 – traverser la ou les
parois qui entourent le
détecteur
?
3 – interagir dans le
détecteur
?
Lt Col D. Giordan - CMIR 68 - Version 1 - octobre 2009
Photons gamma et X
1 - traverser le matelas
d’air qui sépare la source
du détecteur
L’écran représenté par le matelas d’air est sans conséquence sur un flux de
photons.
2 – traverser la ou les
parois qui entourent le
détecteur
Les parois des détecteurs ne posent pas de réels problèmes aux photons d’énergie
moyenne à élevée (au-delà de 100 keV)
Les photons de basse énergie (quelques keV à quelques dizaines de keV) sont
arrêtés facilement par des parois métalliques
3 – interagir dans le
détecteur
Plus le détecteur est dense, plus les photons interagiront.
Si le détecteur est trop épais par rapport à l’énergie du photon, la lumière créée ne
pourra atteindre la photocathode (voir page suivante)
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Photocathode
Dynodes
Scintillateur
Anode
g ou X forte E Rayons U.V.
Remarque : les photons interagissent dans le scintillateur à une profondeur variée qui est fonction de l’énergie.
Si le scintillateur est épais et que les photons de faible énergie crée des photons lumineux à une faible profondeur, la lumière ne pourra traverser tout le scintillateur pour atteindre la photocathode.
g ou X faible E
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Quelles sont, pour les sondes gamma et X : Les seuils en énergie
Les bonnes plages d’efficacité Pourquoi ?
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Exemple : NaI + photons
• Sonde gamma : – Seuil en énergie : 30
– bonne e : 100 keV < E < 1 500 keV
– Car paroi épaisse
et scintillateur épais
Lt Col D. Giordan - CMIR 68 - Version 1 - octobre 2009
Exemple : NaI + photons
• Sonde X : – Seuil en énergie : 5 keV
– bonne e : 20 keV < E < 80 à 100 keV
– Car fenêtre mince
et scintillateur fin
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Nature des
rayonnements
Ecrans adaptés Détecteurs
adaptés les plus
courants
Remarques Détection des autres
rayonnements
Photons
gammas et X
Eléments lourds,
denses
Iodure de sodium
(NaI)
Iodure de césium
(CsI)
La densité du scintillateur permet aux
photons d’y interagir. Plus il est épais,
plus les photons de forte énergie sont
mesurés.
Pour permettre aux photons les
moins énergétiques d’atteindre le
détecteur, il est nécessaire de
disposer d’une fenêtre mince dans
l’enveloppe de l’appareil.
Ces détecteurs, souvent
positionnés au cœur des
appareils, ne peuvent être
atteints par les alphas et les
bêtas qui ne peuvent traverser
la paroi d’acier ou de plastique.
Bêtas de faible
énergie
Eléments peu
denses
Geiger Müller à
fenêtre mince (dits
détecteur cloche
ou pancake)
La fenêtre mince permet aux bêtas de
faible énergie de pénétrer dans le
détecteur sans être arrêté, et donc d’y
interagir.
Les Geiger Müller sont des
détecteurs à gaz. La faible
densité de celui-ci ne permet
pas une bonne efficacité de
détection des photons.
Par ailleurs, la membrane de la
fenêtre mince représente un
obstacle à une bonne efficacité
de la détection des alphas.
Bêtas de forte
énergie
Eléments un peu
plus denses
Scintillateur
plastique
Le scintillateur plastique, du fait de sa
faible densité, est adapté aux bêtas
Le scintillateur plastique est
peu dense. Il faut, donc, une
bonne épaisseur de celui-ci
pour espérer arrêter des
photons.
Alphas
Tout élément
représente un
écran pour les
alphas
Scintillateur sulfure
de zinc
L’application du ZnS en surface de la
sonde permet aux alphas d’y interagir
sans avoir besoin de traverser la
paroi de l’appareil.
Le ZnS ne permet que la
détection des alphas.
Synthèse par détecteur
T.D. détection - mesures n°1
Questions supplémentaires
Lt Col D. Giordan - CMIR 68 - Version 1 - octobre 2009
Lt Col D. Giordan - CMIR 68 - Version 1 - octobre 2009
Pourquoi est ce que la sonde alphas bêtas (SAB 100 ou 70) ne peut détecter des photons alors que le Como 170 le peut ?
(pour les deux, il s’agit d’une couche de ZnS sur un scintillateur plastique)
Exemple : scintillateur plastique
• A même densité, c’est l’épaisseur qui fait la différence :
– SAB : scintillateur fin, donc sans interaction avec les photons
– Como : scintillateur épais suffisant pour interagir
Lt Col D. Giordan - CMIR 68 - Version 1 - octobre 2009
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Pourquoi est ce que porter un MCB 1 à la botte est une inénarrable con…rie ?
Exemple synthèse MCB1 à la botte
• Alpha : parcours trop faible pour atteindre le détecteur + grille à 50 % de transparence
• Bêta : écran représenté par paroi en plastique et acier + grille à 50 % de transparence
• Photons : milieu détecteur (gaz) pas assez dense pour interagir
Lt Col D. Giordan - CMIR 68 - Version 1 - octobre 2009
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Pourquoi est ce que les ictomètres à base de GM en verre sont en train de disparaître ?
Exemple GM en verre
• Les GM en verre présentent deux inconvénients majeurs :
– Parois difficile à passer pour les bêtas
– Densité du milieu détecteur trop faible pour les photons
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Exemple GM en verre
• Par exemple, la sonde « haute sensibilité » de MGPI détectait
– Bêta > 250 keV
– Photons > 100 keV
• Quelle sensibilité !!!
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T.D. détection - mesures n°1
Application opérationnelle
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Quels détecteurs choisiriez vous en situation d’incertitude ?
Ictométrie
• principe de base : en situation d’incertitude, les contrôles de contamination doivent se faire des détecteurs les plus généraux vers les plus spécifiques.
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Ictométrie
• Ainsi, les détecteurs qui semblent les plus adaptés, en absence de certitude sur le radioélément, sont :
– ceux qui ont la capacité à détecter les photons supérieurs à 5 keV avec une efficacité correcte (des NaI pour l’instant). Ils sont souvent dénommés sondes X. Ils permettent la détection des photons :
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Ictométrie
• qu’ils soient directement produit par le radioélément
• ou produits indirectement lors de réarrangement du cortège électronique provoqué par le passage d’un rayonnement ionisant, même alpha
– les compteurs cloche à fenêtre mince à Geiger Müller (pancakes), généralement dénommé sonde b mous permettant une détection directe –parfois avec une faible efficacité - des rayonnements a, b et électromagnétiques
Lt Col D. Giordan - CMIR 68 - Version 1 - octobre 2009
Ictométrie
• Puis, dès le type de rayonnements connus, le type de détecteur le plus adapté sera utilisé :
– alpha
– bêta
– gamma
• Levée de doute et mesures devront suivre ces différentes étapes
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Remarque
• Il faut toujours avoir à l’esprit
– qu’il est plus facile de dire qu’un objet est radioactif s’il l’est vraiment ;
– en revanche, il est très difficile de dire qu’un objet n’est pas radioactif car c’est la limite de détection des appareils qui détermine la plus petite valeur de mesure.
Lt Col D. Giordan - CMIR 68 - Version 1 - octobre 2009
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Quels sont les détecteurs les plus intrinsèquement directionnels ?
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Eurysis Sonde Gamma 2
en chocs/s
0
500
1000
1500
cobalt 60césium 137
Eurysis Sonde SMIX
en chocs/s
0
200
400
600
cobalt 60césium 137
Eurysis Sonde X 2
en chocs/s
0
200
400
600
cobalt 60césium 137
Saphymo SPP 2 NF
en chocs/s
0
500
1000
1500
2000
cobalt 60
césium 137
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Paramètres à prendre en compte
• Blindage des côtés
• Rapport surface/épaisseur
T.D. détection - mesures n°1
Limites et fragilités des détecteurs
Lt Col D. Giordan - CMIR 68 - Version 1 - octobre 2009
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Quelles sont les fragilités et limites des scintillateurs NaI ?
Détecteur scintillateur NaI
• Le détecteur
– est sensible à l'humidité car l'iodure de sodium est très hydroscopique. Si l'iode s'hydrate, il devient opaque et jaune.
– ne supporte pas les températures sous 0°C, le gel risque de le fendiller.
Lt Col D. Giordan - CMIR 68 - Version 1 - octobre 2009
Détecteur scintillateur NaI
• Le détecteur ou le PM
– risque de se fendre en deux si la température monte trop rapidement
– est fragile et sensible au choc
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Détecteur scintillateur NaI
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Quelles sont les fragilités et limites des GM fenêtre mince ?
Détecteur GM à fenêtre mince
• la membrane de la fenêtre mince est très fragile, tout objet piquant ou une simple variation importante de la pression atm. peut la faire rompre, entraînant la libération du gaz détecteur contenu dans le GM.
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Détecteur GM à fenêtre mince • il faut se méfier des valeurs fortes : souvent
les détecteurs saturent alors même que l’écran ne le montre pas :
– ainsi, le Geiger Müller sature vers 1 000 c/s, au-delà, les mesures sont sujettes à caution (2 000 peut vouloir dire 20 000 c/s !) sauf pour ce qui concerne les émetteurs bêtas purs de faible énergie
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Quelles sont les fragilités et limites des scintillateurs plastiques ?
Détecteur scintillateur plastique
• il faut se méfier des valeurs fortes : souvent les détecteurs saturent alors même que l’écran ne le montre pas :
– ainsi, le plastique sature à 8 ou 9 000 c/s
• le détecteur est sensible aux neutrons (réaction n,p) dont l’énergie est comprise entre quelques eV et 10 MeV
Lt Col D. Giordan - CMIR 68 - Version 1 - octobre 2009
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Quelles sont les fragilités et limites des scintillateurs ZnS ?
Détecteur scintillateur ZnS
• le dépôt de ZnS est très fragile, la moindre rayure créera une prise de lumière qui saturera le photomultiplicateur.
– Ainsi, 9 999 c/s en dirigeant l’appareil vers le soleil indique une rayure ou une fragilité plutôt qu’une forte radioactivité
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Détecteur scintillateur ZnS
• il faut se méfier des valeurs fortes : souvent les détecteurs saturent alors même que l’écran ne le montre pas :
– ainsi, le ZnS sature à 8 à 9 000 c/s
• le ZnS est sensible aux neutrons dont l’énergie est comprise entre quelques eV et 10 MeV.
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Détect. CdZnTe/CdTe appelé CZT
• un détecteur de nouvelle génération qui se comporte comme des semi-conducteurs à la température ambiante (spectrométrie). Il permet la construction d’appareils de petites dimensions.
• la taille des CZT reste limitée ce qui permet difficilement d’obtenir une bonne statistique.
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