Dtection et mesure des rayonnements ionisants 1 IAEA

Détection et mesure des rayonnements ionisants - 1 IAEA International Atomic Energy Agency Jour 3 – Leçon 3

Objectif Apprendre davantage sur les différents types de détecteurs de rayonnements utilisés en radioprotection IAEA 2

Contenu • Détecteur • Principe d’un détecteur • Types de détecteurs IAEA 3

Détecteurs • Le détecteur est une base fondamentale dans toute pratique mettant en œuvre des rayonnements ionisants • La connaissance parfaite des instruments ainsi que leur limitation est essentielle pour une bonne interprétation des résultats de mesures IAEA 4

Matière du Détecteur • Tout matériau qui présente des changements mesurables lorsqu’il est présenté aux rayonnements ionisants peut être utilisée comme détecteur de rayonnement ionisant. • • • Changement de couleurs Les changements chimiques Émission de lumière visible La charge électrique Détecteurs actifs: mesure immédiate de la modification. Détecteurs passifs: le traitement avant la lecture IAEA 5

Principe d’un détecteur • Détecteurs rempli de Gas • Chambres d’ionisations • Compteurs proportionels • Geiger Müller (GM) tubes • Détecteurs à Scintillation • solides • liquides IAEA • Autres détecteurs • Semi conducteurs • Films • Détectors à Thermoluminescense (TLD) 6

Types de détecteurs 1) Compteurs Détecteur rempli de gaz Détecteurs à scintillations 2) Spéctromètres Détecteurs à scintillations Détecteurs solides 3) Dosimètres Détecteur rempli de gaz Détecteurs solides Détecteurs à scintillations Détecteurs thermoluminiscents Film IAEA 7

Types de détecteurs Effet Type d’ Instrument Détecteur Electrique 1. Chambre d’ionisation 1. Gas 2. Compteur proportionnel 2. Gas 3. Tube GM 3. Gas 4. Détecteur solide 4. Semiconducteur 1. Film 1. Émulsion Photographique 2. Dosimètre chimique 2. Solide ou Liquide Lumière 1. Compteurs à scintillations 1. Cristal ou Liquide Thermo- 1. Cristal luminescent 1. Dosimètre Thermo luminescent Chaleur 1. Calorimètre 1. Solide ou Liquide Chemique IAEA 8

Détecteurs remplis de gaz Ces détecteurs consistent en: • un tube rempli de gaz • électrode positive (anode) et une électrode négative (cathode) IAEA 9

Régions des Opérations pour les détecteurs remplis de à Gaz IAEA 10

Chambres d’Ionisation • Plus simple de tous les détecteurs de rayonnement remplis de gaz • Un champ électrique (104 V / m) est utilisé pour collecter l'ensemble des ionisations produites par le rayonnement incident dans le volume de gaz • Dans la plupart des chambres d'ionisation, le gaz entre les électrodes est de l'air. • La chambre peut ou ne peut pas être scellée de l'atmosphère. • Il existe de nombreuses conceptions différentes pour les électrodes dans une chambre d'ionisation, mais en général, elles sont constituées d'un fil à l'intérieur d'un cylindre, ou une paire de cylindres concentriques IAEA 11

Chambres d’Ionisation Ion négatif Ion Positif Electromètre + 1234 HV La réponse est proportionelle au nombre d’ionisations (activité, débit d’exposition) Propriétés générales des Chambres d’ionisations Ø Haute précision Ø Stable Ø Sensibilité relativement faible IAEA 12

Exemples de chambre d’ionisations IAEA 13

Applications des chambres d’ionisations § Mode courent § Surveillance § Spectrométrie Alpha radiologique § Calibration de sources de rayonnements § Mesure des gaz radioactifs § Mode Pulsé § Comptage IAEA 14

Propriétés des chambres d’ionisations • Haute précision • Stables • Sencibilité relativement basse IAEA 15

Problèmes des chambres d’ionisations • Un problème de base avec des chambres d'ionisation, c'est qu'ils ne sont pas tout à fait efficaces comme détecteurs de rayons x et gamma. • Seul un très faible pourcentage (moins de 1 pour cent) de rayons X ou gamma en passant par la chambre crée l’ionisation de l’air • • Pour. les rayons x et gamma, leur réponse varie avec l'énergie du photon, à cause de l'absorption des photons dans le volume de gaz • L'efficacité de détection et de la pénétration relative des photons à travers les parois de la chambre sont deux processus dépendant de l'énergie IAEA 16

Compteurs Proportionnels § Les compteurs proportionnels sont exploités à une tension de champ électrique de 106 V/m pour les gaz provoquant des avalanches § Applications § Basse énergie des rayons x § Détection de Neutrons § Spéctrosmétrie IAEA 17

Détecteurs Proportionnels Multiplication & Avalanche dans le gaz L'avalanche s'arrête une fois que le champ électrique est réduit à un seuil à cause de la charge d'ions positifs accumulés dans le gaz. anode un électron cathode IAEA 18

Propriétés des compteurs Proportionnels • Ils peuvent être utilisés dans des situations dans lesquelles le nombre de paires d'ions générées par le rayonnement est trop faible pour permettre un fonctionnement satisfaisant dans les chambres d'ionisation de type pulsé. • Une sensibilité un peu plus élevée que la chambre d'ionisation • Utilisé pour les particules et les photons de basse énergie IAEA 19

Compteurs GM • Lorsque l'intensité du champ électrique à travers un compteur proportionnel est augmentée (> 106 V / m), le dispositif entre dans une région de fonctionnement du compteur GM. • Le compteur GM est un dispositif à ionisation de gaz dans lequel l'effet d'ionisation crée une réaction qui peut être convertie en un signal de sortie électrique. • C'est un détecteur rempli de gaz conçu pour un effet d'amplification maximale de gaz. IAEA 20

Structure du tube GM • Le fil central (anode) est maintenu à une tension positive élevée par rapport à l'électrode cylindrique extérieure (cathode). • L'électrode externe peut être un cylindre en métal ou une couche de film métallique à l'intérieur d'un tube en verre ou en plastique. • Des compteurs GM ont une fenêtre d'entrée de rayonnement mince à une extrémité du tube. • Le cylindre ou le tube est scellé et rempli d'un mélange de gaz spécial, typiquement de l'argon ainsi qu'un gaz de trempe. IAEA 21

Gaz de remplissage • Les gaz utilisés dans un tube GM doivent répondre à certaines exigences telles que celles des compteurs proportionnels. • Les gaz rares sont largement utilisés pour le remplissage des tubes GM, avec de l'hélium et l'argon, les plus populaires. • Un deuxième volet est normalement ajouté à la plupart des gaz GM à des fins de refroidissement, les avalanches d'électrons. IAEA 22

Usage des tubes GM • Simple, peu coûteux, facile à utiliser • Impulsion de type compteur qui enregistre le nombre d'événements de rayonnement • Toutes les informations sur l'énergie sont perdues, n’ont pas la capacité de faire la spectrométrie • Temps mort dépasse largement tout autre détecteur de rayonnement couramment utilisé • Il a une sensibilité élevée, mais a une précision faible. IAEA 23

Types des tubes (GM) IAEA 24

Détecteurs à Scintillation • Scintillation est un moyen de détection de la présence de rayonnements ionisants • Le rayonnement ionisant interagit avec un scintillateur qui produit une impulsion de lumière • Cette lumière interagit avec une photocathode qui se traduit par la production d'un électron • L'électron est multiplié dans un tube photomultiplicateur ayant une série de dynodes ciblées avec l'augmentation de la tension qui résulte en un signal électrique, IAEA 25

Détecteurs à scintillation • Le nombre de coups dépend de l'activité présente • L'énergie de l'électron, et par conséquent, le courant associé est proportionnel à l'énergie du rayonnement ionisant incident • En analysant l'énergie et le nombre de coups correspondant, le nucléide et l'activité peuvent être déterminés IAEA 26

Détecteurs à scintillation Il existe plusieurs types de détecteurs à scintillation: • scintillateur Na. I (iodure de sodium): limité à la détection des gamma; • scintillateur plastique: solution de composés fluorescents inclus dans une matière plastique transparente (portiques); • scintillateur Zn. S (sulfure de zinc): utilisés pour la détection du rayonnement alpha IAEA 27

Détecteurs à scintillation (alpha) IAEA 28

Détecteurs à scintillation (alpha) Le tube du photomultiplicateur se trouve dans le poigné. IAEA 29

Détecteurs à Scintillations (photons) IAEA 30

Analyse du spectre • Des détecteurs à scintillation, lorsqu'ils sont utilisés avec un analyseur multi canal (MCA) fournissent des informations sur l'énergie d'un photon qui a interagi avec le détecteur, ainsi que l'activité présente • Le spectre peut être analysé pour déterminer les isotopes qui sont présents IAEA 31

Dosimètres Thermolumniscents (TLD) Mécanismes de Thermoluminescence : • Thermoluminescence est l'émission de lumière à partir d'un cristal en chauffage, après l'enlèvement d'excitation (c. -à rayonnement ionisant). • La dose de rayonnement amène les électrons dans le cristal de passer d'états de faible énergie à des états d'énergie supérieurs. IAEA 32

Dosimètres Thermolumniscents (TLD) • Certains de ces électrons excités sont piégés dans des états métastables • Ces photons peuvent être collectées avec un tube photomultiplicateur. • Par un étalonnage approprié, la dose délivrée au cristal peut être mesurée. IAEA 33

Processus Simplifié du TLD IAEA 34

Thermoluminescence principe du. TLD matériau Thermo-luminescent photomultiplicateur Émission de lumière Chauffage du filament IAEA 35

Courbes de lecture TLD IAEA 36

TLD Advantages: Inconvénients: • Petite taille • Temps de réponse lent • Haute sensibilité • Pas d’enregistrement • Intégration permanent • Equivalent Tissus IAEA 38

Détecteurs de Neutrons BF 3 Construction du tube • Dimensions et géométrie du tube Ø Tube de grande taille à forte pression de gaz de remplissage Ø Il est d’une géométrie cylindrique Ø Cathode • Al : Section efficace pour l’absorption des neutrons • SS : Préféré par rapport aux autres car Al montre l’activité alpha IAEA 39

Détecteurs de Neutrons BF 3 Effet du vieillissement Dégradation des performances après l’enregistrement de 1010 - 1011 coups Rendement de détection • Efficacité diminue brusquement avec l'augmentation de l'énergie des neutrons • Espaces morts pour la collecte de charge réduisent l'efficacité de détection IAEA 40

Neutrons lents Détecteurs au Litium • la réaction induite par les neutrons est détectée sur la base des scintillateurs au lithium • La fonction du scintillateur Li. I(Eu) comme le détecteur Na. I(Tl) • La taille des cristaux est plus grande que la gamme de production de réaction, la réaction de la hauteur d'impulsion est sans effet et une seule paroi est formée • L'efficacité de scintillation est presque la même pour les particules chargées lourdes et les électrons secondaires IAEA 41

Le compteur Proportionnel à 3 He Conception du tube à 3 He Diamètre plus large que possible • La Pression 3 He est augmentée pour réduire la portée des particules chargées • Ajouter une petite quantité d'un gaz plus lourd pour augmenter le pouvoir d’arrêt IAEA 42

Détecteurs d’état solide • Les détecteurs d’état solide sont appelés aussi des détecteurs Semi-conducteurs • Dans ces détecteurs de rayonnement, un matériau semiconducteur un cristal tel que le silicium (Si) ou germanium (Ge) constitue le moyen de détection. • Dans le détecteur les paires d’électron-trou sont produites lorsqu’une particule du rayonnement ionisant le traverse • En conséquence, une impulsion de courant généré est mesurée • Le fonctionnement des détecteurs Ge(Hp)e nécessite l'azote liquide IAEA 43

Détecteurs d’état solide IAEA 44

Utilisation du Solide comme moyen de détection § Dans de nombreuses applications de détection de rayonnement, l'utilisation de support solide est d'un grand avantage § Pour les électrons de haute énergie et des gammas, des détecteurs à semi-conducteurs sont beaucoup plus petits que les détecteurs remplis de gaz § La résolution en énergie peut être améliorée en augmentant le nombre de porteurs de charge - possible dans les semiconducteurs IAEA 45

Détecteurs Semi-conducteurs • Les caractéristiques souhaitables de - (détecteurs à diode semi-conducteur) ou des détecteurs à l’état solide • Taille compacte • Résolution en énergie élevée • Temps de réponse rapide • Épaisseur efficace - peut varier en fonction de l'exigence matériaux semi-conducteurs • Silicium - Utilisé pour la spectrométrie des particules chargées • Germanium IAEA - Utilisé pour la spectrométrie gamma 46

Détecteurs Semi-conducteurs • Lorsqu'une tension positive est appliquée sur le matériau de type-n et la tension négative au matériau de type-p, les électrons sont expulsés plus loin de la région en créant une région d'appauvrissement beaucoup plus épaisse • La région d'appauvrissement agit comme le volume sensible du détecteur • Le rayonnement ionisant en entrant dans cette région va créer des trous et des électrons en excès qui migrent et provoquent une impulsion électrique IAEA 47

Détecteurs Semi-conducteurs Polarisation inverse Anode (+) ++ ++ ------ Cathode (-) Intrinsèque/ Région d’épuisement IAEA 48

Détecteurs Semi-conducteurs Les rayons gamma transfert l'énergie aux électrons (principalement par diffusion Compton) et ces électrons traversent la région intrinsèque du détecteur (+ ) (-) e IAEA 49

Film Dosimètre Fenêtre ouverte Filtre du Cu (0. 05, 0. 3 et 1. 2 mm) Kodak Type 2 0. 8 mm Filtre en Pb IAEA Film Radiographique 50

Film Dosimètre • Les dosimètres films (communément connus par film badge) sont constitués d'un morceau de film photographique dans un support • Le support est équipé d'une gamme de filtres qui nous permettent de distinguer entre les bêta, rayons X, gamma et les neutrons thermiques et permet également la détermination de l'équivalent de dose individuel pour Hp (10), Hp (0, 07) et Hp (3) IAEA 51

Film Dosimètre Ø En déterminant le degré de noircissement (densité optique) sur le film développé et en la comparant avec des films calibrés qui ont été exposés à des doses connues, il est possible de déterminer à la fois la dose totale reçue par l'utilisateur et également la contribution de la dose totale par l'type de rayonnement Ø Les différents filtres utilisés dans les films badges permettent de déterminer les doses: corps Hp (10), la peau Hp (0, 07) et les yeux Hp (3) qui sont présentées IAEA dans la figure et le tableau ci-dessous 52

Film Dosimètre Filtre Fenêtre Plastique (50 mg cm-2) Plastique (300 mg cm-2) Dural (0. 040”) Sn + Pb (0. 028” 0. 012”) Cd + Pb (0. 028” 0. 012”) Plomb (0. 012”) Indium (0. 4 g) Application béta et rayons x mous et ray-x dose et énergie* et ray-x dose et énergie * neutrons lents** bord blindage+ suivi de l'accident de neutrons * détermination quantitative de ** par gamma émis après la capture par le cadmium d'éviter le chevauchement d'un noircissement du film dû à l'angle d’incidence du rayonnement + IAEA 53

Film Dosimètre A B Film Package C D E C B A D E O A - Plastic filter B to E - Metallic filters O - Open window IAEA 54

Film Dosimètre • La densité sur le film résulte de trois sources de base : Al Filter Noir = exposé Blanc = non exposé Ø Base+Fog Ø Exposition Pb Filter IAEA 55

Où trouver plus d’information Ø Cember, H. , Johnson, T. E, Introduction to Health Physics, 4 th Edition, Mc. Graw-Hill, New York (2009) Ø International Atomic Energy Agency, Postgraduate Educational Course in Radiation Protection and the Safety of Radiation Sources (PGEC), Training Course Series 18, IAEA, Vienna (2002) IAEA 56