UE 3A

Organisation des appareils et des systmes :

UE3A

Organisationdesappareilsetdessystmes:Aspectsfonctionnelsetmthodesdtude

DrTristanRichard

L1sant anneuniversitaire2009/10

RayonsXetgamma RayonnementsparticulairesNaturesetpropritsdesREMPrincipalescaractristiquesdesrayonnements etInteractionaveclamatire:effetphotolectrique,diffusions,matrialisationDtection

PhysiqueNuclaires:Gnralits LaRadioactivit InteractionsRayonnements Matire LesRactionsNuclaires LesRayonsX LesDtecteurs

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Lesdtecteurs

HorstFra

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LesDtecteurs

1. Lesdiffrentstypesdedtecteurs1.1 Dtecteursbasssurlionisationgazeuse1.2 Dtecteurs semiconducteurs1.2 Dtecteurssemi conducteurs1.3 Dtecteursscintillation2. Mesuresdesrayonnements2 1 P f d dt t

HorstFra

2.1 Performancesdundtecteur2.2 Mesuresquantitatives

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1. Lesdiffrentstypes dedtecteurs

principedtection interactionsrayonnementsionisants matire

diffrentstypesdedtecteursyp

performancesetutilisationsdiffrentes

typededtecteur application

plaquephotographiqueradiographiedosimtrie

calorimtre phnomnesthermiques

compteur proportionnelcompteurproportionnelcompteur GeigerMuller

ionisationdungaz

dtecteursemiconducteur ionisationdunsolide

phnomneslumineux dtecteurscintillation

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1.1 Dtecteursbasssurlionisationgazeuse1.1.1Mcanismes

ionisationsprimaires A A+(*) +e

ionisationssecondaires

Gazraresoudefaibleaffinitpourleslectronsa a es ou de a b e a pou es ec o s

e primaire e secondaire

e +A A+(*) +e +e

e primaire e secondaire

Gazdeforteaffinitpourleslectrons

e +A A(*)

bi i A+ + e A(*)recombinaisons A+ +e A( )

dsexcitations des espces formes (A(*) , A+(*) , A(*) )

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dsexcitationsdesespcesformes(A ,A ,A )

1.1.2Actiondunchamplectrique

applicationchamplectrique acclrationparticulescharges

crationcourantlectrique

EE

acclrationparticulemqE

a =

+

E

F=qE

particuleslourdes acclrationplusfaible

difficilercuprerionslourdssurlectrodesq>0

q

rcupration des e (lgers) sur lectrodesrcuprationdese (lgers)surlectrodes

mesureducourantlectriquecorrespondant

ili i d ( f ibl ffi i l i )utilisationdegazrares(oufaibleaffinitlectronique)

limitationformationdionslourdsngatifs

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1.1.3Chambredionisationdecourant

cathodefentredansun

matriaupermableauradiationtubecontenantunmlange

gazeux sous faible pression

circuitlectriqueamplificateur

mesure de courant

gazeuxsousfaiblepression

anodemesuredecourant

sourceradioactive(ArgonAlcool,ArgonBrome)

+ gnrateur

hautetensionU 1000V

+

intensit du champ lectrique croissante lorsquon se rapproche de lanodeintensitduchamplectriquecroissantelorsqu onserapprochedel anode

Probabilitdionisationsecondaireidentiquedanstoutletube

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N : nombre de

1.1.4Lesdiffrentsrgimes

N :nombred ecollectslanode

log) 1 2 3 4 5

(chellel

nergie des

TensionUE2>E1

nergiedesrayonnements

ionisants E1

1 zonederecombinaisons (N augmenteavecU): demoinsenmoinsderecombinaisons,deplusenplusdeparticulescollectesauxlectrodes

toutes les particules (ions et lectrons) formes par ionisation primaire2 touteslesparticules(ionsetlectrons)formesparionisationprimairesontcollectes:chambredionisation

3 ionisationssecondairesdeviennentpossibles:compteurproportionnel

4 ionsforms cranautourdelanode:compteursemi proportionnel

5 chaqueionisationinitialedclencheionisationssecondairesenavalanche

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5 :compteurGeigerMller

Zone

fonctionnementenmode chambredionisation

2

N =Knombrede collects

K b di i ti i iKnombredionisationsprimaires

N fonctionnergie des particules ionisantesnergiedesparticulesionisantes

sensibilitinsuffisantepourdtecteruntrspetitnombredionisations

nepeutpasfonctionnerencompteurdeparticulesspectromtrie

I Fl t i d di ti i i tIs Fluxetnergiedesradiationsionisantes

courant de

intensitI

courantdesaturationI =Is

tensionU

L1sant20092010 UE3AModule5 10zonedefonctionnement

3

ionisationssecondaires

partirdelazoneU croissant

3p

avalanchedeTownsendchoc avecun

e secondaireschoc

e primaire(produitparle

rayonnement ionisant)

atomeouunemolculedegaz choc

etc...rayonnementionisant)

ion,gnralementdansuntatexcit

dsexcitationavecmissiondunphoton

collisionsavecleslectrodes

effetphotolectriquee quipeutsontourfaire des ionisations

photolectronquipeutsontourfairedesionisations

fairedesionisations

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U croissant

Zone

fonctionnementenmode compteurproportionnel

3

p p p

ionisationssecondairesproximitdelanodeetpeunombreuses

N =Kn

1ionisationprimaire formation n e et n ions amplification (105)

nombrede collects

Knombredionisationsprimaires

N fonctionnergiedesparticulesionisantestensionacclratriceU

1particuleionisante 1impulsionlectriquedamplitudedtectablelielnergiedelaparticule

applicationscompteurdeparticulespectromtrie

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spectromtrie

Zone

proportionalit diminue

4

p p

zonenonutilise

5Zone

fonctionnementenmode compteurGeigerMller

ionisationssecondairesdanstoutlespaceentreleslectrodes

ionisationprimaire avalanche lectronique amplification (1010)

ions forms cran autour de lanode (modification champ lectrique)ionsforms cranautourdel anode(modificationchamplectrique)arrt avalanche lectronique(tempsdedcharge~107 s)

applicationcompteurdeparticule

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5Zone

fonctionnementenmode compteurGeigerMllerp g

ionisationssecondairesdanstoutlespaceentreleslectrodes

Audeldecettezone:ladchargelectriquesautoentretientjusquatteindre la tension U disruptive

zonedefonctionnement

tensionU

atteindrelatensionU disruptive(tincelle)

tension de travail au milieu du plateautensiondetravailaumilieuduplateaucompteurdeparticule

inertie du systme lectronique damplification et denregistrementinertiedusystmelectroniqued amplificationetd enregistrementtempsmort caractristiqueducompteur

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1.2 Dtecteurssemiconducteurssemiconducteurs:matriauconductivitlectriqueintermdiaireentrese co ducteu s a au co duc ec que e d a e e eisolantetmtal(conducteur)

bassenergie:isolanth t i d t

Si

hautenergie:conducteur

semiconducteurintrinsque(silicium)Si

b d dlectronlibre

bandedeconduction(BC)

apportnergie

2typesdeporteursdecourant:

lectronslibresettrousbandedevalence(BV)

e devalenceduSilicium

trou(lacunee )

semiconducteurdops

impurets qui modifient le nombre de porteurs ( )impuretsquimodifientlenombredeporteurs

DopagedetypeN(excse ngatif) DopagedetypeP(excstrous positif)

e trou

Si

AsSidopArsenic atome

donneur Si

Ga

trouSidopGallium atome

accepteur

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jonctionPN:miseencontactmatriaudopNetmatriaudopP

E

NP NPrecombinaisonspairese trou

E

++

zonede

crationchamplectrique(E)

recombinaison

++

dpltionrecombinaison

e trou

E1 >E

polarisation ensensinverse

1

+++p

augmentationrecombinaisonspaires

agrandissement zone dpltion (E1 > E) +

++

agrandissementzonedpltion(E1 >E) +

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jonctionPN:miseencontactmatriaudopNetmatriaudopP

actionparticulesionisantesidempolarisation

particulesionisantes recombinaisonspaires E1 >E

rayonnementionisant

p p

agrandissementzonedpltion(E1 >E)

+++

+

dtection:ddp induiteparvariationEfaibletension(qques V)faibledimensionbonnersolutionnergtique

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1.3 Dtecteursscintillation

1.3.1 Mcanismephotocathode

dynodes2

1.3.1Mcanisme

rayonnementionisant

ecircuit

anodedesortie

1

photonsdefl

e lectrique

fluorescence

scintillateur photomultiplicateur

3 hautetension qques 1000V

scintillation:lesrayonnementsionisantsexcitentlesatomesdumatriauquisedsexcitentenmettantdesphotons1

effetphotolectrique:unphotonarracheune delaphotocathode2

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multiplicationdeslectronspuisrecueildusignallectrique3

caractristiquesdunscintillateur

rendementlumineux nombredephotonsdefluorescencemispar

unit dnergie des radiations incidentesunitd nergiedesradiationsincidentes

Duredescintillation doittrelapluscourtepossiblepourlimiterles

temps mortstempsmorts

tempsmort:dureminimalepourquunautrerayonnementsoitdtect.

applicationspectromtrie lenombredephotonsdefluorescencemispp p p

doittreproportionnellnergiedesradiationsincidentes(rendement

lumineux stable)lumineuxstable)

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scintillateurs solides cristaux minraux

1.3.2Lesdiffrentstypesdescintillateurs

scintillateurssolidescristauxminraux

cristaldopparimpurets missionrayonnementlumineux

BC e transitionnonradiative

niveauxduthallium

rayonnementionisant

e

e transition non

e photon(UVbleuengnral)

cristal

BV

e transitionnonradiative

ioduredesodium(NaI)dopauthallium(Tl)( =410nm)

particules protons ( 10 106s)particules,,protons( 10.10 s)

sulfuredezinc(ZnS)ousulfuredecadmium(CdS)doplargent(Ag)

particules ( 1.106s) rendement lumineux stable

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particules ( 1.10 s) rendementlumineuxstable

scintillateurssolidescristauxorganiques

scintillateurs molculeorganique(anthracne,naphtalne,stilbne)

molcules fixes sur un film plastique (scintillateur plastique)molculesfixessurunfilmplastique(scintillateurplastique)

particules ,neutrons( 10.109s)

rendement lumineux faible et non stable haute nergierendementlumineuxfaibleetnonstablehautenergie

peuutilissenmdecine

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scintillateursliquides

scintillateurs molculesorganiquesensolution

possibilit de dissoudre lchantillon radioactif dans le solvantpossibilitdedissoudrel chantillonradioactifdanslesolvant

totalitdelmissiondanslescintillateur

excitationdusolvant

rayonnementionisant

vibrationsexcitationduscintillateur

dsexcitationradiative photon

longueurdondeentre300et350nm

solut secondaire convertisseur de longueur donde

excitationdusolutsecondaire

solutsecondaire convertisseurdelongueurd ondedsexcitationradiative

phnomnede quenching :impurets(quenchers )qui

photondeplusgrande

absorbentlesphotonsdefluorescenceetsedsexcitentensuiteparvibrations(sansmissiondephotons)

exemple:oxygne(barbotageazote)

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scintillateursliquides

solvants carbures,ther,tolune,dioxane,xylne

solutsscintillateurs aromatiques

PPO:2,5diphnyloxazole

q

solutsecondaire

POPOP:1,4di(5phenyl2oxazolyl)benzne

trsutilisenbiologie(bonnedtectiondes de14Cet3H)

particules ,neutrons( 10.109s)

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scintillateursgazeux

mmeprincipequelesscintillateurssolides

rendement faible mais stablerendementfaiblemaisstable

peuutilissenmdecine

utiliss surtout en spectromtrieutilisssurtoutenspectromtrie

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2. Mesuredesrayonnements2 1 Performance dun dtecteur2.1 Performanced undtecteur

gomtrieducompteur

dtecteurrecueilleuniquementlesparticules

mises dans langle solide

teur

misesdansl anglesolideAnglesolide

source

(sr)

Source

dtect

4R2

metdanstouteslesdirectionsdelespace=4 sr

bruitdefondetmouvementpropre

4R

bassesfrquences(BF)mesuresenlabsencedesourceradioactive

rayonnementcosmiqueradioactivitambiantecontaminationventuelledudtecteuragitationthermique(pourlesscintillateurs)

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plus faible activit dtectable

sensibilitdeladtection

plusfaibleactivitdtectable

libruitdefond

il d dt ti S/B < 1seuildedtectionS/B

2.2 Mesuresquantitatives

t d ttauxdecomptage

nombredimpulsionsparunitdetempsparlecompteur(imp.s 1)

BFnn = brutnetrendementducomptage

An

R net= AactivitdelchantillonA

R fonction plusieurs paramtresRfonctionplusieursparamtres

dutypededsintgration

delagomtrieducompteurg p

delefficacitducompteur

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typededsintgration

relationentreactivitA etnombredeparticulesmisesparunitdetempsn

Priseencomptedesdiffrentsrapportsdembranchementsetprobabilitsde

dsexcitationdesnoyauxfils

gomtrieducompteur

Dtecteur 1missionhorsdelanglesolidededtectionDtecteur

Fentredu2

6

7 82Dtection3Absorptionparlasource4Absorptionparlemilieuambiant5 Diffusion hors de langle solide de dtection par

dtecteur

SourceS t

1 3

45

5Diffusionhorsdel anglesolidededtectionparlemilieuambiant6Absorptionparlafentredudtecteur7Dtectionaprsrtrodiffusionsurlesupport

Support 8Dtectionaprsdiffusionparlemilieuambiant

facteurgomtriqueG

prise en compte de (angle solide) de la gomtrie de la source et de toutes

nombredeparticulesqui nombredeparticulesmisespar

priseencomptede (anglesolide),delagomtriedelasourceetdetoutes

cespossibilits

n = G n

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pntrentdansledtecteurparunitdetemps

lasourceparunitdetempsn =Gn

mesuresabsolues

R connu : la mesure de n donne lactivit A

netnAA

R connu:lamesuredennetdonnel activitA

plusfacilement:sourcetalondactivitAe connue

pouruneautresourcedummeradiolment

enet

nete n

AA =

mesuresrelatives

comparaisondestauxdecomptage(aucoursdutemps,avecdiffrentes

paisseursdcran,...)p )

dterminationdelapriode,deCDA,...

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exemple

dtecteurrecueilleuniquementlesparticules

misesdanslanglesolideAngle

cteu

r

Anglesolide

sourceactivit A

(sr)

Source2r rendementr

dtecactivitA

R

BF

tauxdecomptagebrut

nbrut =nnet +BF

nR net=

BFAGrBFARnbrut +=+=

AR

2

2

R4

rG

=Gfractionderayonnementreu

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fichesscuritsCNRS

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LaRadioprotectionenlaboratoirederechercheINSERM

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p

Sans titre