Électronique pour la spectrométrie γ

En sortie du détecteur, la fonction du système électronique est de polariser en tension le détecteur, de collecter les charges issues des interactions des photons dans celui-ci, de les transformer en un signal mesurable et de stocker l’information, tout en l’altérant le moins possible. En électronique analogique, les différentes fonctions sont assurées par des modules individuels qui sont décrits ci-dessous, mais de plus en plus, ces fonctions sont effectuées par un

Alimentation en tension de polarisation

Il s’agit d’une haute tension appliquée aux bornes du détecteur comme sur les figures 2.2 et 2.3. La valeur de la tension optimale est propre au détecteur et généralement indiquée par le fabricant. Elle peut varier de quelques centaines à plusieurs milliers de volts suivant le volume du cristal. Cette tension permet d’augmenter le volume de la zone de déplétion et la mobilité des porteurs de charges dans le détecteur, facilitant ainsi leur collection vers les électrodes. Par contre, si la tension est trop élevée, elle peut provoquer une augmentation très rapide du courant (claquage électronique) et endommager le cristal.

Préamplificateurs

Le préamplificateur, situé au plus près du cristal, a pour fonction de collecter les charges aux électrodes du détecteur et de les transformer en signal mesurable pour l’amplificateur. Le préamplificateur est pourvu d’un condensateur qui, à partir d’une quantité de charge Q en entrée, délivre une tension en sortie. Il existe deux types de préamplificateurs : les préampli- ficateurs à retour résistifs et les préamplificateurs à « reset » (voir figure 2.4) : soit c’est une résistance qui est placée en parallèle du condensateur (retour résistif), soit c’est un transistor (reset). Du fait du temps de descente du signal long et du bruit de Johnson [33], l’utilisation d’un préamplificateur à retour résistif ne permet pas d’enregistrer des taux de comptage très élevés (105_-106_.s−1_{). L’emploi d’un préamplificateur à « reset » rend possible cette application,}

mais il y a une période de réinitialisation du signal durant laquelle le comptage n’est pas permis.

Figure 2.4 – Signal en sortie du préamplificateur à retour résistif ou à « reset »

Amplificateurs

L’amplificateur a plusieurs fonctions : outre l’amplification du signal, il a pour but de le mettre en forme, d’annuler le pôle zéro, d’assurer le retour à la ligne de base ainsi que le rejet des empilements et autres fonctions. Plusieurs types de mise en forme du signal sont possibles. Parmi celles-ci, la mise en forme gaussienne est très utilisée en spectrométrie de photons, cependant elle n’est pas parfaite et le signal de sortie a plutôt une forme semi-gaussienne. Sur les amplificateurs modernes, la mise en forme triangulaire est possible, le bruit relatif est plus faible. Cependant, comme pour la mise en forme gaussienne, elle est quasi-triangulaire ou trapézoïdale. La figure 2.5 présente un exemple de mise en forme gaussienne ou triangulaire. Dans le cas de l’utilisation d’un préamplificateur à retour résistif, une longue traîne est visible sur le signal en sortie. Il se peut que, lors du retour à zéro de la tension, le signal passe par des valeurs négatives avant de revenir à une valeur nulle (ligne de base). Il s’agit de ce que l’on appelle le pôle zéro. Si une seconde impulsion arrive alors que le pole zéro n’est pas compensé, elle risque de

ne pas être correctement interprétée par l’électronique. Pour corriger cet effet, l’amplificateur est équipé d’un circuit de compensation du pôle zéro (circuit PZ). Lors de taux de comptage très élevés, il est possible d’observer une variation de la ligne de base ce qui a pour effet de dégrader la résolution. L’amplificateur est pourvu d’un circuit de restauration de ligne de base permettant de corriger ce problème. Il permet également de corriger d’autres effets indésirables comme les empilements, mais sa fonction première est l’amplification du signal en provenance du préamplificateur afin que la tension atteigne des valeurs suffisantes pour être facilement sélectionnée par l’analyseur multi-canaux.

Figure 2.5 – Schéma du signal en sortie de l’amplificateur avec une mise en forme gaussienne (haut) ou triangulaire (bas)

Analyseur multi-canaux

L’analyseur multi-canaux combine un convertisseur analogique-numérique (CAN) et une suite de circuits logiques permettant le stockage des données. Le CAN convertit le signal ana- logique en provenance de l’amplificateur en un signal numérique, dont l’amplitude dépend de l’énergie déposée dans le détecteur par le photon. Cette information est ensuite stockée et rangée dans un canal, correspondant à la hauteur d’impulsion du signal. De plus, l’analyseur enregistre les diverses informations de l’acquisition. Le résultat obtenu grâce à un logiciel de visualisation est un histogramme des impulsions enregistrées pendant la durée de l’acquisition. Grâce à un étalonnage en énergie, il est possible de relier chaque canal à une énergie.

Logiciel d’acquisition

Le logiciel d’acquisition est l’interface entre l’utilisateur et la chaîne de spectrométrie. Il permet de piloter l’acquisition d’une source radioactive depuis un ordinateur puis d’enregistrer le spectre ainsi obtenu. Il est possible, en outre, de récupérer certaines informations sur cette acquisition qui ont été stockées par le MCA : la date d’acquisition, le temps actif, le temps réel, le temps mort, etc. Il existe plusieurs logiciels d’acquisitions disponible dans le commerce comme GENIE2000 (CANBERRA), GammaVision (ORTEC), InterWinner (ITECH), etc.

Temps mort

Lorsqu’un photon interagit avec le détecteur, la chaîne d’acquisition transforme le signal provenant du détecteur en un signal mesurable, cependant cela prend un certain temps (quelques

puisse à nouveau enregistrer le passage d’un photon. Ce temps dit mort permet de définir le temps réel d’acquisition comme étant le temps pendant lequel le détecteur est actif (temps actif) auquel est ajouté le temps mort. Bien souvent le programme d’acquisition du détecteur estime lui-même la durée de ce temps mort.

Remarque : Pour des acquisitions à fort taux de comptage, il convient de vérifier la linéarité

de la réponse lorsque le temps mort augmente de façon significative (> 10 %) (voir section 4.2).

Électronique numérique

Depuis plusieurs années, le traitement numérique des signaux se développe dans l’ensemble des systèmes de mesure nucléaire. Les vitesses accrues d’échantillonnage et les techniques de programmation de type FPGA (Field Programmable Gate Array) permettent de traiter les signaux en reproduisant les différents traitements (mise en forme, amplification, codage) ini- tialement effectués par des circuits analogiques, et qui peuvent désormais être effectués par un module unique. En complément, des traitements spécifiques sont envisageables, permettant de tenir compte de la forme de signaux, à des fins de discrimination ou d’autres types de recon- naissance. De manière pratique, pour la spectrométrie γ, des modules numériques commerciaux sont désormais disponibles et sont amenés à remplacer l’ensemble de la chaîne électronique tra- ditionnelle. Cette simplification de la chaîne d’analyse est contrebalancée par la nécessité de régler un ensemble de paramètres afin d’optimiser le système : ainsi une partie des réglages d’amplification, de mise en forme et de codage sont alors effectués à partir d’un logiciel intégré au module numérique ; d’autres options plus avancées sont également disponibles. Un exemple de comparaison d’un module numérique avec l’électronique analogique est développé dans la section 4.2.