Les détecteurs les plus répandus dans le domaine de la radioprotection et de la dosimé-trie opérationnelle et d’ambiance sont les détecteurs gazeux. Ceux-ci sont faciles à mettre en œuvre, peu coûteux et permettent donc d’être facilement intégrés à des appareils de mesure de terrain. Le principal inconvénient des détecteurs gazeux est la problématique des fuites de gaz au cours du temps ou après un choc de l’instrument de mesure.
Figure 5.3 – Principe de fonctionnement d’un détecteur gazeux
De façon simplifiée, le détecteur gazeux est constitué d’une enceinte contenant un gaz ou un mélange de gaz (air, oxygène, argon, méthane, etc.) dans laquelle un champ élec-trostatique est généré à l’aide de deux électrodes reliées à un générateur de haute-tension continue. Lors de l’interaction d’un rayonnement ionisant avec le gaz contenu dans l’en-ceinte, plusieurs paires électrons-cations sont créées. Le champ électrostatique dévie les cations dans le sens du champ et les électrons dans le sens opposé du champ. Il en résulte
CHAPITRE 5. DÉTECTEURS UTILISÉS EN RADIOPROTECTION
une variation de courant électrique i(t) lorsque les électrons et les cations dérivent sur les électrodes (figure5.3).
Selon l’intensité du champ électrostatique créé dans le détecteur, plusieurs régimes de fonctionnement peuvent être mis en évidence [29] (figure 5.4).
• Partie I : régime de recombinaison,
• Partie II : régime de saturation ou régime de la chambre d’ionisation,
• Partie III : régime de proportionnalité ou régime du compteur proportionnel, • Partie IV : régime de proportionnalité limitée,
• Partie V : régime Geiger-Müller ou régime du compteur Geiger-Müller.
Figure 5.4 – Régimes de fonctionnement d’un détecteur gazeux en fonction de l’intensité E du champ électrostatique au sein du détecteur
5.2.1 Régime de recombinaison
Lorsque l’intensité du champ électrostatique est trop faible, les paires électrons-cations créées se recombinent rapidement selon différents processus. Le signal généré par la dé-rive des charges est faible et généralement inférieur au signal du mouvement propre des particules dans le détecteur. Par conséquent, la variation de charge mesurée est nulle ou difficile à discriminer face au signal du mouvement propre (figure5.5). Il s’agit du régime de recombinaison qui n’est pas utilisé pour la détection des rayonnements ionisants.
5.2.2 Régime de saturation ou régime de la chambre d’ionisation
En augmentant l’intensité du champ électrostatique, un régime de saturation se met en place au sein du détecteur (figure 5.5). L’accélération acquise par les électrons et les
CHAPITRE 5. DÉTECTEURS UTILISÉS EN RADIOPROTECTION
Figure 5.5 – Régime de recombinaison
cations est telle que les recombinaisons sont négligeables et les charges dérivent jusqu’aux électrodes, permettant d’obtenir un signal supérieur au signal du mouvement propre. La variation de charge mesurée correspond à la charge totale créée lors de l’interaction, don-née par l’équation5.3.
Figure 5.6 – Régime de saturation
Qi = E
WEm · e (5.3)
Avec :
Qi variation de la charge électrique dans le détecteur lors de l’inter-action d’un rayonnement ionisant
E énergie moyenne déposée par un rayonnement ionisant dans le dé-tecteur
WEm énergie moyenne nécessaire pour créer une paire électrons-cations dans le milieu m
e charge électrique élémentaire
En considérant un rayonnement ionisant de 1 MeV déposant toute son énergie dans un détecteur gazeux constitué d’air (WEair ≈ 33, 8 eV ), le nombre de paires électrons-cations
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est de l’ordre de 30000. La variation de charge résultante est de l’ordre de 4,8 fC par interaction. Un circuit d’amplification dont le rapport signal sur bruit est élevé est alors nécessaire pour mesurer efficacement un tel signal.
Bien que le mode impulsion puisse être utilisé par les détecteurs gazeux en régime de saturation, le mode de fonctionnement privilégié est le mode courant. Une chambre d’ionisation en mode courant permet par exemple de mesurer le kerma dans un gaz Kgaz selon l’équation 5.4 lorsque le détecteur est parfaitement caractérisé. Il s’agit du prin-cipe de la dosimétrie absolue ne nécessitant pas d’étalonnage, notamment mise en œuvre pour la réalisation d’instruments-étalons utilisés en métrologie des rayonnements ionisants.
Kgaz(∆t) =Qcoll(∆t) V · ρgaz · WE e gaz· kcorrections (5.4) Avec :
Kgaz(∆t) kerma dans le gaz mesuré pendant la durée ∆t
Qcoll(∆t) variation de la charge dans le détecteur pendant la durée ∆t
V · ρgaz produit du volume de détection et de la masse volumique du gaz contenu dans le détecteur
WE e
gaz rapport de l’énergie moyenne nécessaire pour créer une paire électron-cation dans le gaz contenu dans le détecteur par la charge électrique élémentaire
kcorrections termes correctifs permettant notamment de prendre en compte l’atténuation dans la paroi du détecteur, la quantité d’énergie par rayonnements de freinage, etc.
5.2.3 Régime de proportionnalité ou régime du compteur proportionnel
Lorsque l’intensité du champ électrostatique est augmentée et prend des valeurs inter-médiaires, les paires électrons-cations initiales acquièrent une accélération suffisante pour ioniser à leur tour d’autres molécules de gaz et entraînent une avalanche de charges élec-triques dans le détecteur (figure5.7).
CHAPITRE 5. DÉTECTEURS UTILISÉS EN RADIOPROTECTION
Il en résulte une amplification d’un facteur A (avec A ≫ 1) des charges créées au sein même du détecteur selon l’équation5.5. Les détecteurs gazeux utilisés en régime de proportionnalité permettent de s’affranchir partiellement ou totalement d’une amplifica-tion externe et sont donc plus faciles à mettre en œuvre que les détecteurs en régime de saturation.
Qi = A ·WEm
E
· e (5.5)
5.2.4 Régime de proportionnalité limitée
Si l’intensité du champ électrostatique est trop importante, le facteur d’amplification A est fonction de l’énergie du rayonnement ionisant interagissant dans le détecteur. Il s’agit du régime de proportionnalité limitée qui n’est pas utilisé pour la détection des rayonne-ments ionisants.
5.2.5 Régime Geiger-Müller ou régime du compteur Geiger-Müller
Lorsque l’intensité du champ électrostatique est augmentée et prend des valeurs éle-vées, les paires électrons-cations initiales acquièrent une accélération suffisante pour ioniser à leur tour d’autres molécules de gaz et entraînent une avalanche de charges électriques dans le détecteur. Les particules chargées secondaires de l’avalanche primaire ont une pro-babilité non négligeable de produire des photons par excitation des atomes du gaz. Ces photons ont la faculté de subir un effet photoélectrique et de mettre en mouvement des électrons du gaz entraînant des avalanches secondaires (figure5.8) [29].
Figure 5.8 – Régime Geiger-Müller
Les impulsions de courant résultantes ne sont plus fonction de l’énergie des rayon-nements et ont toutes la même intensité. Un détecteur gazeux fonctionnant en régime Geiger-Müller est majoritairement utilisé en mode impulsion dans le but de réaliser une mesure de taux de comptage R.
CHAPITRE 5. DÉTECTEURS UTILISÉS EN RADIOPROTECTION
Les détecteurs gazeux utilisés en régime Geiger-Müller ont l’avantage d’être comptacts et peu coûteux. Cependant, la réponse en énergie de ces détecteurs est fortement hété-rogène et il est souvent nécessaire de réaliser une compensation en énergie consistant à atténuer les rayonnements ionisants de faible énergie afin de limiter la gamme en énergie et homogénéiser leur réponse en énergie.