Les détecteurs semi-conducteurs
6.3. Principes de mesure
6.3.1. Dénombrement des rayonnements : mesure de la contaminationde la contamination
6.3.1.1. Principe général de la mesure d’une activité
La contamination résultant de la dissémination d’une substance radioactive peut se pré-senter sous forme surfacique et/ou atmosphérique, selon sa nature et sa forme physicochi-mique.
Chaque interaction d’un rayonnement y est alors associée, avec l’apparition d’un « pa-quet d’électrons » :l’impulsion de charge. En général, c’est l’impulsion de tension créée par le passage de l’impulsion de charge dans une résistance qui constitue le signal ex-ploité.
Si l’unité de traitement électronique du signal associée au détecteur permet de compter le nombre d’impulsionsN, recueillies pendant un tempstfixé, il est possible d’en déduire le taux de comptagen:
n=N
t
oùnest en nombre d’impulsions par seconde (i.s−1) etten secondes (s).
La précision statistique de la détermination sera d’autant plus grande que le temps accordé à la mesure est important.
Si l’unité de traitement électronique du signal associée au détecteur mesure de façon instantanée le taux de comptage exprimé en impulsions par seconde, la précision statis-tique associée à la mesure n’est plus maîtrisée. Elle sera médiocre si le taux de comptage est faible et grande si le taux de comptage est élevé.
Pour passer d’une mesure en impulsion par seconde à une activité en becquerel, il convient d’effectuer chronologiquement les trois corrections suivantes :
– la perte au comptage due au temps de résolution, ou temps mort ; – le mouvement propre de l’ensemble de détection ;
– le rendement de mesure.
6.3.1.2. Correction de perte au comptage due au temps de résolution
Tout ensemble de détection possède un temps de résolutionτ, qui est égal à l’intervalle de temps minimum qui doit séparer deux événements détectés pour donner naissance à deux impulsions distinctes : en deçà deτ, seul le premier événement est enregistré.
Nous distinguerons deux modèles de temps de résolution :
– certains ensembles de détection sont à temps de résolution cumulable ou reconduc-tible. Lorsqu’une interaction consécutive à celle qui vient d’engendrer la formation du signal se produit pendant l’intervalleτ, la durée d’occupation du détecteur est reconduite deτ. De tels ensembles sont donc peu adaptés à la détection à très fort taux de comptage ;
– d’autres ensembles de détection sont à temps de résolution non cumulable ou fixe.
Dans ce cas, le détecteur n’est pas affecté pendant la duréeτpar toute interaction consécutive à celle qui engendre la formation du signal. La réponse obtenue en fonction du taux d’informations tendra alors vers une saturation (cas des compteurs de type Geiger-Müller).
Pour ce type de détecteurs, le taux de comptage vrainvest lié au taux mesuréncpar la relation suivante :
nv= nc
1−nc·τ
6.3.1.3. Correction de mouvement propre de l’ensemble de détection
Elle consiste à retirer au taux de comptage précédent la part due au mouvement propre, c’est-à-dire le taux de comptage obtenu en l’absence de la source à mesurer.
Nous définirons le mouvement propre comme étant le signal obtenu, dû à la fois au rayonnement ambiant naturel et à l’électronique de comptage.
n=nv−nmp
6.3.1.4. Correction de rendement de mesure
Par définition, l’activitéArecherchée est donnée par la relation :
A= n
R
oùn est le taux de comptage, en nombre d’impulsions par seconde, et Rle rendement du détecteur vis-à-vis du radionucléide considéré et dans les conditions géométriques adaptées.
Chez les constructeurs de matériel de radioprotection, le rendement est défini comme le rapport entre le nombre d’impulsions comptées et le nombre de rayonnements émis par la source sous 2π:
R(sous 2π)= n
nombre de particules émises sous 2π
Le rendement de mesure est fonction de la distance entre la source et le détecteur, de la surface occupée par la source, et de la nature et de la géométrie du support sur laquelle elle se trouve.
Le rendement de mesure est généralement établi pour une source ponctuelle, déposée sur un support sans absorption, et au plus près de celle-ci. Dans le cas d’une source surfacique, il faudrait estimer le nombre de rayonnements « vus » par la surface utile du détecteur.
6.3.1.5. Estimation de l’activité
L’activité calculée peut permettre de déterminer une activité surfacique moyenne, à condi-tion que la surface contaminée soit plus grande que la surface utile de déteccondi-tionS. Cela ne peut être réalisé que pour une source émettant des rayonnements particulaires. En ef-fet, dans le cas d’une source émettant des rayonnements X ou gamma, ceux-ci peuvent provenir de l’extérieur de la surface mesurée.
Dans le cas d’une émission particulaire :
AS= A
S
oùAsest l’activité surfacique (en Bq.m−2),Al’activité (en Bq) etSla surface de détection (en m2).
Dans certains cas, le taux de comptage dû au mouvement propre est important en raison d’une exposition externe ambiante élevée et empêche d’effectuer un contrôle de contamination surfacique. Il convient alors d’effectuer un « frottis » de la surface avec un papier, linge ou coton imbibé en général d’un solvant volatil (alcool, éther) qui est contrôlé en un lieu où le mouvement propre est faible.
Mais il est important de noter qu’un contrôle négatif sur le papier peut signifier deux choses, soit l’absence de contamination, soit la présence d’une contamination fixée. Ce-pendant, un contrôle positif ne peut permettre d’aboutir à une mesure de la valeur de la contamination surfacique, même si l’on a pris la précaution de frotter une aire connue, en raison de la mauvaise connaissance du rendement de frottis et de l’imprécision sur la valeur du rendement de détection.
Pour une contamination atmosphérique, la mesure consiste à évaluer l’activité piégée par filtration d’un volume d’air. Il faut alors disposer d’un ensemble de détection obligeant à un positionnement rigoureux du filtre par rapport au détecteur. Il est également néces-saire de connaître la valeur du rendement de filtration, du rendement de détection pour le radionucléide polluant dans le cas d’une source de même configuration pour évaluer l’activité.
L’appareil le plus adapté au contrôle des contaminations surfaciques (la contamination corporelle externe entre dans celle-ci) est un radiamètre que l’on peut équiper de diffé-rentes sondes afin d’optimiser le rendement, ce qui assure une sensibilité maximum. Un des appareils les plus utilisés dans le domaine de la radioprotection est Mini Ictomètre Portatif (MIP) de la société Canberra (Figure 6.10).
Figure 6.10. MIP 10 (photo Canberra).
6.3.1.6. Principaux détecteurs utilisés pour mesurer la contamination
Associé au MIP 10, les principaux détecteurs et leurs caractéristiques sont présentés dans le tableau 6.1. Les valeurs d’énergie indiquées sont issues de données expérimentales.
Tableau 6.1. Sondes utilisées pour la mesure de contamination.
Sonde Type de Nature du Domaine Sensibilité Mouvement détecteur détecteur d’utilisation aux autres propre
rayonnements
alpha Scintillation SZn α - 1 à 2 imp/min
bêta faible À gaz Geiger- β, E>30 keV Tous les 1 à 2 imp/s
énergie Müller autres
bêta Scintillation Scintillateur β, E>100 keV X etγ 1 à 2 imp/s plastique
X Scintillation NaI X etγ β 10 à 20 imp/s
mince (2mm) E>5 keV (électrons)
gamma Scintillation NaI γ, E>100 keV - 20 à 40 imp/s épais (2 cm)
La figure 6.11 donne une représentation schématique d’une chaîne de mesure, utilisant un compteur Geiger-Müller.
Ce détecteur est bien adapté pour le dénombrement et délivre une impulsion de grande amplitude, quel que soit le nombre d’ions primaires créés par le rayonnement incident. Il est donc très sensible, robuste et d’un emploi très universel.