Fonctionnement de la chambre d’ionisation plane parallèle à air

6.1.1.1 Le principe

La détection des photons se fait en plusieurs étapes. Une proportion des photons interagit, majoritairement dans le convertisseur du détecteur et par effet Compton. S’il atteint le volume sensible, l’électron Compton traverse le volume gazeux en déposant de l’énergie sur son parcours par interactions avec les molécules du gaz, de l’air dans notre cas. Les électrons des molécules de l’air sont liés à leurs atomes et ne se détachent que si une énergie supérieure à l’énergie d’ionisation de la molécule leur est fournie. Dans ce cas, il y a ionisation avec création d’une paire électron-ion. Sinon, il y a simplement une excitation. Pour l’air, l’énergie moyenne d’ionisation, notée W, est couramment considérée être égale à 33,8 eV (201). Sous l’effet de l’application d’une différence de potentiel (DDP) entre les deux électrodes, les charges créées se séparent et dérivent vers les électrodes. Un courant est alors généré, mesurable par une électronique adaptée.

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6.1.1.2 Les différents régimes de fonctionnement

La valeur du courant évolue en fonction de la DDP appliquée1 (figure 6-1). Pour les faibles valeurs, les charges créées, trop peu accélérées, se recombinent entre elles (voir 6.1.1.5). La recombinaison diminue lorsque la DDP augmente : le signal d’ionisation augmente donc jusqu’à ce que la recombinaison devienne négligeable. L’efficacité de collection de charge devient maximale quand quasiment toutes les charges sont collectées. Le signal d’ionisation atteint sa valeur de saturation et reste constant malgré l’augmentation de la DDP. C’est le régime de fonctionnement de la chambre d’ionisation. Augmenter la valeur de DDP au-delà de ce régime communique une énergie plus importante aux électrons lors de la dérive et leur permet d’ioniser le gaz à leur tour, ce qui conduit à une amplification du signal par multiplication des charges. Différents régimes se succèdent alors : le régime proportionnel, le régime limite proportionnel, le régime Geiger puis le régime de décharge continue. Mais dans l’air, les électrons s’attachent aux molécules électronégatives et restent très peu libres (voir 6.1.1.4), ce qui limite significativement la possibilité d’amplification.

Figure 6-1 : représentation de l’évolution du courant mesuré en fonction de la DDP appliquée à la chambre, permettant la visualisation des différents régimes de fonctionnement (issu de (6), chapitre 15)

6.1.1.3 La vitesse de dérive des ions et des électrons

Lorsqu’elles sont soumises à un champ électrique, les charges sont à la fois accélérées par le champ et freinées par les interactions avec les molécules du milieu. Pour les ions, la vitesse moyenne de déplacement, appelée vitesse de dérive, est proportionnelle au champ électrique réduit, E(p), où p est la pression du gaz (équ. 6-1). La notion de mobilité, notée µ_ion, qui permet de relier les deux quantités est donc une constante. La mobilité dépend du type d’ion et du milieu de dérive. A pression normale, elle est typiquement de l’ordre de 1 cm2.V-1.s-1.

1 En réalité, le paramètre d’influence est le champ électrique régnant entre les électrodes. Mais, si l‘on considère que la géométrie des électrodes est fixe, le paramètre contrôlé par l’utilisateur pour faire varier ce champ est la DDP. C’est pour cela que c’est ce paramètre qui est classiquement considéré.

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Pour les électrons, la situation est plus complexe puisqu’ils subissent de nombreux changements de direction et sont fortement accélérés entre deux chocs successifs. La notion de mobilité électronique est également définie, mais cette fois µ_e− (équ. 6-2) n’est pas une valeur constante et varie en fonction du champ électrique réduit. Les valeurs de mobilité électronique peuvent par exemple être obtenues via le programme Magboltz, développé par le CERN1, qui détermine les propriétés de dérive des électrons dans les gaz en résolvant les équations de transport de Boltzmann. Mais pour notre cas de chambre plane à électrodes parallèles, le champ électrique étant uniforme, la mobilité des électrons est constante. Les électrons ont une mobilité environ mille fois plus élevée que celle des ions, de l’ordre de 1 cm2.V-1.ms-1.

V_ion

⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗ = µ_ion. E(p)⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗ (Équ. 6-1) V⃗⃗⃗⃗⃗⃗ = µ_{e− e−}(E(p)). E(p)⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗ (Équ. 6-2)

6.1.1.4 L’attachement

Lors de leur dérive, les charges peuvent être capturées par des molécules neutres présentes dans le gaz. Ce phénomène est appelé attachement. Dans l’air, l’ionisation initiale conduit à la formation d’électrons et d’ions N2⁺ et O2⁺, la présence des ions N⁺ et O⁺ étant négligeable. Mais en quelques nanosecondes des échanges de charges se produisent et l’état final est composé de cations O4⁺et d’anions O4⁻ et O2⁻ en échange constant, avec possiblement une fraction d’électrons libres (202 chapitre 5). L’attachement en lui-même n’est pas une perte de charge. Mais il favorise la recombinaison des charges, puisque la mobilité des ions est mille fois plus faible que celle des électrons.

6.1.1.5 Les facteurs d’influence : de la charge déposée à la charge mesurée

Pour une même irradiation, quatre principaux phénomènes influencent la mesure d’une chambre d’ionisation : les conditions atmosphériques, la recombinaison des charges, l’effet de la polarité appliquée et le courant de fuite. A la différence du premier qui influence directement la charge déposée en modifiant la masse d’air contenue dans le volume sensible de la chambre, les trois autres influencent le passage de la charge déposée à la charge mesurée.

Pour les chambres d’ionisation non scellées, les conditions atmosphériques définissent la pression P (hPa), la température T (K) et l’hygrométrie H (%) de l’air du volume sensible de la chambre. Ces trois paramètres influencent directement la densité de l’air. L’effet de l’hygrométrie n’est généralement pas pris en compte car les variations sont considérées négligeables et qu’une humidité constante de 50 % est supposée.2 Pour prendre en compte les variations de pression et de température, chaque mesure est ramenée à des conditions de référence : une température T0 de 293,15 K (20° C) ou 273,15 K (0° C), et une pression P0 de 1013,25 hPa. Le facteur correctif associé k_T,P se calcule selon : k_T,P= ^T0

T. ^P

P0.

La recombinaison est la neutralisation de deux charges de signes opposés. Deux mécanismes sont distingués :

- si les deux charges sont issues de la trace de la même particule ionisante ayant traversé le détecteur, la recombinaison est dite initiale ou en colonne. Cet effet concerne plus particulièrement les particules de fort transfert linéique d’énergie, donc peu les électrons.

- si les charges sont issues de traces différentes, la recombinaison est dite générale ou en volume. La neutralisation se fait alors pendant la dérive des charges. Cet effet est d’autant plus important que la

1 http://magboltz.web.cern.ch/magboltz/

2 Si la mesure doit être ramenée à des conditions d’air sec, le facteur à appliquer est k_H = 0,997. Celui-ci prend en compte les variations de l’énergie moyenne d’ionisation W, et du pouvoir d’arrêt électronique.

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densité de charge dans le volume gazeux est importante. En dosimétrie, il peut être à l’origine d’une dépendance de la mesure d’une chambre d’ionisation au débit de dose.

La mesure de la chambre peut également être dépendante de la polarité appliquée. Deux effets sont à distinguer :

- un effet dépendant du potentiel de polarisation. Celui-ci est dû à la distorsion des lignes du champ électrique causée par la charge d’espace (203) ou, si une électrode de garde est présente, à la différence de potentiel pouvant exister entre celle-ci et l’électrode de mesure (204).

- un effet indépendant du potentiel de polarisation. Celui-ci est dû à un courant additionnel au courant d’ionisation du gaz, connu sous le nom de courant Compton, généré directement dans l’électrode de mesure ou dans l’isolant diélectrique avoisinant (205–207). Il résulte d’un déséquilibre électronique. Pour l’électrode, il est directement lié à la différence entre d’un côté le nombre d’électrons mis en mouvement dans le volume de l’électrode et qui en ressortent, et de l’autre le nombre d’électrons créés à l’extérieur de celui-ci et qui s’y arrêtent.

Les courants de fuite sont ceux qui, contrairement au courant d’ionisation et au courant Compton, ne sont pas directement lié à la présence du faisceau. On peut les classer selon trois catégories :

- les courants de fuite intrinsèques, liés uniquement à la conception de la chambre, qui résultent du passage des électrons entre l’électrode de polarisation et l’électrode de mesure à travers les éléments constituants la chambre. Ce sont ces courants de fuite qui sont principalement éliminés grâce à l’électrode de garde.

- les courants de fuite post-irradiation, qui résultent de l’irradiation des constituants de la chambre et du système de mesure : isolants, câbles et électronique. Par exemple, les interactions survenant dans un isolant peuvent créer des paires électrons-trous qui subsistent en fin d’irradiation, et dont la neutralisation peut générer un courant sur l’électrode de mesure.

- les courants de fuite résultant de la manipulation des câbles (courbure, torsion).

Un autre effet de l’irradiation des isolants, qui n’est pas un courant de fuite, est l’accumulation de charges en profondeur. Cet effet a été étudié pour les fantômes plastiques non-conducteurs (208), mais peut également se produire dans une chambre d’ionisation. Ces charges peuvent conduire à l’établissement d’un champ électrique qui va, au niveau du volume sensible, s’ajouter au champ de polarisation et donc modifier la dérive des charges.