Étude de l'absorption et de la diffusion des rayons β dans l'acétate de cellulose

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Étude de l’absorption et de la diffusion des rayons β

dans l’acétate de cellulose

R. Arnoult

To cite this version:

ÉTUDE

DE

L’ABSORPTION

ET

DE

LA

DIFFUSION

DES

RAYONS 03B2

DANS

L’ACÉTATE DE CELLULOSE

Par R. ARNOULT.

Laboratoire Curie. Institut du Radium.

Sommaire. 2014 On décrit un _appareil à focalisation _{magnétique permettant d’étudier,} à l’aide de comp teurs _{Geiger-Muller, l’absorption} et la diffusion d’électrons dans de faibles _épaisseurs d’acétate de cellulose. On utilisait les électrons de conversion émis par le dépôt actif du thoron, d’énergie comprise entre 24 et

220 ekV. Les courbes obtenues _permettent l’étude _{quantitative,} avec un _{appareil analogue,} des _spectres

électroniques de faible énergie de radioéléments naturels ou artificiels.

1. Introduction. - En _vue d’étudier à l’aide de

compteurs

Geiger-Muller,

fonctionnant en

_{coïncidence,}

les

_spectres

continus des

_{rayons ~}

de faible

_énergie

émis par différentes substances

radioactives,

nous

avons été amenés à faire une étude

_{préliminaire}

des

corrections à effectuer _{pour tenir}

_compte

de

l’absorp-tion et de la diffusion dans les feuilles de fermeture des fenêtres de ces

_compteurs.

~ Les sources _{étaient constituées par des} feuilles d’or

(épaisseur

5J100

mm)

que l’on activait seulement sur

la tranche en les maintenant serrées entre deux

paral-lélépipèdes

de verre, sous tension

_négative,

dans une

atmosphère

de thoron. Les atomes de Th

₍₈

₊

_{C +}

C’

-~-

C")

déposés

émettent des rayons y

qui,

par

conver-sion dans les niveaux

_{électroniques}

des atomes

formés,

donnent des groupes d’électrons

d’énergie

connue

_(1).

En activant environ

_{3 j}

et en mesurant 1 intensité des

sources 3 h

_après

la fin de

l’activation,

on obtient un

dépôt

en

_équilibra

radioactif dont la décroissance se

fait sensiblement avec la

_période

de ThB

_{(10,6 h).}

Les

intensités

variaient de

_0,~

_{à 1 mg}

_(équivalent

en

Ra m3suré par le

rayonnement y

i à travers 1 cm de Pb

_(~)).

2.

_{Appareil. -}

Les électrons étaient d’abord foca-lisés

_{magnétiquement}

dans le

_champ

_{créé par les} cadres de Helmholtz décrits dans un

_précédent

arti-cle

_(3).

_L’appareil

à focalisation était contenu à l’inté-rieur d’une chambre

_{cylindrique (’’) (fig. i)}

en maxium

(alliage

d’aluminium et de

_magnésium)

_{fermée par} une

joue

rodée. Le _{rayon de}

_çourbure

_{moyen des}

trajec-toires était de 13,56 cm. Les

_grandes

dimensions de

l’appareil,

le faible

_{poids atomique}

de la substance

employée

et la

_{grande épaisseur}

de Pb

_{(22 cm)}

entre

la source et les

_compteurs

rendaient très faible l’action directe du

_rayonnement

_y.

Les

_compteurs

_(fig.2)

étaient

_{cylindriques (longueur:}

4,5

cm, diamètre :

1,’2

cm),

en laiton de 1 _mm, fermés

par des bouchons d’ambre et reliés entre eux _par un

manchon en laiton. Les

_parois

étaient mises au sol et

les fils

_portés,

à travers une résistance

élevée,

à un

potentiel positif

convenable.

ce

Fig. 1, -

Appareil à focalisation.

La fenêtre

_(a)

du

_premier

_compteur

₍₅

_mm,

_0,5

_mm)

était fermée par une feuille très mince

_(environ

1,2

p.)

d’acétate de cellulose et la fenêtre

_(b)

du _{deuxième par}

une feuille

_{de 5 t}

d’Al. Une étude

_{préliminaire}

nous

avait montré que l’absence de métal en

_(c),

_{dans le}

pre-mier

_compteur,

n’amenait _{pas de}

_perturbation

dans

son fonctionnement.

Fig. 2. -

Compteurs.

La feuille

_{en (a)}

étant très mince

_{(ce qui}

est

indispen-sable pour étudier des

régions spectrales

de faible

énergie)

n’aurait pu résister à une

pression

de plusieurs

dizaines de cm de

_Hg.Une

dérivation sur la canalisation

permettait

de vider les

_compteurs

en même

temps

que la chambre. A l’aide du robinet R on les isolait

_quand

la

_{pression (mesurée}

au manomètre

_Ji)

était de 8 cm

10.

146

Hg ()).

On continuait à vider la chambre

_jusqu’à

une

pression

de l’ordre de

_quelques

millièmes de mm. De

cette

_façon

la feuille d’acétate ne

_{supportait jamais}

une

différence

_{de pression}

_supérieure

à 8 cm. La

_position

du

palier

d’un

_{compteur dépendant}

_grandement

_{de la} pres-sion

_(6),

une lunette munie d’un réticule servait à lire les indications du manomètre II et

_permettait

de retrouver la

_position

du

_{palier (au voisinage}

de

_{1 200 V )}

avec

des

variations

_{de voltage}

inférieures à 1 _{pour 100.} Les

_paliers

obtenus dans ces conditions avaient de 12 à

15V.

Les résistances de fuite

_(de

l’ordre de 3 .10~1

_ohms)

étaient réalisées avec un

_{mélange alcool-xylène.}

Les

_impulsions

de

_chaque

_compteur

étaient

trans-mises,

à travers une

_capacité

de 30

_{cm (7),}

soigneuse-ment

_isolée,

à un

_{amplificateur}

à trois

_étages,

_et,

_après

sélection,

à un

_thyratron

actionnant un totalisateur

téléphonique.

3.

_{Diaphragmes. ,-}

Pour éviter l’entrée dans le

premier compteur

d’électrons

_ayant

subi

_plusieurs

réflexions sur les

_parois

ou de

_{photoélectrons}

dus au

rayonnement

y de la source, trois

diaphragmes

Ll~b

A3)

étaient

_disposés

sur le

_trajet

du faisceau. Leur dimension et leur

position

étaient calculées de

façon

à rendre

_impossible

l’entrée dans le

_premier

_compteur

de

rayons ~ n’ayant

subi

_{qu’un petit}

nombre de réflexions. Des courbes

_{d’absorption}

dans pour des électrons de 147 ekV

_(8),

ont été faites en utilisant le

premier-compteur seul,

avec

_{0, 1,}

_i,

et 3

_diaphragmes.

Leur forme se modifiait

_{progressivement.}

Dans les deux

_premiers

cas, il était

impossible

de considérer un

« _parcours effectif o, et

quand

on

_augmentait

l’épais-seur, tout se

_passait

comme si le faisceau n’était pas

isocinétique

et

_comprenait

une fraction notable

d’élec-trons

_{d’énergie plus}

élevée.

_Quand

on

_ajoutait

les

diaphragmes,

cette fraction diminuait

et,

avec le

dispo-sitif finalement

adopté,

on retrouvait l’allure

_générale

des courbes

_{d’absorption}

_{obtenues par différents} auteurs

(9).

4. Ecrans. - Les écrans absorbants

_employés

et la feuille de fermeture du

_premier

_compteur

étaient

préparés

suivant une

_technique

décrite par

Harris-Johnson

_CI».

On

_préparait

une solution d’acétate de cellulose dans racétate

_d’éthyle

ou de

_méthyle,

et on

(~) Une étude _{préliminaire avait montré que l’efficacité des}

compteurs restait constante _jusqu’à une pression de 7 cm. (6) Pour les _{compteurs utilisés,} ie _{voltage moyen du palier} augmentait d’une dizaine de volts par mm.Hg.

(i) Chaque capacité était constituée par un _petit condensateur

cylindrique à _{diélectrique} de _{quartz, noyé} dans de la paraffine

dont la surface était _{fréquemment passée} à la flammes. (8) Electrons de la raie la _plus intense du _spectre de Th 8 - C (raie fl’, en _employant la notation proposée parËLLis,

Nature,

i933, 1.29, 276).

(9) VARDER. Phil _J/ag, 1925, 29, 7~~ ~ 1BlADGWICK Jjroc. G’amb. Phil. _{Soc., 1927,23,910;} SCHONLAND. Proc, Soc., 1923, 104,

235 et 1925, 108, i 87.

(10) H&RRis-Jonxsox. Rev. _{ol Sc. 1933, 4,} 414.

l’additionnait d’une résine

_{synthétique (glyptal)}

des-tinée à

_augmenter

la résistance

_mécanique

du film.

Après

différents

essais,

la solution

_employée

était

composée

de :

Pour des films

_{d’épaisseur}

inférieure à 10-3 mm on

peut

aussi

_employer

comme solvant

l’oxyde

de

mési-tyle,

mais nous ne sommes _{pas parvenus à leur} donner

une résistance

_mécanique

suffisante _pour

_supporter

longtemps

une différence de

_pression

de

_quelques

cm

_Hg.

Quelques

gouttes

de solution de concentration

con-venable étaient versées sur de l’eau distillée contenue dans un

_petit

cristallisoir

_{(diamètre :}

-.

_3,5

_cm).

Une

couronne d’Al

souple (épaisseur :

50

_~),

fixée à un

support

à crémaillère était

_placée

à la surface de

sépa-ration de la solution et de l’eau.

_Quand

_{l’évaporation}

était

_terminée,

on remontait très lentement le

_cadie,

en

_prenant

des

_précautions

_pour éviter l’action de la tension

_{superficielle.}

On obtenait

ainsi,

sur le

cadre,

un film circulaire que l’on

_appliquait

sur la fenêtre du

compteur

après

avoir très

_{soigneusement}

_nettoyé

la surface au

_voisinage.

La différence de

_pression

à

la-quelle

est soumise cette feuille étant

_faible,

on est

par-venu

_plusieurs

fois à obtenir une étanchéité très suffi-sante

_pendant

la durée d’une série de mesures sans

addition de

_piscéine

sur les bords. On

_préparait

de la

même

façon

les films servant d’écrans _{pour les}

me-sures

_{d’absorption.}

L’épaisseur

était déterminée en mesurant la

sur-face du film

_(surface

du

_{cristallisoir)}

_produit

par une

quantité

connue

_(calibrage

du

compte-gouttes)

d’acé-tate de cellulose et de

_glyptal

_(11).

On

peut

faire varier cette

_épaisseur

en modifiant la concentration de cette solution ou la

_quantité

étendue sur

l’eau,

On a ainsi

préparé

i écran de

1,2 y, 2

de

2,0 [J.

et 1 de

_9,3

_[1.. Qn a

employé

aussi un écran de

_{20 p.}

_préparé

avec de la

cel-lophane

du commerce.

5.

_{Absorption. -}

On déterminait

d’abord

le fond continu des

compteurs

en absence de source. Pour des

compteurs

récemment

_préparés,

il était de l’ordre de 25 à 30

_coups/min,

mais il s’élevait, en

_quelques

se-maines,

à une valeur sensiblement double.

(Rayons

cosmiques

et contamination

radioactive

du

Labora-toire).

On refaisait la même mesure avec la source

mise en

_place.

Le fond continu devenait un _peu

_plus

grand

pour le

premier compteur

que pour le second. Il restait de l’ordre de 60

_coups/min.

En

coïncidences,

il était d’environ

_coup/min.

On déduisait de ces résultats le

_{pouvoir séparateur}

r

par la formule

(

(11) On admettait que la densité, en couche mince, est la méme

(ii,

désignant

respectivement

le nombre de

décharges, pendant

l’unité de

_temps.

en coïncidences

et dans chacun des

_compteurs.)

Il était de l’ordre de 7 .102013’ inin.

On vérifiait à l’aide d’une source

_auxiliaire,

exté-rieure,

de _{rayons y, que le fonctionnement des}

comp-teurs

_(en

_simple

et en

_{coïncidences),}

_{n’était pas}

modi-fié par le

champ

magnétique.

Pour les mesures

_{d’absorption,}

on _{utilisait le}

pre-mier

_compteur

seul. Pour une

_épaisseur

d’écrans

déterminée,

on faisait la mesure _{pour différentes}

va-leurs du

_champ,

_{correspondant}

à des raies bien con-nues du

_spectre.

_Après

avoir _{rétabli lentement la} pres-sion dans la chambre et les

_compteurs,

on ouvrait

l’ap-pareil

et on

_changeait

d’écrans.

_Après

avoir refait le

vide,

on vérifiait le

_palier

du

_compteur,

_D’après

une

étude faite antérieurement

_(3),

le

_montage

potentio-métrique employé permettait

de

_reproduire

les valeurs du courant dans les

_cadres,

c’est-à-dire du

_champ

ma-gnétique,

avec une erreur inférieure à 5 : 10 000.

On étudiaitainsi six _groupes

_{électroniques}

648,

830,

852,

1 10t 1 et 1 3ti0 oersteds.

_cm),

en se

pla-çant

chaque

fois au

_voisinage

immédiat d’une raie. Il n’était pas

possible d’employer

les électrons du fond continu

_nucléaire,

l’intensité des sources utilisées

étant t

_trop

faible.

_L’énergie

de la raie étant connue

d’après

l’étude

_{photographique}

_(’),

on fixait d’abord

le

_champ

au

_voisinage

de la valeur

_{correspondante,}

puis

on

_explorait

les

_régions

voisines

_jusqu’à

ce

_qu’on

obtienne,

sans

_écran,

les meilleures conditions de

dénombrement,

Le

_régime

de dénombrement des

_particules

était déterminé

_{principalement}

_par le

_{cycle mécanique}

du

totalisateur. On mesurait son

_temps

mort _’t’ten

appro-chant une source

_jusqu’à

ce

_qu’on

obtienne la vitesse maximum de fonctionnement, On

_pouvait

atteindre 600

_coups/min,

mais le

_réglage

était alors

_{trop-délical}

pour

qu’on puisse

être certain de sa fidélité

_pendant

plusieurs

heures de fonctionnement.

_{Pratiquement,}

ce

_réglage

était fait pour obtenir une vitesse maximum

de 450

_coups/min.

On sait

_(~z~

que si les

_impulsions

se succèdent dans le

_temps

suivant une

_répartition

de

Bateman,

on a : t

Le

_temps

mort du

_compteur

et du

_thyratron,

ainsi que les constantes de

temps

de

_chaque

_étage

de

l’am-plificateur,

sont

_{négligeables}

devant _=~,

°

La correction à effectuer sur le nombre lu au

totali-sateur est _{alors de 13 pour 100 pour} une vitesse de 150

_coups/min

et de 6 pour 100 pour 70

_Cotips/min.

En combinant les écrans

_{d’acétate,}

on faisait les

mesures _{pour les}

_épaisseurs

de

_1,2

_{p. (feuille}

de

ferme-ture du

_{premier compteur),}

_{~,0 N,, ~..~}

5,2

p.,

6,4

[J.,

10,4

~,

15,7 p.

et 21 On

extrapolait

les

courbes

obte-nues et on

prenait égale

à

100,

_pour

chaque énergie,

l’intensité

correspondant

à une

_épaisseur

nulle.

On en déduisait la courbe de transmission :

On voit que

l’absorption

dans la feuille de fermeture du

_premier

comptenr

ne devient notable que pour des

énergies

inférieures à 36 ekv .

Fig. 3. - Coefficient de transmission dans J’acétate de cellulose.

Chacun des

_points

_{expérimentaux}

_représente

la moyenne de trois séries de mesures. L’erreur

statis-tique

moyenne est de l’ordre de 5 _pour 100.

L’extrapo-lation

_peut

entraîner une erreur _{de 3 pour 100 pour le}

groupe A

et de 1 _{pour 1CO pour le groupe 13}

_(24,5

et z6 ekV.

En

_extrapolant

la

partie

centrale,

sensiblement

recti-ligne,

des courbes de transmission, on

_{peut obtenir,}

pour ces _{denx groupes,} un « _{parcours effectif} » dans

l’acétate de cellulose

(9 p.

et 21

_y.),

soit 12 et 27. 10-4

_gjcm2)

en accord avec les résultats de Schon-land

₍₁₁₎

montrant _{que les parcours}

_(exprimés

en

g/cm2)

d"éleclrons

_{isocinétiques,}

sont

_{indépendants,}

en première

approximation

de la nature de l’absor-bant.

(~2) SCHIFF. _{Phys. Rev,, ~1~36, 50,} 58.

(1~~) RuTHERpoRD, CHADwicK, Radiation from. radioactive

148

6. Diffusion. - Les électrons

qui, après

avoir tra-versé la fenêtre

_(a)

_{pouvaient pénétrer}

dans le deuxième

compteur,

étaient

compris

dans un cône de

_demi-angle

au sommet de 10". Par suite de la diffusion dans la feuille

_{d’acétate,}

une fraction seulement des électrons

transmis restaient dans ce

_cône,

cette fraction étant d’autant

_{plus petite}

_{que leur}

_énergie

est

_plus

faible. Les

_compteurs

étant

_petits,

on

_pouvait

admettre que,

pour chacun

d’eux,

tous les électrons

ayant

franchi la feuille de fermeture sont

_comptés.

Dans le

_premier,

c’étaient tous ceux

_qui

avaient

tra-versé la feuille

d’acétate,

dans le second ceux

_qui,

étant restés dans le cône de

_demi-augle

_10°,

avaient franchi la feuille d’aluminium.

Le coefficient de transmission :

_ Intensité

des électrons

_primaires

dans le 2e

_compteur

Intensité

des électrons

_primaires

dans le 1er

_compteur

était donc le

_produit

de deux termes : l’un

_dépendant

de la

diffusion,

l’autre de

_{l’absorption.}

D’où

On

_peut

tirer des mesures de Schonland

₍₃₎

la

va--

riation de pabs en fonction de

_l’énergie

des électrons

(courbe

1,

f ig. 4).

Il suffit donc de mesurer _p.

Si,

pour une valeur du

_champ,

on _{avait dans le}

pre-mier

_compteur

A~

_impulsions

_par

_minute,

le nombre d’électrons

_primaires

était sensiblement

_(N-60)

et le nombre de ceux

_qui

entraient dans le second était

p (N -

60).

Le nombre des coïncidences accidentelles

(c’est-à-dire

_produites

_{par des}

_{particules qui}

ne _{devaient pas}

être

_comptées)

était

_{statistiquement, d’après}

la for-mule

_{(1) :}

Le nombre

_enregistré

en coïncidences était :

Il n’est donc correct de retrancher

0,5 à n

pour avoir le nombre exact de coïncidences que si p -~- 1. Mais

_(fig.

4,

II),

même pour des électrons de 150

ekV,

la valeur de p n’est voisine que de

0,8.

Inversement, quand

on

_{compte n}

_coups/min

en

coïn-cidences,

le nombre d’électrons

_primaires

dans le

,

-0.5

,

premier compteur

est

n et

pour avoir

p

-)-

8 . i0"

_{(i 2013}

_p)

le nombre d’électrons incidents arrivant sur la le-nôtre

_(a),

il faut diviser ce nombre par le coefficient de

transmission obtenu au

_{paragraphe précédent.}

4. - I. Transmission à travers

5 N, d’Aluminium _(d’après

Schornand). Il. Coefficient de diffusion _pd, dans un cone de

4/~ angle W == 10°, après passage dans 1,2 IL d’acétate de cellulose. 111.

Intensité en coïncidences cellulose. _{III. p} =

lntensité incidente ’

intensité incidente

Ce travail a été effectué au Laboratoire

Curie, à

l’Institut du Radium. Je suis heurenx de

_pouvoir

exprimer

ici ma

_{respectueuse gratitude}

à M.

_Debierne,

Directeur du

Laboratoire,

qui

a bien voulu mettre à

ma

_disposition

les sources et les

_appareils

nécessaires à ces

_{expériences.}

’