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Submitted on 1 Jan 1960
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Spectromètre α à scintillation avec I Cs(Tl)
J. Fleury, P. Perrin, M. Boge, J. Laugier
To cite this version:
J. Fleury, P. Perrin, M. Boge, J. Laugier. Spectromètre α à scintillation avec I Cs(Tl). J. Phys.
Radium, 1960, 21 (5), pp.480-483. �10.1051/jphysrad:01960002105048000�. �jpa-00236318�
SPECTROMÈTRE 03B1 A SCINTILLATION AVEC I Cs(Tl) Par J. FLEURY, P. PERRIN, M. BOGE et J. LAUGIER,
Laboratoire de Physique Nucléaire,
Centre d’Études Nucléaires de Grenoble et Faculté des Sciences de Grenoble.
Résumé. - Les caractéristiques des cristaux ICs(Tl) ont été déterminées pour leur utilisation
en spectrométrie 03B1 : constantes de temps 0,7 03BCsec pour les rayonnements 03B3 et les électrons, 0,40 et 0,72 03BCsec pour les particules 03B1; rendement lumineux pour les électrons 1 300 eV pour unphotoé-
lectron (400 eV avec INa). On obtient une résolution limite de 2,5 % pour des particules 03B1 de 9 MeV.
Abstract. 2014 In spectrometry with CsI(Tl) crystals the following characteristics have been observed; one only constant (0,40 03BCsec) for 03B3-rays and electrons, and one constant (0,40 03BCs)
for 03B1 particles ; the light efficiency with electrons is 1 300 eV/photoelectron (400 eV with NaI).
The best resolution in spectrometry 03B1 is 2.5 % with 9 MeV 03B1-particles.
1. Introduction. -- Au cours de l’étude de la distribution angulaire des réactions ’Li (p .2rx)
et 6Li (p . x) 3He, nous avons mis au point des
chaînes de spectrométrie oc à scintillation de bonne résolution. Nous avons choisi l’ICs (Tl) comme scintillateur en raison de sa facilité de manipu-
lation (faible hygroscopie) malgré un rendement
lumineux inférieur à celui de l’LNa (Tl).
2. Recherche dq pouvoir de résolution opti-
mum. -- 2.1. PRÉPARATION DES CRISTAUX. -
Les cristaux bruts d’fcs (Ti) proviennent soit de Harshaw, soit de Larco, Leur épaisseur varie de
2 à 6 mm pour un diamètre de 2,5 cm. Ils sont montés directement sur la photocathode du P. M.
Un cône réflecteur enduit de magnésie surmonte
le cristal de façon à collecter le plus de lumière
FIG. 1. - Dédoublement des pics
dû à un polissage insuffisant.
possible ; lorsque l’épaisseur du cristal est supé-
rieure à 3 mm, on dispose également un enduit de magnésie sur la tranche.
Le polissage joue un rôle prépondérant, en particulier pour la face recevant les oc ( fig. 1).
Nous utilisons actuellement un mélange d’oxyde
de cérium et d’huile silicone.
Le cristal est ensuite nettoyé à l’aide de cyclo-
hexanone.
2.2. CHAINES DE DÉTECTION. - Ce sont des chaînes de spectrométrie classique, utilisant un
sélecteur 200 canaux. Les photomultiplicateurs type 51 AVp sont sélectionnés pour l’homogénéité
de leur photocathode. Ils donnent une résolution
de 7,5 % pour le pic photoélectrique de Cs 137 ; en prenant pour critère la résolution de chaque P. M.,
la répartition des tensions interdynodes a été ajustée et une haute tension optima a été trouvée
expérimentalement. D’autre part, il semble que le pouvoir de résolution passe par un minimum, lorsque la constante de temps du circuit de charge
est égale à la constante de temps du scintillateur.
Dans ces conditions, l’amplitude maximum de l’impulsion de sortie correspond au 1/3 des élec-
trons collectés (fig. 2).
FIG. 2. - Variation de la résolution en fonction de la résistance de charge (1) et de la Haute-Tension (2).
2.3. RÉSULTATS. - Nous avons pu obtenir pour des oc de 8 MeV une résolution de 2,6 % (fig. 3
et 4), avec un cristal Larco 2,5 cm X 2 mm.
Article published online by EDP Sciences and available at http://dx.doi.org/10.1051/jphysrad:01960002105048000
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Malheureusement, les résultats sont extrêmement variables d’un cristal à l’autre. Nous obtenons dans la plupart des cas une résolution comprise
entre 4 % et 5%.
FIG. 3. - Spectre en amplitude, obtenu à l’oscillographe,
des impulsions a et 3He provenant des réaction snu-
cléaires.
A partir d’un cristal brut donnant 10 %, un polissage soigné permet d’obtenir 6 % à 7 %. Le
réflecteur diminue ce chiffre de 1 %. Il est encore
FIG. 4. - Relevé au sélecteur 100 canaux du spectre des
a et 3He de la réaction 6Li (p, x) 3He.
possible de gagner 1 % environ en agissant sur
la constante de temps de sortie et la Haute Tension du photomultiplicateur.
3. Constantes de temps de l’ICs. - 3.1. -
CONDITIONS EXPÉRIMENTALES. - Nous avons uti- lisé une résistance de charge de 100 Ohms et observé la forme de l’impulsion aux bornes, à
l’aide d’un oscilloscope rapide Ribet Desjardins, type « 204 A » de temps de montée propre 7 ns.
Nous avons étudié la loi de décroissance de ces
impulsions après agrandissement photographique (fig. 5).
FIG. 5. - Loi de décroissance de l’impulsion de courant pour un cristal d’ICs (rayonnement « de 8 MeV).
3.2. RÉSULTATS OBTENUS. - Pour les rayonne- ments y, une constante de temps. de 0,70 ys. Pour les rayonnements ce, une constante de temps de 0,4 us. Ces résultats sont en accord avec ceux
obtenus par Storey, Jack et Ward [3], mais par contre diffèrent nettement de ceux obtenus par
von Sciver, et Hofstader [7], par Koch, Koechlin, Trégûer [5], et par Owen [4].
Nous avons pourtant utilisé une autre méthode qui consiste à chercher une résistance de charge
telle que la constante de temps du circuit de
charge soit égale au temps de montée de l’impul- sion, lue à l’oscilloscope ; dans ces conditions, le temps de montée est égal à la constante de dé-
croissance moyenne du cristal. Nous avons ainsi trouvé pour les oc, la valeur de 0,42 ps, ce qui
confirme les résultats trouvés par la première
méthode.
Il est possible qu’il existe d’autres constantes de temps, mais la précision de la mesure permet
d’affirmer qu’elles rentrent pour moins de 5 %
dans la quantité totale de lumière émise.
4. Rendement lumineux de l’ICs. - 4.1. C 0 N D I-
TIONS EXPÉRIMENTALES. -- Le rendement lumi-
neux de l’rCs a été déterminé par rapport à celui
de l’ I Na. Nous avons comparé, dans des conditions d’électronique identiques, et pour un même rayon-
nement, les amplitudes des impulsions avec INa
et avec ICs.
Ceci n’est valable que dans le cas où l’amplitude
de l’impulsion ne dépend pas de la constante de
temps du scintillateur ; c’est pourquoi nous avons
utilisé une capacité de charge de 1 000 pF, ce qui correspond à une constante de temps de I0-4 s.
4.2. RENDEMENT EN ÉLECTRONS. - NOUS trouvons par cette méthode que le rendement en
électrons de l’ICs est égal à 30 % du rendement de l’INa.
Ce résultat est valable dans la mesure où le rendement optique de cristaux de dimensions
différentes, peut être comparé ; en fait, les dia-
mètres étant identiques, seule l’épaisseur change,
et passe de 1" pour l’INa à 4 mm pour l’ICs ; mais
en pratique l’ICs est utilisé essentiellement pour la détection oc ; nous avons pensé qu’il était pré-
férable de donner l’ordre de grandeur du rende- ment, pour des cristaux minces.
Nous avons essayé de déterminer l’énergie
nécessaire dans le cas d’un rayonnement y, pour que la photocathode émette un photoélectron ;
nous avons d’abord effectué le calcul pour l’INa,
en partant du pouvoir de résolution déterminé
expérimentalement.
On a:
a écart quadratique moyen ;
n nombre de photoélectrons ;
d coefficient moyen d’émission secondaire ;
c rendement de collection ;
E énergie du pic photoélectrique.
Si DE est la largeur totale à mi-hauteur du pic photoélectrique :
Si l’on suppose que, pour un « 51 AVP », d est voisin de 3,5, et c de 0,9, on obtient : .
d’où ;
La valeur AE/E, correspond à un pouvoir de
résolution idéal, où à’interviennent que les fluc- tuations statistiques ; .en réalité, il faut tenir compte de l’inhomogénéité de la photocathode
et des variations de concentration locale en Tt ;
ceci est mis en évidence au moyen de la figure 6,
où un P. M., de très bonne qualité est monté avec
un cristal INa non sélectionné nous voyons que la résolution réelle est encore de 3 % lorsque E-1/2
tend vers 0 ; nous pensons d’après cette courbe
que la résolution idéale, pour le pic photoélectrique
de 13’Cs, et compte tenu de la sensibilité de la
photocathode du P. M. utilisé, est de l’ordre de 6,5 0/0.
Dans ces conditions, il faut environ 400 eV par
photoélectron. Les chiffres habituellement donnés dans la littérature de 500 à 1 000 eV) sont en géné-
ral calculés en fonction de rendements énergétiques
FIG. 6. - Variation du pouvoir de résolution
en fonction de E-1/2 (cristal INa).
moyens pour la photocathode et le cristal (40 uA/lumen et 8 %), et en supposant connu le
rendement optique (50 %) ; la méthode que nous
avons exposée semble plus rigoureuse. Elle a déjà
été utilisée (8), les auteurs trouvaient de l’ordre de 600 eV/photon. Mais il faut remarquer que notre photomultiplicateur a une sensibilité de 70 uA/lumen, nettement supérieure à la moyenne.
Si pour l’INa on trouve 400 eV pour un photo- électron, on trouve pour l’ICs, 400 X 3,3, soit
4.3. RENDEMENT EN oc. - L’expérience montre
que le rendement en oc, pour l’ICs, n’est pas linéaire
FIG. 7. - Variation du rendement ale de l’ICs, comparé
à une même énergie, en fonction de l’énergie des a,
483 en fonction de l’énergie. Nous sommes sur ce
point en parfaite concordance avec Quinton [2].
La figure 7 montre les variations du rendement
oc de l’ICs, comparé à une même énergie.
5. Conclusion. - Les caractéristiques de l’ICs,
au point de vue de ses rendements lumineux et de ses,constantes de temps, permettent d’envisager
son utilisation en spectrométrie ce à haut pouvoir
de résolution ; toutefois, les difficultés de polissage
font que des résolutions inférieures à 3 % pour
des oc de 8 MeV ne sont obtenues qu’exception-
nellement.
Grâce à cette méthode, nous avons pu séparer
les oc des 3He et des protons diffusés dans la réac- tion 6Li (p, a) 3He.
BIBLIOGRAPHIE [1] PECK, EULANK, LOWE, Response of CsI (Tl) to p, d,
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[2] QUINTON, ANDERSON, KNOX, Fluorescent response of Cesium Iodide crystals to heavy ions, Phys. Rev., 1959, 115, 4.
[3] STOREY, JACK and WARD, The fluorescent decay of CsI(Tl) for particles of different ionisation density,
Proc. Phys. Soc., 1958, 72, 1, 463.
[4] OWEN, The variation of phosphor decay time with specific ionisation and its applications, Colloque
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et ionisation atomique accompagnant l’émission
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578.
MESURE ABSOLUE 03B2 PAR SPECTROMÉTRIE 403C0 A SCINTILLATION Par E. COROMPT et R. BOUCHEZ
Centre d’Études Nucléaires de Grenoble et Faculté des Sciences de Grenoble.
Laboratoire de Physique Nucléaire.
Résumé. 2014 Un spectromètre 03B2 à scintillation et à géométrie 403C0 a été mis au point, utilisant
deux photomultiplicateurs 53 AVP et deux scintillateurs de polystyrène activé, opérant à - 20°
(seuil total 8 keV). Le spectre 03B2 des éléments (90Sr + 90Y, 35S, 32P) est analysé par la méthode de la droite de Kurie, qui permet ainsi de reconstituer le spectre aux faibles énergies et de calculer le nombre d’électrons mous cachés dans le bruit de fond. Théoriquement cette méthode permet une
mesure absolue à 1 % près. Elle peut d’ailleurs être améliorée par abaissement du seuil (choix des
P. M., utilisation de scintillateurs à plus grand rendement lumineux) et par la méthode des coïn- cidences qui diminuera le bruit de fond ; la difficulté n’est pas dans la mesure physique mais dans la
manipulation de la radioactivité de l’élément.
Abstract. 2014 A 403C0 03B2 scintillation spectrometer has been constructed with two P. M., 53 AVP and
two activated polystyrene scintillators operated at 2014 20 °C. The 03B2 spectra of 90Sr + 90Y ; 35S,
32P are analysed by the method of the Kurie plot which enables one to reconstitute the spectrum
at low energies and to extrapolate the number of soft electrons in the background. Theoretically
this method gives an absolute measurement with 1 % precision. It can however be improved by lowering the threshold, selecting the P. M., by the use of scintillators with a better luminescence
yield and by the method of coincidences which reduces the background.
LE JOURNAL DE PHYSIQUE ET LE RADIUM TOME 21, MAI 1960, PAGE 483.
I. Introduction. - La méthode 4r est celle qui permet d’étalonner les émetteurs B avec la préci-
sion la plus grande. Elle est largement appliquée
au C. E. N. Saclay par Grinberg et Le Gallic qui
utilisent un compteur G. M. à géométrie 4n. Au
National Bureau of Standards un compteur 4n proportionnel est utilisé depuis 1950 (Seliger, 1951;
Man, 1953; Seliger, 1954) puis un compteur 4n à
scintillation (cristal) fut également utilisé (Smith, 1956) pour l’étalonnage des émetteurs B.
Au Royal Hospital à Londres la méthode 4n à scintillations est aussi utilisée mais avec des
liquides (Belcher, 1953).
La méthode par scintillation’a l’avantage de pouvoir étalonner directement des sources plus intenses, les impulsions des compteurs à scintilla-
tions pouvant être au moins rendues 100 fois plus
brèves que celles des compteurs G.M. ou propor-
tionnels ; on est limité du côté électronique par la résolution des échelles de comptage par exemple
