Spectromètre à scintillation pour l'étude des rayonnements α, β, γ, en coincidence. (I)

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Spectromètre à scintillation pour l’étude des

rayonnements α, β, γ, en coincidence. (I)

R. Foucher, L. Dick, N. Perrin, H. Vartapetian

To cite this version:

54 A.

SPECTROMÈTRE

A SCINTILLATION

POUR

L’ÉTUDE

DES RAYONNEMENTS 03B1,

03B2,

03B3, EN COINCIDENCE

(I)

Par R.

_FOUCHER,

L.

_DICK,

N. PERRIN et H.

_VARTAPETIAN,

Institut du _Radium, Laboratoire Curie

PHYSIQUE

PHYSIQUE APPLIQUÉE TOME 18, MARS 1957, PAGE

Dans une

_précédente

note

_[1]

nous avions décrit

sommairement un

_{spectromètre}

du

_type

_lent-rapide

par l’étude des

rayonnements

ce,

~3,

y en

spectro-métrie

_simple

ou en coïncidence. Dans cet article

nous donnons les détails de la voie lente de

discri-mination

_{d’énergie.}

Chaque

voie de discrimination

d’énergie

part

de la

_6e,

7° ou 8e

_dynode

d’un

_{photomultiplicateur}

EMI 6262 ou 6260 choisis _pour leur faible bruit

de fond et leur

_{grand gain.}

La voie de coïncider ce

rapide

part

de l’anode du

_{photomultiplicateur.}

La

tension totale

_appliquée

au

_{photomultiplicateur}

est de 1 800 à 2 _{000 volts pour que le circuit de} coïncidence

_rapide

soit sensible au

_premier

photo-électron et _{que l’on} conserve ainsi des bons

ren-dements de _{coïncidence pour des}

_temps

de

réso-lution de l’ordre de 10-8 seconde avec des

rayon-nements de faible

_{énergie [2].}

Les scintillateurs sont des cristaux de

_INa(TI)

ou

d’anthracène. Pour détecter les

_particules

ce et

_avoir

une bonne résolution en

_énergie,

nous utilisons des lamelles clivées de

_{lN a(Tl) placées}

dans urne

chambre à vide munie d’un

_piège

à air

_{liquide ~;}

un réflecteur assure _{l’utilisation presque totale de}

la lumière émise

_[3].

Réponse

du EMI 6262 suivant l’intensité et

l’énergie

des

_rayonnements

détectés. - Dans les

conditions de fonctionnement du

photomulti-plicateur,

tension totale

_appliquée

2 000

_volts,

sortie sur la 7e ou 8e

dynode,

on observe un

accrois-sement de la hauteur des

_impulsions

et un

élargis-sement des _{raies pour} une intensité croissante des

rayonnements.

Bien _que la tension

_appliquée

à la chaîne de résis-tances Rn fixant le

_potentiel

des

_dynodes

soit stabilisée à

_{quelques 0,01}

_%

_{(1), l’augmentation}

du

, courant

_interdynode

avec l’intensité fait varier la

répartition

des

_potentiels,

de ces

dynodes.

Cet effet

est d’autant

_{plus important qu’on}

se

rapproche

de

l’anode et _que les

_rayonnements

sont

_énergiques

et par

exemple

le

potentiel V7

de la

dynode

de sortie

peut

passer de 1 000 à 1 200

volts ;

la hauteur des

impulsions

de sortie

_augmente

en

_conséquence

et le

photomultiplicateur

apparaît

avoir un

_gain

supé-rieur. Cet effet est

_important

_pour

l’étalonnage

en >

énergie

d’un

_spectre

avec des sources d’intensités

différentes,

Il faut

_ajouter

à cet effet les fluctuations du

potentiel

des

_{dynodes :}

elles

_dépendent

_pour une

part

du

_découplage

des résistances Rn de la chaîne et sont lentes

_puisque

les

_composantes

_rapides

sont court-circuitées à la masse. Ces fluctuations ont pour résultat

d’augmenter

la

largeur

des raies essentiellement due à la fluctuation du nombre des électrons émis au niveau de la

_photocathode

et des

premières

dynodes.

Les mêmes

_phénomènes

sont observés

_lorsqu’il

_y a une fuite de lumière sur le

photomultiplicateur.

Pour annuler ces variations il ne suffit _pas de

fixer le

_potentiel

_V?

de la

_dynode

de

_{sortie ;}

il faut fixer le

_potentiel

_Vs

de la

_dynode

suivante et

même

_{V9. Alors}

le

_gain

reste

_pratiquement

constant Le

_gain

du niveau d’une

_dynode

_dépend

donc du

potentiel

des

_{dynodes suivantes,}

des effets locaux de saturation avec l’intensité

_pouvant

être

com-pensés

par une meilleure collection des électrons

secondaires émis si le

_potentiel

relatif des

_dynodes

suivantes est

_augmenté.

Ces effets

_peuvent

être

_rapprochés

de la

_réponse

non linéaire des EMI 6262 par

_rapport

à

_l’énergie

des

_rayonnements

détectés même de flux très faible. Cette non-linéarité a été _{étudiée par J. F. Raflle} et

E. J. Robbins

_[4]

avec des

_rayonnements

ce. Nous

avons vérifié ce

_phénomène

avec des

rayon-nements _y. Il est

_expliqué

_par

_{l’apparition}

_pour

chaque impulsion,

de

_{charges d’espace auprès}

de

chaque dynode,

le

_potentiel

accélérateur étant presque nul à leur

voisinage. Lorsque

le flux inci-dent

_augmente,

il _y a

_compétition

entre l’effet de

ces

_charges

et la

_répartition

des

_potentiels

relatifs. Par

_ailleurs,

Caldwell et

_{Turner, puis Bell,}

Davis Bernstein

_[5]

ont

_remarqué

ces variations de

_gain

avec l’intensité des

_rayonnements

se faisant avec

deux

_temps

d’établissement _{avant que} le

photo-tube ne trouve un

régime

de fonctionnement

stable;

ces variations seraient dues au

_comportement

des

dynodes.

Morton note _que ceci est vrai seulement

dans les cas où les

_dynodes

sont en

_{Ag-Mg [6].}

Celles des EMI 6262 sont au Cs. Nous avons

constaté

_{cependant l’augmentation}

du

_gain

avec N

de 2

_%

_{pour les mêmes} intensités. Il faut attendre (1) Si la _{température d’équilibre} de la source de haute

tension ne _{varie pas trop} au cours de _{l’expérience.}

55 A

une

_vingtaine

de minutes _pour avoir un

_gain

stab le.

(État

de surface des

_dynodes,

_gaz

_occlus....).

Dans le cas des

photomultiplicateurs

cités dans

la référence

_[6]

comme dans celui des

_EMI,

les variations de

_largeur

de raies

_{s’expliquent}

certai-nement par les fluctuations « lentes » du

_potentiel

effectif d’accélération entre

_dynodes.

En tous _cas, les P. M. où

_{d’importantes charges}

d’espace

ne

_peuvent

exister facilement doivent avoir un

_{gain plus}

stable _que les EMI _{6262 par}

exemple,

vis-à-vis du nombre de

_particules

détectées dans la mesure où les

_potentiels

des

dynodes

sont bien déterminés.

Ces

_{particularités}

de fonctionnement

_gênent

l’étude des sources intenses de

_périodes

courtes

(inférieures

à

_{quelques jours)}

et

_compliquent

les

étalonnages

en

énergie

des

_spectres.

Schéma 1.

Schéma 2.

Réponse

de

_{l’amplificateur.}

--

L’amplification

proportionnelle

du

_spectre

_{d’impulsions}

sortant du

photomultiplicateur

est

_perturbée

_par

_{l’apparition}

d’impulsions

fantômes et d’une non-linéarité de

l’amplificateur

lorsqu’un grand

nombre

d’impul-sions le saturent : ceci est dû aux

surcharges

des

capacités

de liaison entre

_étages

et aux overshoots.

Pour

_pallier

ces

difficultés,

nous avons

_adopté

des solutions

_{simples qui}

nécessitent _peu de

trans-formations des cellules de base existantes

[7]

dont

nous avons besoin _par ailleurs :

Suppression

des

_découplages

de cathode. La

compensation

H. F. reste assurée.

Différentiation

_après

la

_première

cellule. Cellule de

_puissance

du

_type

« sans overshoot ».

Une contre-réaction à diode entre les anodes de la

_première

et deuxième

_lampe

de la

_première

cellule limite les

_impulsions

et

_empêche

la for-mation de courant

_grille.

Elle diminue

_légèrement

le

_gain.

Un

_système

de diodes limite les

_impulsions

à l’entrée de la deuxième cellule. Il s’en suit une

limitation à 120-140 volts des

_impulsions

_envoyées

dans

_{l’analyseur qui}

_empêche

sa

_surcharge.

Mais le

facteur de stabilité de ces cellules est assez faible.

Ceci

_exige

des sources de tensions et un courant de

chauffage

bien

_stable,

un matériel

_largement

dimen-sionné. Nous avons

_apporté

avec l’aide de

M.

_Leblanc,

technicien au

_Laboratoire,

_quelques

modifications aux schèmas

_{classiques’de}

source de

tension stabilisée

_(schèmas

1 et

_2).

..

L’ensemble des cellules

₍₁₎

et

_{(2) (schèma 3)}

a un

gain

de 2 000. La bande _passante reste

_supérieure

à 3 Mc

_jusqu’à

100 volts.

_{L’amplification}

_des rayon-nements

XÀ,

de20 KeV du Rh"02 n’est _pas

_perturbée

par la

détection simultanée des

_rayonnements

_y du Co6°

_jusqu’à

une intensité de

6 .105C /min

de ces

derniers.

Schéma 3.

Quelques

solutions

_{plus complètes}

du

_problème

A

Discrimination

_{d’énergie.}

--- Nous

avons choisi

les

_analyseurs

à 1 et 20 canaux du

_type

W. Johnstone pour leur

rapidité

de

_réponse

et leur

adaptation

aux études en coïncidence

_[9].

L’ouver-ture des canaux de discrimination de 1 à 10 volts

permet

d’analyser

un

_spectre

_{d’impulsions}

dans les conditions

_optimum.

Lorsqu’on

effectue une mesure d’intensité et

d’énergie

il est nécessaire _que le nombre

d’impul-sions par unité de

temps

dans

_chaque

bande de

discrimination soit maximum pour diminuer les

erreurs

_statistiques

sans _{pour cela}

altérer

le

_pouvoir

séparateur

du

_{spectromètre.}

Cette condition doit être _{d’autant mieux réalisée que} les taux de

comp-tage

sont

_faibles,

en

_particulier

_{pour la}

spectro-métrie en coïncidence. On

_peut

calculer facilement

l’ouverture de la bande de discrimination

_optimum

pour une

_{expérience donnée ;}

en effet si l’on admet

que la formule

I(v)

d’une raie à la sortie du

photo-multiplicateur

est

_{représentée}

_par une courbe de

Gauss

dont la

_largeur

à mi-hauteur est

_égale

à dans un

canal de

_largeur

2s on

_comptera

_impulsions

avec :

Na( U)

représente

la courbe

_{enregistrée.}

Sa

_largeur

à

mi-hauteur en fonction de s se déduit facilement

de

₍₁₎

et

₍₂₎

_[10]

et est _{donnée par la relation :}

où E est la fonction « erreur ».

FiG. 1.

La

_{figure 1}

_représente

_{l’élargissement}

à mi-hauteur de la raie en fonction de s.

Le nombre

_{d’impulsions enregistrées}

dans le canal au maximum de la raie en fonction de la

largeur

du canal est

_{d’après (1)}

et

_{(2) :}

avec

_N,

= nombre total

d’impulsions

de la raie.

La courbe

₍₂₎

donne ainsi _pour

s =

0,1lo,

la raie n’est

pratiquement

_pas

élargie

et le nombre

_{d’impulsions lVmax enregistrées}

dans le canal est

_égal

à 10

_%

du nombre total.

~~o 0

FIG. 2.

Pour s =

1,0 lo, la

raie _est

élargie de

25

% et

Nmax

= 76

%

du nombre total.

Condition

_optimun.

-- Si

on considère la

fonc-tion

il

est _{raisonnable de penser que le maximum}

de

_{représentera}

_pratiquement

la condition

optimum

d’ouverture 2s du canal de discrimination.

FiG. 3.

Sur la

_figure

3 est

_{représentée F(s)}

et de la valeur maximum on déduit :

d’où

d’où

Conclusion. --~ La

largeur

optimum

du canal

analysant

une raie de

_l’argeur

à mi-hauteur

_{2 la}

est donc

_1,61,,.

Comme la surface de la raie

enre-gistrée

est

_{indépendante}

du nombre de mesures

effectuées

_{pour la}

_définir,

l’intensitétotale du

57 A

cette surface et de

_{la largeur}

2s du canal. Les erreurs

statistiques

sont

_plus

faibles _que lors d’une mesure

à bandes

_jointives

_pour un

_temps

de mesure

égal.

On voit

_également

de ce

qui

précède qu’il n’y

a _pas

autant d’intérêt

_{qu’on pourrait}

le croire à travailler

avec 100 canaux de 1 volt

_{plutôt qu’avec}

20 canaux

de 5 volts

_déplacés

5 _{fois pour} avoir autant de

points,

même si on fait abstraction des

_questions

de

_technologie.

Le mieux est d’utiliser un

« 20 canaux »

_{rapide susceptible d’indiquer}

le

spectre

direct et le

_spectre

en coïncidence et un

« 100 canaux ))

_plus

lent

(suivant

les

_cas).

Nous avons construit

plusieurs

installations de ce

_type

en fonctionnement

depuis

trois ans,

qui

nous ont

_permis

d’étudier certains

_problèmes

de

spectrométrie

nucléaire.

Nous tenons à rendre

_hommage

à Mme Joliot-Curie

_qui

a suivi et

_encouragé

ce travail.

Manuscrit reçu le 9 février 1957.

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