I:::JI Ga. I'.: iliiiiïp fft-ho?^}- jf!?;" S CEA-H-4764 I? COMMISSARIAT A L'ENERGIE ATOMIQUE

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I ? COMMISSARIAT A L'ENERGIE ATOMIQUE

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RECHERCHES SUR LA DOSIMETRIE PAR EMISSIONS ELECTRONIQUES STIMULEES

par

Maurice PET EL

DEPARTEMENT DE PROTECTION

Centre d'Etudes Nucléaires de Fontenay-aux-Roses

Rapport CEA-R-4754

1976

Ga

SERVICE DE DOCUMENTATION

C.E.M • SACLAY BP. n' 2, 91 190 • GIF-rjr-YVETTE • France

PLAN DE CLASSIFICATION DES RAPPORTS ET BIBLIOGRAPHIES CEA (Classification d u système international d e d o c u m e n t a t i o n nucléaire S I D O N / I N I S )

Physique théorique

Physique atomique et moléculaire Physique de l'état condensé

Physique des plasmas et réactions thermonucléaires Astrophysique, cosmologie et rayonnements cosmiques Conversion directe d'énergie

Physique des basses températures Physique des hautes énergies

Physique neutronique et physique nucléaire An?iyse chimique et isotopique

Chimie minérale, chimie organique et physico-chimie Kadiochimie et chimie nucléaire

Chimie sous rayonnement Corrosion

Traitement du combustible

Métaux et alliages (production et fabrication) Métaux et alliages (structure et propriétés physiques) Céramiques et cermets

Matières plastiques et autres matériaux Effets des rayonnements sur les propriétés physiques des matériaux

Sciences de la terre

10 Action de l'irradiation externe en biologie 20 Action des radioisotopes et leur cinétique A 11

A 12 A 13 A 14 A 15 A 16 A 17 A 20 A 30

B 11 B 12 B 13 B 14 B 15 B 16 B il B 22 B 23 B 24 B 25

C 30 Utilisation des traceurs dans les sciences de la vie C 40 Sciences de ia vie : autres études C 50 Radîoprotection et environnement D 10 Isotopes et suurces de rayonnements D 20 Applications des isotopes et des rayonnements

Thermodynamique et mécanique des fluides Cryogénie

Installations pilotes et laboratoires Explosions nucléaires

Installations pour manipulation de matériaux radioactifs

Accélérateurs Essais des matériaux

Réacteurs nucléaires (en général) Réacteurs nucléaires (types) Instrumentation

Effluents et déchets radioactifs Economie

Législation nucléaire Documentation nucléaire Sauvegarde et contrôle

Méthodes mathématiques et codes de calcul Divers

E 11 E 12 E 13 E 14 E 15 E 16 E 17 E 20 E 30 E 40 E 50 F 10 F 20 F 30 F 40 F 50 F 60

Rapport CEA-R-4754 Cote-matière de ce rapport : E.40

DESCRIPTION-MATIERE (mots clefs extraits du thesaurus SIDON/INIS) en français

DOS1METRES A EXOELECTRONS EXOELECTRONS

EMISSION THERMOELECTRONIQUE FLUORURES DE LITHIUM OXYDES D'ALUMINIUM

DETECTEURS DE RAYONNEMENTS DETECTION DU RAYONNEMENT DOSIMETRIE

PIEGES

RELATIONS DOSE-EFFET PERFORMANCE SENSIBILITE

SYSTEMES DE LECTURE EN SORTIE THEORIE DES BANDES

PREPARATION D'ECHANTILLONS INFLUENCE DE LA TEMPERATURE

en anglais

EXOELECTRON DOSEMETERS EXOELECTRONS

THERMIONIC EMISSION LITHIUM FLUORIDES ALUMINIUM OXIDES RADIATION DETECTORS RADIATION DETECTION DOSIMETRY

TRAPS

DOSE-RESPONSE RELATIONSHIPS PERFORMANCE

SENSITIVITY READOUT SYSTEMS BAND THEORY SAMPLE PREPARATION TEMPERATURE DEPENDENCE

CEA-R-4754 - PETEL Maurice

RECHERCHES SUR LA DOSIMETRIE PAR EMISSIONS ELECTRONIQUES STIMULEES Sommaire.- Ce mémoire est consacré â certaines applications des émis- sions Électroniques stimulées â la dosinétrie des rayonnements. Après avoir présenté les principes qui régissent les phénomènes mis en jeu, on décrit l'appareillage de lecture des exoélectrons réalisé et conçu pour fonctionner en photostimulation et en thermostimulation, f u i s on présente les travaux qui ont été feits pour rechercher s'il existe une corrélation e n w e la thermoluminescence et l'émission exoélectronique t h e m o s t i m u l é e du fluorure de lithium et de l'alumine. On expose ensui- te les études effectuées sur les caractéristiques exoémissives de dif- férentes sortes d'alumines. On étudie enfin les propriétés dosiraétri- ques de l'une d'entre elles pour les deux modes d e stimulation.

Commissariat à l'Energie Atomique - France

CEA-R-4754 - PETEL Maurice

STUDIES IN DOSIMETRY USING STIMULATED EXO-ELECTRON EMISSION Summary.- This report concerns the application of stimulated exo- electron emission to radiation dosimetry. After having presented the principles which govern this phenomenon, the apparatus, in par- ticular the counter, used to monitor tho emission is discussed with reference to both optical and thermal stimulation. The correlation existing between thermoluminescence and thermally stimulated exo- electron emission has been studied in both lithium f l u o M d e and alu- minium oxide.. Furthermore, aluminium oxides from different sources havo been examined, and one o f these chosen to investigate the d o s i - metric properties of.this material using both methods of stimulation.

'9 7 6 75 p .

Commissariat à l'Energie Atomique - France

i3#ffl;av*»vj&!iï3icw.«sw^^

N ° d'ordre : 318

T H E S E

PRESENTEE

devant L'UNIVERSITE PAUL SABATIER de TOULOUSE (SCIENCES)

POUR OBTENIR

LE GRADE DE DOCTEUR DE L'UNIVERSITE Spécialité : PHYSIQUE RADIOLOGIQUE

par

Maurice PETEL

RECHERCHES SUR LA DOSIMETRIE PAR EMISSIONS ELECTRONIQUES STIMULEES

Soutenue ie 4 mars 1976, devant la Commission d'Examen

MM. D. BLANC

i_. COMMANAY P. LARROQUE D. HAHN A. GAUVENET H. FRANCOIS G. PORTAL

Président

Examinateurs

- Rapport CEA-R-4754 -

Centre d'Etudes Nucléaires de Fontenay-aux-Roses Département de Protection

Service Technique d'Etudes de Protection Section Technique d'Instrumentation et de Dosimétrie

RECHERCHES SUR LA DOSIMETRIE PAR EMISSIONS ELECTRONIQUES STIMULEES

par

Maurice PETEL

- Juin 1976 -

Je dédie ce travail à la ménioire du Professeur J. KRAMER (1905-1975) qui m'a accueilli avec beaucoup de sympathie dans son "merveilleux" Laboratoire, et m'a fait bénéficier, avec sa grande maîtrise expérimentale,de ses trente années de recher­

ches, consacrées à l'émission exoélectronique.

Je lui sais gré d'avoir su me donner confiance quant à l'avenir de l'application d-a exoélectrona à la doaimétrie : que es mé­

moire soit un gage de ma reconnaissance envers lui.

J'exprime ma très profonde gratitude au Professeur D. BLANC, Directeur du Centre de Physique Atomique de l'Université P:.ul Sabatier de Toulouse qui m'a accueilli amicalement dans son Laboratoire durant un septennat. C'est là que cette étude a Jébuté. Je le remercie également de m'avoir encouragé à présenter ce travail et je suis très sensible à l'honneur qu'il me fait en préaidant mon jury.

C'est pour moi un grand honneur de bénéficier de lu. présence dans la commission d'examen de spécialistes éminenis de la biologie, de la physique fondamentale et de la physique appliquée.

Je remercie bien vivement de participer à mon jury, Monsieur le Docteur L. COMMANAY Professeur à l'Université Paul Sabatier de Toulouse, Directeur du Laboratoire de Physiqr.e Phar- maceutique qui a, dès le début de men recherches, manifesté le p-'us vif intérêt pour cette étude.

Monsieur P. LARROQUE, Professeur au Laboratoire de Physique Structurale de J'Univer- sité Paul Sabatier de Toulouse, qui m'a fait le grand plaisir et l'amité de bien vouloir juger mon travail.

Monsieur le Professeur D. HAHN, de l'Université Technique de Berlin (RFA), Directeur du Groupe de Physique du Solide du Physikalisch-Technische Bundei'antstalt {PTB), Institut de Berlin, qui m'a toujours accueilli avec beaucoup de bienveillance et m'a permis d'effectuer une partie de mes recherches dans son Laboratoire. Je lui suis également reconnaissant de l'aide qu'il m'a accordée au cours de la réalisation de ce mémoire.

Monsieur A. GAUVENET, Délégua à la Mission Protection et Sûreté Nucléaire du Commis- sariat à l'Energie Atomique, responsable d*;s problèmes dosimétriques qui sont abordés dans cette étude, d'avoir bien voulu accepter de participer à mon jury. Je le prie de croire à ma r e s - pectueuse reconnaissance.

Monsieur H. FRANCOIS, Assistant de Monsieur le Chef du Service d'Etudes de Protection au Centre d'Etudes Nucléaires de Fontenay-aux-Roses, qui depuis de nombreuses années me témoigne sa confiance et, pressentant le grand intérêt de cette étude, m'a fait l'amitié de m'en c nfier la réalisation.

Monsieur G. PORTAL, Ch^f de la Section d'Instrumentation et de Dosimétrie du Centre d'Etudes Nucléaires de Fontenay-aux-Roses qui, par son dynamisme, son efficacité et ses pré- cieux conseils m'a très amicalement soutenu au cours de la réalisation de cette étude.

Je remercie tout particulièrement. Monsieur J. PRADEL., Chef du Service Technique d'Etudes de Protection au Centr** d'Etudes Nucléaires de Fontenay-aux-Rosea qui a bien voulu me permettre d'utiliser à dea fins personnelles les résultats d^s travaux que j'ai effectués dans son service.

J'adresse ma reconnaissance très amicale à Monsieur G. SOUDAIN qui fut mon premier Chef de Laboratoire au Commissariat à l'Energie Atomique il y a déjà vingt ans. Je le remercie de son aide constante durant la réalisation de ce mémoire.

Je dois beaucoup à la compétence et à ï'amité de Monsieur G. HOLZAPI'EL. r*Bponaable de l'émission exoélectr unique au PTB de Berlin. J'ai beaucoup appris à ses côtés et son aide à toujours été pour moi d'un précieux secours.

Mes remerciemeuta s'adressent également à Monsieur R. NINK responsable des recherches sur la luminescence au PTB de Berlin qu'., par ion aide très amicale et ses connaissances à contribué à la réussite de toutes ces études.

Mes remerciements vont de r.iême à Monsieur M. RODIERE qui à participé avtc enthou- siasme à la mise au point du premier c-'npteur d'exoélectrons.

Je remercie Monsieur J. TiAVIES, nouveau chercheur de notre Laboratoire qui ejt venu renforcer efficacement le "Team exoclectron".

J'assure de toute ma gratitude, celles et ceux qui m'ont aidé chacun dans leur spécialité dana le déroulement de cette étu-Je.

Je tiens à remercier enfin Madame THUREAU du Service de Documentation du Départe- ment de Protection qui a asauré la réalisation matérielle de ce mémoire.

T A B L E DES MATIERES

pages

HISTORIQUE 1 INTRODUCTION GENERALE 3

P R E M I E R E P A R T I E

I - PRINCIPES DE L'EMISSION EXOELECTRONIQUE 5

1-1 - Introduction 5 1-2 - Action des r a y o n n e m e n t s s u r la m a t i è r e : a s p e c t g é n é r a l 5

1-3 - L e s pièges de s u r f a c e 6 1-4 - L e s pièges en v o l u m e 6 1-5 - Excitation : l o c a l i s a t i o n des é l e c t r o n s dans tes pièges 6

1-6 - Stimulation : effets de la m i g r a t i o n des é l e c t r o n s h o r s des pièges 8

1-6-1 - Conductibilité 8 1-6-2 - " R e p i è g e a g e " 9 1-6-3 - L u m i n e s c e n c e 9 1-6-4 - E m i s s i o n e x o é l e c t r o n i q u e 9

1-7 - Cinétique des phénomènes 9 1-7-1 . T r a n s i t i o n s é l e c t r o n i q u e s : g é n é r a l i t é s 10

1-7-2 - Stimulation t h e r m i q u e 12 1-7-3 - Stimulation optique 17 II - DESCRIPTION DES D I F F E R E N T S MODELES DE L'EMISSION EXOELECTRONIQUE 17

I I - l - Introduction 17 I I - 2 - Modèle de l ' e x o é m i s s i o n t h e r m o - i o n i q u e 18

I I - 3 - Modèle de l ' a c c é l é r a t i o n dea e x o é i e c t r o n a p a r un c h a m p é l e c t r i q u e i n t e r n e 18

II-4 - Modèle de l ' e x o é m i s s i o n Auger 19 DEUXIEME PARTIE

III- ETUDE DE L ' A P P A R E I L L A G E DE DETECTION DES EXOELECTRON 21

III -1 - Introduction 21 III-2 - Le c o m p t e u r 21

III-2-1 - C a r a c t é r i s t i q u e s du c o m p t e u r 23 III-3 - C a r a c t é r i s t i q u e s é l e c t r o n i q u e s du c o m p t e u r 24 17 - DESCRIPTION DE L ' A P P A R E I L L A G E DE L E C T U R E 24

IV-1 - Introduction 24 IV-2 - La t h e r m o s t i m u l a t i o n : dispositif e x p é r i m e n t a l 27

I V - 2 - 1 - Le four 27 I V - 2 - 2 - Le dispositif de chauffage p r o g r a m m é 27

I V - 2 - 3 - P r é p a r a t i o n des échantillons 2 8

IV-3 - La photo s t i m u l a t i o n : dispositif e x p é r i m e n t a l 28

I V - 3 - 1 - La s o u r c e de l u m i è r e 30 I V - 3 - 2 - Le m o n o c h r o m a t e u r , l e s f i l t r e s 30 TROISIEME PARTIE

V - ETUDE DE LA CORRELATION E N T R E LA RADIO-THERMCLUMINESCENCE (RTL) 31 ET L'EMISSION EXOELECTRONIQUE THERMOS TIM ULEE (EETS)

V - i - Introduction 3l V - 2 - D e s c r i p t i o n du dispositif e x p é r i m e n t a l 31

V - 3 - P r é p a r a t i o n derf échantillons 32 V-4 - A n a l y s e d e s r é s u l t a t s obtenue 35

V - 4 - 1 - Le f l u o r u r e de lithium 35 V - 4 - 2 - L ' a l u m i n e (a) ou corindon 37 VI - ETUDES DES P R O P R I E T E S EXOEMISSIVES DE L'ALUMINE 37

V I - l - Introduction 3 7

VI-2 - G é n é r a l i t é s s u r l e s a l u m i n e s 39 V I - 3 - E m i s s i o n e x o é l e c t r e t h e r m o s t i m u l é (EETS) de l ' a l u m i n e oc 4 0

VI-4 - E t u d e s c o m p a r a t i v e s des c a r a c t é r i s t i q u e s de différents a l u m i n e s en E E T S 4 0

VI-5 - E m i s s i o n e x o é l e c t r o n i q u e p h o t o s t i m u l e e (EEPS) de l ' a l u m i n e a 44

VI-6 - A n a l y s e des r é s u l t a t s obtenus : o r i g i n e d e s p i è g e s 44

VII- P R O P R I E T E S DOSIMETRIQUES 46 VII-1 - R é s u l t a t s en E E T S 46

V I I - U I - L i n é a r i t é 4A V I I - 1 - 2 - R i p r o d u c t i b i l i t é 46 V I I - t - 3 - Effacement d e s d é t e c t e u r s 46 V I I - 1 - 4 - I r r a d i a t i o n s à tempérfttureb é l e v é e s 49 V I I - 1 - 5 - C o n s e r v a t i o n de l ' i n f o r m a t i o n de la d o s e 49

VII-2 - R é s u l t a t s en E E P S 51 V I I - 2 - 1 - M e s u r e s en E E P S p a r c y c l e s r é p é t é s 51

V I I - 2 - 2 - L i n é a r i t é 55 CONCLUSION GENERALE 59 BIBLIOGRAPHIE 61

rnSTORIQJE

A la fin du siècle dernier des chercheurs observèrent certaines émissions d'électrons qu'ils ne purent interpréter.

C'est ainsi qu'en 1897 en répétant les expériences de BECQUEREL» RUSSEL /~R\iB»lJ nota que des feuilles de zinc soumi.T»'" à un traitement mécanique, provoquaient le noircr.dBement d'émulsions photographiques.

Puis en 1899 CURIE [Cu-1 ] remarqua que des matériaux préalablement mis au contact de radium présentaient une "radioactivité d/croissante". Ce même effet fut également observé p?r RUTHERFORD /"Ru-1 ] en 1900.

En fait la première communication eur ce phénomène fut publiée en 1902 par MAC LEN- NAN / M e Le-1 7 , élève de J . J . THOMSON. Il excita divers chlorures et sulfates avec des rayons cathodiques, puis en les chauffant il observa simultanément l'apparition d'un phénomène lumineux et l'émission d'électrons. Il est considéré de nos jours comme le premier a avoir tentj la mise en évidence de la corrélation entre l'émission exoélectronique thermostimulée (EETS) et la radiothermoluminescence (RTL).

O'autre part la stimulation optique de cet. ' ei.iiosion d'électronr avait déjà été étudiée en 1896 par ELSTER et GEITEL /"El-ly'.Durant la pë-^ode de la première guerre mondiale ces recherches sont retombées dans l'oubli. Malgré cela quelques chercheurs isolés ont repris ces expériences. Puis arriva 1930, époque où GEIGER mit au point son compteur. On remarqua alors que des tubes en aluminium récemment fabriqués émettaient des électrons.

C'est en 1935 que l'un des élèves de GEIGER , CHRlSTOi^r /"Ch-1 J mesura un bruit de fond anormalement élevé, mais qui décroissait rapidement, dans un compteur Ion* la paroi venait d'être recouverte d'un metal alcalin.

Cet effet fut étudié expérimentalement par LAUBERJUNG etNEUERT / L a - l / Il fautégale- ment mentionner les travaux de LEWIS et BURCHAM /"Le-1 _/, qui introduisirent dans un comp- teur des pièces d'aluminium, de cuivre et de laiton abrasées ou rayées. Ils observèrent ainsi des taux de comptage élevés.

La seconde guerre mondiale interrompit de nouveau l'évolution de ces recherches et c'est

- 2 *

en 1949 que KRAMER /~Kr-l-Z_/reprenant ces études sur les métaux découvrit que lea électrons émis n'étaient pas issus des surfaces métalliques, mais des couches d'oxyde a qui les recouvraient

Il remarqua Également qu'un grand nombre de cristaux ioniques tela que : le gypse, le fluorure de calcium ainsi que certaines surfaces métalliques oxydéea, émettaient des électrons lorsqu'ils étaient soumis à des traitements mécaniques où bien irradiés par des rayons X.

Il appela cette émission : EMISSION EXOELECTRONIQUE.

Lea conclusions de KRAMER fKr-lJ furent aussitôt confirmées par GOBRECHT fOo-l ] et aes collaborateurs. L'étude de la corrélation entre l'émission exoélectronique et L'émission de lumière (luminescence) fut reprise par BOHUN et LEPPER / " B O - 1 - 2 , Lep-1 ] sur une suggestion de KRAMER. Ils signalèrent une similitude possible. Le modèle cinétique de la thermolumines- cence fut appliqué à l'EETS par NASSENSTEIN fNa-lJ. Lea nombreux résultats obtenus par KRAMER suscitèrent alors des recherches dans divers laboratoires sur cette émission exoélec- tronique. Les principalea applications de ce phénomène qui furent pour la plupart découvertes par KRAMER aont :

les recherches aur la métallographie /*Kr-3_/

la catalyse / " N a - 2 /

les phénomènes de concaseage /"Kr-4_/

la radiolyae de l'eau /~Kry-l_/

Ja géologie /"Lew-1 J

la dosimetric des rayonnements /~Kr-5_/

C'est cette dernière application que j'étudie, et qui fait l'objet de r.e mémoire.

En 1958 KRAMER fKr-Sj présenta les premiers réaultats de ses recherches effectuées sur le sulfate de calcium. Puis à partir des travaux de GOURGE et HANLE /"Gou-1 ] sur la même substance, naquit l'idée d'appliquer l'éxoémission à la dosimétrie.

La première étude solide de l'émission exoélectronique appliquée à la dosimétrie fut publiée en 1962 par KRAMER /"Kr-&7. Elle met en évidente les avantages fondamentaux des détecteurs à exoélectrons. notamment :

- la grande variété de matériaux utilisablea - leur prix de revient assez bas

- la grande gamme de doses mesurée

- la pos - '/Lite d'effectuer la dosimétrie des rayonnements de faibles énergie..-.

Entre 1963 et 1966, plusieurs chercheurs, allemands pour la plupart,ont étudié l'émission exoélectronique appliquée à la dosimétrie.

Les premiere résultats obtenus ne furent guère encourageants, et le champ des applica- tions se restreignit du fait de 1:: mauvaise reproductibilité des mesures et d'un manque de linéa- rité de l'exoémiesion en fonction de la dose. Entre temps, KRAMER /"Kr-7_/ élimina ces dif- ficultés en ajoutant au matériau exoémetteur une substance conductrice non exoémettrice ; il choisit le graphite. Depuis de nombreux laboratoires se sont penchés sur les mécanismes de

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l'émission exoélectroni<iue.

A l'heure actuelle on a recensé plus de trois cents publications sur le sujet ^"Be-1, Be-27⁷. INTRODUCTION GENERALE

A l'issu du Colloque de Brunswick sur les exoélectrons (1970) il fut décidé en 1971 de mettre en oeuvre un programme de recherches sur la dosimetric par émission exoélectronique.

J'ai été chargé de ce travail.

A cette époque le seul dispositif de lecture existant dans le commerce nt= fonctionnant pas d'une façon satisfaisante j ' a i été conduit à étudier notre propre appareillage de détection.

Les résultats que j ' a i obtenus, m'ont permis de rédiger ce mémoire, qui présente les études les plus marquantes qui ont été effectuées.

La première partie est consacrée aux principes fondamentaux de l'émission exoélectroni- que, aux modes de stimulation et aux principaux modèles théoriques.

La deuxième partie traite de la détection des exoélcctrons. J'y décria le dispositif de lecture que j'ai conçu pour les deux modes de stimulation.

Enfin dans la troisième partie j'expose l'ensemble de mes résultats expérimentaux. Tout d'abord la mise en évidence de la corrélation existant entre la radiothermoluminescence et l'émission exoélectronîque thermostimulée du fluorure de lithium et de l'alumine.

J'expose ensuite les études effectuées sur les caractéristiques exoémissives de différentes alumines. J'en ai sélectionné une dont je présente leB propriétés dosimétriques pour les deux modes de stimulation.

PREMIERE PARTIE

I - PRINCIPES DE L'EMISSION EXOELECTRONIQUE 1-1 - Introduction

Pour décrire les différents phénomènes, noua utilisons dans ce mémoire la théorie das bandes d'énergie.

Pour ce qui concerne le cas particulier des criBtaux isolants, le diagramme des bandes d'énergie de ces cristaux est caractérisé par des bandes interdites relativement larges (E. >2eV).

CclleB-ci rendent les transitions des electrons de valence improbables car même dans le cas de valeurs élevées de la température, l'énergie thermique pour créer ces transitions est insuffisante.

Seule, l'action de particules énergétiques (photons, électrons. . . } peut engendrer des transferts d'électrons entre les bandes de valence et de conduction.

Le réseau cristallin n'est jamais parfait il est perturbé floit par des imperfections de structure) soit par la présence d'atomes étrangerd. Ces perturbations créent des défauts. Ceux- ci ont des niveaux d'énergie définis, localisés dans la bande interdite.

Ils sont à l'origine de la plupart des effets rencontrés en physique du solide. Nous nous intéressons plus particulièrement AUX défauts des cristaux ioniques dont les plus importants pour l'étude des phénomènes liés à 1*. luminescence et à l'émission exoélectronique, sont consti- tués, par les lacunes et les intersticiels. La lacune négative la plus connue est celle qui peut capturer un électron et créer ainsi un centre F . Ceux-ci ont été particulièrement étudiés par PICK / P i - i y .

Dans ce mémoire nous admettrons que les centres F constituent leB pièges à électrons mis en jeu dans les phénomènes décrits. L'introduction d'atomes étranger» dans la maille c r i s - talline engendre dos niveaux énergétiques dans la bande interdite. On parvient ainsi à créer des pièges à trous qui jouent souvent le rôle de centres luminogènes.

1-2 - Action des rayonnements sur la matière : aBpect général

L'action des particules ionisantes sur un solide produit des effets variés. Tout d'abord celles-ci cèdent leur énergie au système des électrons. Des électrons sont libérés dans le

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cristal et dans le milieu qui l'environne, Ils peuvent être capturés par les défauts du réseau cris- tallin. Pa ailleurs un certain nombre d'entre eux peut être capturé par les couches d'absorption créées par les molécules gazeuses localisées à la surface externe du cristal. On les désigne par l'expression : pièges de surface.

1-3 - Les pièges de surface

Ils existent sous forme de couches de sorption . L'interprétation do l'émission exoél^c- tronique à partir de ces pièges est très compliquée en raison des divers états physico-chimi- ques qui régnent à la surface du cristal. Ces phénomènes ont été étudiés par NINK et HOLZAPFEL fiiQ'&J sur l'oxyde de zinc.

Récemment KRYLOVA [Kr-Zj a publié des études réalisées sur différents matériaux.

La figure 1-1 représente l'image symbolique d'un réseau ionique, constitué par des pièges de surface ei de« pièges en volume. Nous définirons ces derniers ultérieurement.

Les pièges de surface dont nous venons d'évoquer l'existence sont très instables, et il faudra les éliminer dans toute application de l'émission exoélectronique à la dosimetric. C'est pourquoi danB les paragraphes qui suivent, nous ne traiterons que les effets en volume , notam- ment ceux qui se produisent au voisinage de la surface.

1-4 - Les pièg«B en volume

Les défauts que l'on rencontre le plus souvent sont les centres F . Ils ont été étudiés par GORDON, SCHARMANN fCo-ïJ et HOLZAPFEL fHo-9j sur le fluorure de lithium ainsi que par NINK /"Ni-1_/ sur le chlorure de cesium. Ce sont doB piégea à électrons. lin ont une distri- bution statistique dans l'espace et produisent des effets dits "en volume". Seuls ceux qui sont situés au voisinage de la surface du cristal présentent un intérêt pour l'émission exo électronique.

Au cours de traitements thermiques à température élevée, tous les pièges, y compris les pièges à trous (centres luminogènes) qui pourraient également exister, sont complètem^-.t vidés de leurs électrons et de leurs trous. Le cristal revient ainsi à Un équilibre thermique.

1-5 - Excitation ; localisation des électrons dans les pièges

Le résultat d'une excitation qui provoque le transfert d'électrons de la bande de valence à la bande de conduction est la création de paires "electron -trou".

Les électrons et les trous fle déplacent dans leur bande respective jusqu'à ce qu'ils soient capturés par les centres F et les centres luminogènes (paragraphe I-l). par ailleurs, KRAMER / Kr-9 / a montré que les pièges à électron» peuvent également capturer dea électrons secon-

* Le terme sorption désigne l'ensemble des deux phénomènes absorption et adsorption. L'absorp- tion est une incorporation de molécules au sein d'une substance solide ou liquide avec formation d'une solution ou d'une combinaison. L¹ ad sorption consiste en une fixation.de molécules à la sur- face d'un solide.

CENTRE F

volume

contamination de ta surface

VIDE

surface

Figure I-l : Représentation dea pièges de surface et des piégea de volume (d'après Ho-3)

daires venant de l'extérieur du cristal. Ceci implique que le nombre total d'électrons ainBi piégés est supérieur au nombre de trous crées. C'est une condition importante pour que l'émission exo- électronique ait lieu. La Figure suivante 1-2 schématise ces différents processus.

'///,//////J?//ss

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- u b a n d e de conduction.

!— p i è g e s à é l e c t r o n s .

p i è g e s a t r o u s , ( c e n t r e s luminogènes)

X A f f i n i t é électronique.

E^t : E n e r g i e d e a c t i v a t i o n d e s é l e c t r o n s . Et E n e r g i e d ' a c t i v â t i o n d e s t r o u s . F i g u r e 1-2 : E x c i t a t i o n : l o c a l i s a t i o n des é l e c t r o n s

1-6 - Stimulation. Effets de la migration des électrons hors deB pièges

Pour libérer les électrons des pièges il est nécessaire de leur fournir une énergie suffi-

Cette énergie appelée énergie de stimulation peut être fournie de deux façons : 1 - en chauffant le cristal : c'est la thermostimulation ;

2 - en l'écla'rant à l'aide de photons d'énergie convenable : c'est la photoetimulation, Au cours d'une stimulation plusieurs phénomènes physiques peuvent intervenir pendant la libération des électrons piégés. Ces phénomènes sont associés aux caractéristiques des transi- tions électroniques qui sont toutes issues de la bande de conduction. Celles-ci sont représentées dans la Fig. 1-3.

La thermostimulation peut faire apparaître les phénomènes suivants : 1-6-1 - Conductibilité

Lorsque leB intervalles de bandes sont très grands (ce qui est en général la règle pour les cristaux ioniques) la bande de conduction est pratiquement vide d'électrons. Immédiate- ment après la. libération des électrons hors des pièges on remarque un accroissement de la con- ductibilité qui est proportionnel à la densité deB électrons situés dans la bande de conduction.

- 9 -

Emission exoeleclronique

3JZZ '///&&?\WS*//////À

- c e n t r e s luminogène s.

Figure 1-3 : Stimulation : effets de la migration des électrons hor<* des pièges 1-6-2 - "Repiégeage"

Les électrons en mouvement dans la bande de conduction peuvent être capturés à no", "/eau par lea pièges vidés précédemment.

1-6-3 - Luminescence

Les électrons de la bande de conduction qui ne sont ias "repiégés", peuvent Be recombiner avec dea trous localieéa dans les centres ltiminogènes. La stimulation crée une émis- sion de photona : c'est la luminescence.

I-'î-'i - Emission exoélectronique

Les électrons qui ne sont ni repiégéa ni recombinés et qui se trouvent localisés dans des piégea situés près de la surface peuvent la quitter selon différents proceaaua que noua décrivons plus loin : c'est l'émission exoélectronique.

1-7 - Cinétique des phénomènes

Les interactions entre les électrons localisés dana les différents niveaux énergétiques sont généralement exprimées par les équations mathématique a de la cinétique des phénomènes décrits

le terme piégeage eat utilisé par Daniel CURIE [~C\x-Zj dana son ouvrage intitulé "Lumines- cence cristalline"

p r é c é d e m m e n t . C ' e s t a i n s i que différents m o d è l e s de t h é o r i e ont é t é m i s au point p a r de nombreux a u t e j r s . L e s plus r é c e n t e s t h é o r i e s publiées sont dues à KELLY, LAUBITZ, BRAUNLICH LrKe-\J {KV,-Z], H O L Z A P F E L / H O - Z , H O - 3 , H o - 6 ] e t WOLBER / W o - 1 J .

I_7_l - T r a n s i t i o n s é l e c t r o n i q u e s : g é n é r a l i t é s

Les c o n c e n t r a t i o n s d e s é l e c t r o n s dans l e s différents niveaux à un i n s t a n t donné t sont r e l i s e s p a r l'équation :

n + n + n + n = n = l (1) p c r ex o

dans laquelle

n e s t ]a c o n c e n t r a t i o n des é l e c t r o n s dans l e s pièges

n e s t la c o n c e n t r a t i o n des é l e c t r o n s dans la bande de conduction P c

n e s t la c o n c e n t r a t i o n des é l e c t r o n s r e c o m b i n é s avec l e s c e n t r e s l u m i n o g e n e s r

* n e s t la c o n c e n t r a t i o n " v i r t u e l l e " d e s e x o é l e c t r o n s qui Bont r e p r o j e t é s à l ' i n t é r i e u r du ex

c r i s t a l

n e s t la c o n c e n t r a t i o n i n i t i a l e d e s é l e c t r o n s dans l e s pièges à l ' i n s t a n t t = o (avant la stimJ3*--~"ï. Elle e s t n o r m a l i s é e à l'unité n = 1 .

o

Ces c o n c e n t r a t i o n s sont l i é e s aux f r é q u e n c e s d e s t r a n s i t i o n s é l e c t r o n i q u e s e n t r e l e s diffé- r e n t s niveaux p a r l e s fonctions, S, R. , R , R , fHo-Zj. C e s f r é q u e n c e s de t r a n s i t i o n s sont r é g i e s p a r l'équation s u i v a n t e :

dn dn dn dn

que l'on é c r i t pluB s i m p l e m e n t

(3) L a F i g u r e 1-4 s c h é m a t i s e l e r ô l e d e s t e r m e s définis c i - d e s s u s . L e s t e r m e s de l'équation (3) e t de la F i g u r e 1-4 s ' e x p l i c i t e d e l a façon s u i v a n t e :

n1 ( î ) = S . n (stimulation) (4)

p p

n1 ( j ) = Ri~nQ ( r e p i é g e a g e ) (5)

(6) (7)

Le t e r m e n e s t une entité m a t h é m a t i q u e i n t r o d u i t e p a r H O L Z A P F E L / H o - 2 , H o - 3 / .

k<

"r/<y////////Â

2E_k_t.

céL///,c///.J././.j. bande de c o n d u c t i o n .

p i c g e s

hv

c e n t r e s l u m i n o g t n e s .

Figure 1-4 : Transitions électroniques

avec la relation n' (T) + n' (!) = n' (8) P P P

si l'un des trois processus (5) (6) (7) qui participent à la capture des électrons de la bande de conduction est suffisamment important on peut écrire la relation suivante :

;« " P < Î > ⁽⁹⁾

L,es variations de la concentration des électrons de conduction deviennent négligeables devant la stimulation des électrons issus des pièges. Le système d'équations (4) (5) (6) (7) se réduit à : fHo-Z, Vfo-lJ

S n

'{*?)

(10)

si l'émission exoélectronique est prédominante vis à vis des processus de repiégeage et de

luminescence, ce qui s'exprime par : R ^> R- + R. (11) l'équation (10) devient : n' = S n

et l'équation (l) est réduite à : n nous obtenons la relation :

(12) (13)

= S (n - n ) (14)

- 12 - [-7-2 - Stimulation thermique

Pour appliquer ces résultats à la thermostimulation on utilise la statistique de MAXWELL - BOLTZMANN dans laquelle la fonction S s'exprime pai :

(15)

P. : est le facteur de fréquence. Il représente l'interaction qui existe entre les électrons piégés et les phonons produits par les atomes environnants. C'est un oscillateur quanti- fié. P. peut atteindre au maximjm la fréquence de DEBYE (=: 10 Ha).

des électrons des pièges.

L'équation (14) peut donc s'écrire dn

\ KT /

n* = — j f ^ * P ( n - n ) exp\—£-l (16) ex dt n a%r * *^T '

Deux cas peuvent se présenter :

i - La température de stimulation est constante. On obtient la décroissance isotherm'.qus représentée sur la Figure 1-5 ;

2 - La température de stimulation varie linéairement en fonction du temps, avec une vitei dT

La Figure 1-6 (a) représente la croissance de la concentration des exoélectrons en fonc- tion de la température, le maximum atteint est n . La Figure 1-6 (b) représente la variation de la fréquence de transition j>e 3 C- des exoélectrons en fonction de la température. Cette fonction est la représentation expérimentale plus connue sous la dénomination de courbe de thermostimu- lation (Glow-curve). L'expression mathématique de cette courbe est donnée par l'équation cinéti- que du premier ordre reportée ci-dessous et établie par RANDAL - WILKINS /"R.a-1_/.

d ne x ⁼J L (n - o ) e x p f E ^ / K T ) (17)

dt q

HOLZAPFEL et KRYSTEK fHa-lQj viennent de vérifier expérimentalement cette équation, dans son application à l'émission exoélectronique et à la luminescence des sulfates de barium et de strontium activés à l'europium. L'examen des courbes de la Figure 1-6 nous permet de faire la remarque suivante : les pièges à électrons sont totalement vidés si la température atteint une valeur suffisante.

o n . , dl

TEMPS

Figure 1-5 : Emission électronique stimulée» courbe de décroissance fonction du temps

»

dn.

dt

Température

Figure 1-6 : Stimulation thermique

a) variation de la concentration des exoélectrons en fonction de T b) variation de -JT en fonction de T p u r une vitesse de chauffe

dT te

d n^e dt

S l i m u l a t i o n optique E f f e t s é l e r t i f "

Energie des photons hv

Figure 1-7 : Stimulation optique "effet sélectif"

- 16 -

Slimulatlon optique

" E f f e t non sélectif'

H«. Energie des ph. .ons.

Figure 1-8 : Stimulation optique "effet non sélectif"

I

- 17 -

1-7-3 - Stimulation optique

Au cours de la photo stimulation les pièges sont vidés par lea photons constituant la lumière excitatrice. Dans ce cas la fonction S devient très complexe £KQ-ZJ. Elle depenc de nombreux paramètres tels que par exemple : 1«J propriétés optiques du cristal et de ses défauts, la longueur d'onde de la lumière excitatrice. Le paramètre le plus important est l'énergie d'acti- v at ion optique Eopt . L'équation (14) établie au paragraphe 1-7-1 appliquée à la photo stimulation prend la forme suivante :

n1 - S (hv ) (n - n ) (18)

ex o o ex

ou hv est l'énergie des photons incidents. Cette fonction est représentée par une courbe de décroissance analogue à celle représentée sur la Figure 1-5. Lorsque l'on étudie la variation de la fréquence de transition n' photostimulée en fonction de hv on constate deux effets :

ï - une émission exoélectronique photostîmulée (EEPS) "sélective". Cela veut dire que la caractéristique n* = f (hir) a sensiblement la même allure que la courbe d'absorption optique correspondante Cet effet a été décrit par BOHUN /"Bo-5_/ et étudié par NINK et HOLZAPFEL /"Ni-1 j Bur le chlorure de cesium. La Figure 1-7 représente la courbe n' = f(hv) pour l'effet sélectif,

2 - un effet EEPS non sélectif . Dans ce cas l'intensité de l'EEPS croît avec l'augmenta- tion de l'énergie des photons incidents. Cet effet eat analogue à l'émission photoélectronique externe. La Figure 1-8 représente la courbe n' = f (hv) pour l'effet non sélectif. HOLZAPFEL et NINK /"Ho-4 J l'ont aussi étudié pour le chlorure de césium, les sulfates de strontium, de calcium et l'oxyde de beryllium. Contrairement à ce qui se produit avec la thermostimulation, les pièges ne sont que partiellement vidés au cours de la stimulation optique. Ceci permet de mesurer constamment la caractéristique n' = f (hv), Seule l'intensité de l'émission décroît.

ex

n - DESCRIPTION DES DIFFERENTS MODELES DE L'EMISSION EXOELECTRONIQUE II-l - Introduction

Nous avons décrit dans le chapitre précédent les différentes transitions électroniques qui interviennent dans le solide. Nous allons maintenant introduire la notion de courant exoélectro- nique émis à l'extérieur du solide. Nous définissons tout d'abord J comme étant la densité du courant exoélectronique émis par unité de surface. Elle est proportionnelle à la fréquence de la transition exoélectronique virtuelle n1 qui est elle-même définie par unité de volume.

Considérons un volume situé au voisinage immédiat • > la surface d'un solide d'épaisseur

<£ La densité du courant exoélectronique J est reliée à la fréquence de transition n1 par

l'expression : J = & n' (1)

& eBt l'épaisseur de la couche sensible exoémissive. Du fait de la très faible énergie des exo électrons (de l'ordre de l'électron-volt), les limites de «5 sont comprises entre 10 et 100 A

Ceci e s t r e p r é s e n t é par la "boite i s o l é e " s u g g é r é e p a r H O L Z A P F E L / H o - 3 ^7 et s c h é m a t i - s é e par la F i g u r e I I - l .

Exocmission.

Couche exo emissive.

F i g u r e I I - l : R e p r é s e n t a t i o n de la "boite i s o l é e " ( d ' a p r è s Ho-3)

Noua allons d é c r i r e s u c c e s s i v e m e n t l e s différents modèle» p r o p o s é s pour expliquer l ' é m i s - sion e x o é l e c t r o n i q u e .

Ï I - 2 - Modèle de l ' e x o é m i s s i o n t h e r m o - i o n i q u e

Dans ce m o d è l e , Beule l ' é n e r g i e t h e r m i q u e qui r è g n e dans le solide p e r m e t la s o r t i e d e s e x o é l e c t r o n s à 1' e x t é r i e u r du c r i s t a l . C e t t e é m i s s i o n e s t s i m i l a i r e à c e l l e é t a b l i e p a r RICHARD- SON- Ce modèle a été p r o p o s é p a r BOHUN /~Bo-4_7- L ' e x o é m i s s i o n dépend a l o r s e s s e n t i e l l e m e n t de l'affinité é l e c t r o n i q u e X de la s u r f a c e du c r i s t a l . P o u r q u ' e l l e se p r o d u i s e , il e s t n é c e s s a i r e que X s o i t faible. C e t t e condition e s t g é n é r a l e m e n t s a t i s f a i t e dans la p l u p a r t d e s m a t é r i a u x e x o - é m e t t e u r s .

II-3 - Modèle de l ' a c c é l é r a t i o n des exoélect* "•• -.- p a r un c h a m p é l e c t r i q u e i n t e r n e L e modèle p r é c é d e n t i m p l i q u e que l e s e x o é l e c t r o n s ont une é n e r g i e t h e r m i q u e de l ' o r d r e de K T . Cependant G L A E F E K E et s e s c o l l a b o r a t e u r s / ~ D r - l _ / ont o b s e r v é d e s é n e r g i e s c i n é t i q u e s s u p é r i e u r e s . P o u r e x p l i q u e r l e u r s c o n s t a t a t i o n s , i l s ont s u p p o s é q u ' i l pouvait e x i s t e r un c h a m p é l e c t r i q u e i n t e r n e qui p r o d u i r a i t une a c c é l é r a t i o n d e s e x o é l e c t r o n s avant l e u r é m i s s i o n à l ' e x t é - r i e u r du s o l i d e .

- 19

11-4 - Modèle de l'exoémission Auger

Jusqu'ici nous n'avons étudié que la stimulation des électrona piégés. Il peut également se presenter le cas où des trous piégés sont stimulés, les électrons restant alors localisés dans leurs pièges. Généralement l'énergie d'activation de l'électron piégé E est inférieure à l'éner- gie d'acCivation du trou piégé E . Si dans Le cas contraire E < E , au cours de la stimulation le trou sort de son centre luminogone pour aller dans la bande de valence où il reste en mouve- ment jusqu'à ce qu'il se recombine _-«*»• un électron piégé. Si l'énergie de recombinaison est transférée à un électron situé dans un pieQ voisin, celui la peut être libéré avec une énergie suf- fisante à l'extérieur du cristal. C'est l'émission Auger,

Proposé par TOLPYGO fTo-lJ ce modèle a été récemment vérifié expérimenta] îment par BICHEVIN et KAAMBRE /"Bi-1 ]. On ne peut toutefois le rencontrer qu'assez rarement dans la pratique en raison des conditiona qui doivent être remplies, telles que par exemple : l'existence de pièges à électrons ayant de grandes concentrations. Ce modèle est schématisé sur la Figure II-2.

k/////////////.-s/, //À

/////.

- c e n t r e s l u m i n o g è n e s.

- b o n d e d e v a l e n c e .

'///// //

Figure II-2 : Modèle de l'exoémission Auger

DEUXIEME PARTIE

in - ETUDE DE L'APPAREILLAGE DE DETECTION DES EXOELECTRONS III-1 - Introduction

La détection des exoélectrons par des moyens conventionnels tels que les compteurs à fenêtre est impossible en raison des faible» énergies mises enjeu, (le plus souvent inférieures à l'électron-volt). Les deux types de détecteurs le plus fréquement utilisés sont : les multiplica- teurs d'électrons, les compteurs sans fenêtre, ceux ci fonctionnant en régime de Geiger-MtXller ou en régime proportionnel. Le multiplicateur d'électrons est un excellent détecteur, mais il présente l'inconvénient de nécessiter un vide élevé. Il est généralement utilisé pour les études à caractère fondamental (pour la détermination de la distribution énergétique des exoélectrons).

Pour les travaux courants, on lui préfère le compteur GM ou proportionnel à circulation gazeuse d'emploi plus commode.

De nombreuses publications décrivent de tels compteurs /~Fi-l, Ec-1, Kr-8, Ho-1, Be-2, St-1 J. Les uns ont des caractéristiques de comptage médiocres, les autres ne peuvent fonction- ner à des températures supérieures à 400-500'C. Cela nous a conduit à étudier et à mettra au point le compteur que nous décrivons ci-dessous.

III-2 - Le compteur

C'est un compteur "à pointe" que KRAMER a utilisé au cours des quelque trente années durant lesquelles il a travaillé sur l'émission exoélectronique. D'autres auteurs ont également utilisé ce dispositif avec succès (HOLZAPFEL, FINTELMAN, STEPNIOWSKI). A la suite d'ex- périences infructueuses faites avec des appareils plus classiques nous avons adopté ce type de détecteur. La Figure III-1 montre une vue schématique de l'ensemble que nous avons conçu pour fonctionner à volonté en thermostimulation ou en photostimulation.

L'anode est composée d'un conducteur horizontal au milieu duquel est fixé perpendicu- lairement le fil qui constitue "la pointe". Au cours de la photostimulr.tion, ce montage a l'avan- tage de ne créer qu'une zone d'ombre minimale sur l'échantillon à mesurer.

Figure HI-L : Appareillage de détection des exoélectxons

Le schéma synoptique de 1'- lectronique associée à ce compteur est représenté sur la Figure III-2. Il comprend :

- un préamplificateur - un amplificateur linéaire

• un discriminateur d'amplitude

- un ictomètre

- une échelle de comptas^

- un chronomètre électronique.

T///A l///t

/Tk

CH TC

Programme de montée en température.

1 Ë 3 pré-ampli. I Amplicateur loi scrim irtaieur [ictomètre p

X Y Enregistreur XY.

Figure ni-2 : Schéma synoptique de l'électronique associée

- 23 -

m-2-1 - Caractéristiques du compteur

La plupart 'ies modèles de compteurs décrits dans les publications spécialisées ou rencontrés dans les différents laboratoires que nout avons visités présentent des défauts qui sont très probablement à l'origine des difficultés expérimentales rencontrées. Dane la majorité des cas, le palier de la caractéristique du taux de comptage en fonction de la tension de fonctionne- ment N = f (U) est médiocre, voire même inexistant pour certains types. Par ai'ieura au cours de leur fonctionnement en thermostimulation à des températures proches de 400 °C, ces compteurs présentent un bruit de fond thermo-ionique très élevé qui rend impossible l'étude des matériaux exoémetteurs dotés de pièges profonds,

Afin de limiter les problèmes de détection nous avons décide" H« consacrer une grande partie de notre activité à la miee au po;.nt d'un compteur qui présente les meilic.r -s caractéris- tiques possibles. Les résultats de nos essais dé rits ci-dessous mettent en évidence les qualités de ce compteur :

a) palier de compteur

Nous avons étudié différents gaz de circulation : i - le mélange argon-méthane 90 % A. + 10 % CH 2 - le gaz naturel (gaz de LaccJ

3 - le méthane de grande pureté 99.9 /i

4 - le méthane industriel (97,8 '/ CH 4 N + ppm H O )

La caractéristique N = f (U) décrite ci-dessus, obtenue avec le premier mélange (A + CH ), présente un palier très court, de l'ordre de L00 à 150 Volts pour une tension de fonctionnement égale à 2 000 V. Le régime de décharge est atteint très rapidement.

Les mesures effectuées avec le gaz naturel n'ont tait apparaître aucun palier. Nous n'avons observé qu'une caractéristique N = f (U) "croissant». ". Les caraci Sristiques obtenues avec les deux sortes de méthane ont été très satisfaisantes. Nous les présentons dans le para- graphe suivant.

Il faut remarquer en outre que la pureté du gaz n'a joué aucun rôle sur les caractéris- tiques N = f (U). Ceci noue a fait choisir le méthane industriel qui est peu coûteux. Au cours de ces expériences nous avons également étudié l'influence du débit du gaz sur la stabilité du taux de comptage. Celle-ci est atteinte pour un débit moyen de 0, 5 l.mn" .

b) bruit de fond thermo-ionique

A la température ambiante, dans les conditions de fonctionnement décrites au paragraphe II-2, le bruit de fond est inférieur à 3 impulsions par minute. Afin d'obtenir un bruit de fond thermo-ionique minimum, nous avons particulièrement étudié la qualité et la forme des isolants ainsi que l'état de surface des parois constituant la cathode. Nos résultats montrent que ce bruit de fond n'apparaît qu'au dessus de 650"C bien que 1« compteur ne soit pas refroidi.

- 24 -

III-3 - C a r a c t é r i s t i q u e s é l e c t r o n i q u e s du c o m p t e u r

A) - Nous avons étudié l e s c a r a c t é r i s t i q u e s s u i v a n t e s avec une s o u r c e de c a r b o n e - 1 4 (Eg = 158 keV)

a) c o u r b e N = f (U) à gain G c o n s t a n t

b) c o u r b e N - f (G), v a r i a t i o n du taux de c o m p t a g e N en fonction du gain de l ' a m p l i f i c a - t e u r G , à tension U constante

c) c o u r b e N = f (Au) v a r i a t i o n eaux de comptage en fonction du s e u i i du d i s c r i m i n a t e u r , à gain G e t tension U c o n s t a t e .

La F i g u r e III-3 p r é s e n t e l e t t r o i s c a r a c t é r i s t i q u e s a i n s i obtenues :

1 - s u r la courbe ( i ) OD o b s e r v e un p a l i e r t r è s m a r q u é e n t r e 3 600 et 4 000 V o l t s . 2 - la courbe (b) -nontr-ï qu'à p a r t i r de 1 0 d B u n e fluctuation du gain de 1 00 % n ' a pas d'influence s u r le taux de c o m p t a g e ,

3 - la c o u r b e (c) p e r m e t d e c h o i s i r la v a l e u r du s e u i l d e d i s c r i m i n a t i o n d a n s une zone qui n'affecte pas le eaux de c o m p t a g e .

Ces t r o i s c a r a c t é r i s t i q u e s m o n t r e n t que le c o m p t e u r fonctionne dans d ' e x c e l l e n t e s c o n d i - t i o n s .

B) - Il nous a p a r u i n d i s p e n s a b l e d ' é t u d i e r la c a r a c t é r i s t i q u e N = f (U) ( F i g u r e III-3 a) avec des e x o é l e c t r o n s . Nous avons u t i l i s é l ' é m i s s i o n e x o é l e c t r o n i q u e t h e r m o a t i m u l é e (EETS) d ' u n e p a s t i l l e d'oxyde de b é r y l l i u m que nous devons à l ' o b l i g e a n c e de GAMMAGE / " G a - 1 J d ' O R N L . La F i g u r e III-4 m o n t r e la c o u r b e E E T S obtenue . P o u r l a d é t e r m i n a t i o n de N = f (U), nous avons s y s t é m a t i q u e m e n t i n t é g r é l e taux de c o m p t a g e e n t r e la t e m p é r a t u r e a m b i a n t e et 4 5 ûsC . L e s r é s u l t a t s obtenus sont p o r t é s s u r la F i g u r e m - 3 a - c o u r b e I I ; on r e m a r q u e que cette c a r a c t é r i s - tique p r é s e n t e un p a l i e r plus c o u r t que c e l l e d é t e r m i n é e avec l a s o u r c e de c a r b o n e - K . Ceci m o n t r e ia qualité de n o t r e e n s e m b l e de m e s u r e qui nous p e r m e t d ' o p t i m a l i s e r le. p a r a m è t r e s d e fonctionnement du c o m p t e u r , et d'effectuer a i n s i l e s m e s u r e s dans de bonnes conditions de s t a b i l i t é et de r e p r o d u c t i b i l i t é . A p r e s a v o i r c h o i s i l e s p a r a m è t r e s de fonctionnement, nous avons effectué des s é r i e s de m e s u r e avec la s o u r c e de c a r b o n e - 1 4 . L ' é c a r t type obtenu eat de 0, 3 % . L e s e r r e u r s d é t e r m i n é e s au c o u r s des l e c t u r e s en e x o é m i s s i o u sont d i s c u t é e s au c h a p i t r e des r é s u l t a t s e x p é r i m e n t a u x ,

IV - DESCRIPTION DE L ' A P P A R E I L L A G E DE L E C T U R E rV-1 Introduction

L ' e n s e m b l e de l e c t u r e e s t c o n s t i t u é du c o m p t e u r d é c r i t p r é c é d e m m e n t , d'un dispositif de chauffage à p r o g r a m m e de m o n t é e l i n é a i r e en t e m p é r a t u r e , à v i t e s s e de chauffe v a r i a b l e e t d'un d i s p o s i t i f optique d e s t i n é à la p h o t o s t i m u l a t i o n . L e s r é s u l t a t s e x p é r i m e n t a u x ( c o u r b e s de t h e r m o ou de photostimulation} sont e n r e g i s t r é s à l ' a i d e d'un t r a c e u r de c o u r b e en c o o r d o n n é e s (X, Y).

Hj'¹ Courbe I . N=((UI Gain = U dB = cste.

/

Source

/

CourbeH. N = t(U)

de ^UC .

/ /

b avec les exoélectrons du BeO. /

/ _ / ^ ~ ~

/ / / /

^

1. @

5 •

3,2 3.4 3.6 3,8 V * / U kVolts

O

C a r j c t é r i s t ique : N = f(G).

U : 3900 Volts = cste

0 2 « 6 8 10

5 ••

20

C a r a c t é r i s t i q u e : N=f(Au) U = 3900 V. G s U d B .

Gain dB

0,5 1 1,5

-CARACTERISTIQUES du COMPTEUR-

P i g u r e IH-3 : Caractéristiques électronique» du compteur

Au volts

26 -

C o u r b e de ThermoshmulaHon

'asttllc de BtO (CRNL) Dos* 80 mradi f^{8 0}î . r ) N(450 "CI =126 000 l.n pulsions.

de fond =18D;mti/450 "C

Figure III-4 : Courbe de thermostimulation d'une pastille de Be O

- 27 -

IV-2 - La thermostimulation : dispositif expérimental IV-2-1 - Le four

Il eut inspiré du modèle décrit par HOLZAPFEL fHo-lJ Figure IV-1. L'élément chauffant permet d'atteindre des températures de l'ordre de 800°C pour une puissance dieaipée de 80 watts. Il est équipé d'un thermocouple en chromel-alumel monté directement sous le porte

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Figure IV-1 : Schéma détaillé du four

échantillon. Afin d'aeeurer une parfaite conductibilité dans le compteur le porte échantillon est constitué d'une coupelle en graphite de pureté nucléaire fixée sur le corps du four à l'aide d'un capuchon visse. Le contact thermique ainsi réalisé, permet d'obtenir des cycles de chauffage très reproductibles.

IV-2-2 - Le dispositif de chauffage programmé

La détection des exoélectrons par thermostimulation nécessite l'emploi d'un dispo- sitif de montée linéaire de la température en fonction du temps, dont la vitesse de chauffe q = dT/dt peut être choisie à l'intérieur de certaines limites. Un tel dispositif est nécessaire pour déterminer lea énergies d'activation thermique par la méthode de RANDALL - WILKINS /"Ra-1 ]. Le système doit exécuter dea cycles de chauffage reproductibles, condition essentielle pour que les pics de thermostimulation émis à une température définie, Tmax, restent localisés à cette valeur⁽ quel que soit le nombre dea mesures effectuées. En outre, il doit être en mesure de compenser l'inertie thermique du four.

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Jusqu'ici nous avons utilisé une solution simple et très pratique qui nous a rendu de grands services. Elle consiste à piloter une alimentation stabilisée à courant continu (40V - 10A) au moyen d'un potentiomètre type Helipot 10 tours à déroulement automatique programmé en fonc- tion du temps. Le cycle de rotation complet se fait en 15 minutes, ce qui nous permet d'obtenir une montée linéaire "simulée" de la température avec une vitesse de chauffe moyenne égale à 0,9°C.s~ . Ce dispositif à l'avantage d'être parfaitement stable et fiable. L'utilisation est limitée à une seule valeur de la vitesse de chauife.

R. PRIGENT et J. BOUET ont réalisé un appareil compact dont les caractéristiques sont décrites ci-dessous :

- la montée en température est réglable entre la température ambiante et 800"C.

- la vitesse de chauffe est ajustable entre 0 et 5^aC.s~ .

- la température maximale programmée peut Être maintenue "en palier" durant un temps réglable entre 0 et I 000 secondes.

Ce programme fonctionne convenablement , mais l'inconvénient majeur est que le thermo- couple sur lequel est fixé le porte-échantillon doit être isolé de la maflBe électrique. Ceci inter- dit l'utilisation des coupelles en graphite mentionnées paragraphe III-2-1. P. SAJAROFF étudie actuellement, suus la direction de R. PRIGENT, un nouvel appareil qui permettra l'emploi de ces supports.

1V-2-3 - Préparation deB échantillons

Selon les observations de KRAMER £KT-IJ concernant la proportionnalité de la réponse à la dose, l'étude des produits minéraux cristallisés est grandement facilitée si l'on uti- lise des poudres fines mélangées à du graphite pulvérisé. Le mélange est mis en suspension dans un solvant (acetone) puis est agité pendant une heure. Le mélange ainsi homogénéisé est déposé par pipetage sur le support de graphite. Apres l'évaporation du solvant, il reste une couche fine et conductrice du matériau graphité. Cette technologie nous a permis d'effectuer des mesures dans des conditions satisfaisantes. Nous les présentons pluB loin.

IV-3 - La photo stimulation : dispositif expérimental

Ce dispositif est représenté sur la partie supérieure de la Figure III-l. LeB différents composants utilisés pour ce mode de stimulation sont :

- la source de lumière - le tiroir porte-filtre - le diaphragme à iris - l'obturateur.

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chauffage lincai'e.

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Figure IV-2 : Schéma de l'installation utilisée pour le tracé de la courbe J = f{A )

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I V - 3 - 1 - L a s o u r c e de l u m i è r e

NOUB utilisons une l a m p e à iode à enveloppe de q u a r t z OSRAM type 6438. Sa p u i s - sance d i s s i p é e e s t égale à 200 w a t t s . L a t e m p é r a t u r e de la l u m i è r e é m i s e e s t de 3 5 0 0oK . Elle est a l i m e n t é e par un g é n é r a t e u r de tension continue s t a b i l i s é en tension et en c o u r a n t . Dans n o t r e dispositif e x p é r i m e n t a l , la l a m p e e s t placée dans un c y l i n d r e à p a r o i double dans laquelle on é t a - blit une c i r c u l a t i o n d ' e a u . Cette p r é c a u t i o n e s t suffisante pour é v i t e r l e s échauffements p a r a s i t e s .

I V - 3 - 2 - Le m o n o c h r o m a t e u r , l e s filtres a) Le m o n o c h r o m a t e u r

P o u r la d é t e r m i n a t i o n fine et c o m p l e t e du t r a c é de la c o u r b e I = f(A), (J eat défini au p a r a g r a p h e II). il faut d i s p o s e r d'un m o n o c h r o m a t e u r c o m m e R. NINK et G. H O L 2 A P F E L au P T B de B e r l i n . La F i g u r e IV-2 r e p r é s e n t e c e t t e i n s t a l l a t i o n , elle e s t c o m p o s é e :

- d'un m o n o c h r o m a t e u r double,

- d'une lampe e x c i t a t r i c e s o u s h a u t e p r e s s i o n de Xénon, de 2 500 w a t t s ,

Nous avons u t i l i s é c e diBpoBitif e x p é r i m e n t a l pour d é t e r m i n e r le s p e c t r e d'émiBsion e x o - é l e c t r o n i q u e de l ' a l u m i n e à l a q u e l l e sont c o n s a c r é s l e s c h a p i t r e s V et VI, L a c a r a c t é r i s t i q u e J = f(X) a i n s i obtenue p e r m e t de c a l c u l e r leB é n e r g i e s d ' a c t i v a t i o n optique d e s niveaux p i è g e s .

b) L e s f l o r e s

Il existe deux s o r t e s de f i l t r e s : 1) les f i l t r e s i n t e r f é r e n t i e l s - 2) l e s f i l t r e s c o l o r é s . L e s p r e m i e r s p e r m e t t e n t une d é t e r m i n a t i o n g r o s s i è r e de la c o u r b e J = f( A). Ils ont en effet une r é s o l u t i o n bien i n f é r i e u r e au m o n o c h r o m a t e u r ; l e u r t r a n s m i s s i o n m o y e n n e de 50 % exige l ' e m p l o i d'une s o u r c e de l u m i è r e i n t e n s e , enfin i l s ne p e r m e t t e n t qu'un j a l o n n e m e n t discontinu de la c o u r b e . P o u r d e s r a i s o n s p r a t i q u e s , nous avons p r é f é r é les f i l t r e s c o l o r é s qui p r é s e n t e n t l ' a v a n t a g e d'une m e i l l e u r e t r a n s m i t t a n c e {— 90 %}. Il ne peut ê t r e question de lea e m p l o y e r pour d é t e r m i n e r l a c o u r b e J = f(A). P a r c o n t r e i l s suffisent pour l e s m e s u r e s courantes une fois que le d o m a i n e s p e c t r a l ic plus f a v o r a b l e a été d é t e r m i n é à l ' a i d e du m o n o c h r o m a t e u r . R e m a r q u o n s , q u ' i n d é p e n d a m m e n t de l ' ^ t a b l i s s e m r r-t d e s conditions de s t i m u l a t i o n optique o p t i - males, la filtration de la l u m i è r e e s t n é c e s s a i r e pour c o u p e r l ' u l t r a - v i o l e t lointain {A zi. 250 nm) qui provoque une excitation p a r a s i t e , du m é t h a n e •*' de s e s i m p u r e t é s . C'eBt pourquoi on coupe s y s t é m a t i q u e m e n t la p a r t i e du s p e c t r e i n f é r i e u r e à 300 n m .

En conclusion, il faut ajouter que la p h o t o s t i m u l a t i o n e s t m i e u x a d a p t é e pour l ' é t u d e d e s m a t é r i a u x e x o é m e t t e u r s s e n s i b l e s aux chocs t h e r m i q u e s . C ' e s t la seule m é t h o d e qui p u i s s e ê t r e m i s e en o e u v r e pour l e s p r o d u i t s o r g a n i q u e s . E l l e e s t a c t u e l l e m e n t u t i l i s é e dans n o t r e l a b o r a t o i r e p a r J . E , DAVIES qui effectue des r e c h e r c h e s BUT leB m a t é r i a u x d e n t a i r e B ( a p a t i t e s biologiques) au moyen de l ' é m i s a i o n e x o é l e c t r o n i q u e photo s t i m u l é e ( E E P S ) .

J , E . DAVIES - London Hoapital Medical C o l l e g e , B o u r s i e r de la Royal S o c i e t y .

TROISIEME PARTIE

RESULTATS EXPERIMENTAUX

V - ETUDE DE LA CORRELATION ENTRE LA RADIOTHERMOLUM1NESCENCE (RTL) et L'EMISSION EXOELECTRONIQUE THERM OSTIMU LEE (EETS)

V-l - Introduction

Lee phénomènes fondamentaux décrits au chapitre I prouvent qu'il existe une corrélation théorique entre la RTL et l'EETS. C'est en 1902, que pour la première fois, MacLENNAN /"Me Le-1_7 prouva expérimentalement l'existence de cette corrélation pour le sulfate de calcium activé au manganèse. Compte tenu de nos connaissances actuelles des phénomènes, on a pu inter- préter efficacement ses résultats.

Depuis, les recherches se sont orientées sur les aspects fondamentaux de la question.

BOHUN /"BO-1 ] a étudié le fluorure de calcium et le fluorure de sodium, LEPPER /~Lep-l ] le sulfate de calcium activé au manganèse. Leurs résultats laissent supposer que '.a. corrélation peut exister mais rien n'est absolument démontré.

En 1971, ATTIX et ses collaborateurs /~Nas-l_7 concluent à l'issue d'une étude sur un fluorure de lithium de qualité dosimétrique,qu'il n'existe aucune corrélation entre les picB émis en EETS et en RTL. Les résultats de ces différents travaux nous ont paru incohérents. De plus l'examen critique des conditions dans lesquelles ils ont été obtenus nous a incités à penser que les moyens expérimentaux mis en oeuvre étaient insuffisants. C'est pour ces raisons et compte tenu des moyens dont nous pouvions disposer, avec lfi PTB de Berlin, que nous avons décidé avec HOLZAPFEL / " P e - l ^ / d e réaliser une comparaison dont les résultats ne puissent plus être remis en cause,

V-2 - Description du dispositif expérimental

La plupart des chercheurs qui ont étudié ce sujet, ont utilisé un compteur GM ou prop*-- - tionnel, au dessus duquel est posé le photomultiplicateur destiné à la mesure de la RTL. Kn général ce dernier est placé directement dans le champ de visior de l'anode du compteur, si bien qu'il enregistre la lumière des décharges électriques produites sur cette dernière. Cet effet para- site est cause d'une erreur systématique importante dans la mesure de l'émission RTL. De pluB, le matériau exoémetteur utiliBé dans ce dispositif ne peut être rendu conducteur qu'à l'aide d'un