Efficacité des compteurs à rayons γ

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Efficacité des compteurs à rayons γ

Gérard-André Renard

To cite this version:

EFFICACITÉ

DES COMPTEURS A _{RAYONS 03B3} Par GÉRARD-ANDRÉ RENARD.

Laboratoire de Chimie nucléaire,

Collège

de France.

Sommaire. 2014 Établissement de la courbe d’efficacité des compteurs à rayons

03B3, à paroi d’Al, Cu, Au,

dans le domaine d’énergie o,3-3 MeV, par la méthode des coïncidences et des mesures absolues annexes. Utilisation des divers rayonnements des nuclides : _52V, 28Al, 198Au , 61Cu, Th C". La connaissance de l’effi-cacité peut donner une _présomption de la validité d’un schéma de désintégration encore imparfai-tement établi.

Introduction. - La méthode des coïncidences

est

_fréquemment

utilisée _pour établir le schéma des niveaux d’un nuclide et la connaissance des effica-cités des

_compteurs

_pour les divers

_rayonnements

permet

de vérifier telle ou telle

_hypothèse

d’un schéma inconnu ou de choisir entre divers schémas

proposés.

Le but de ce travail est la détermination

expérimentale

de la courbe d’efficacité des

_compteurs

à rayons y, en fonction de la nature des

_parois

et de

l’énergie

des _rayons y dans un domaine allant de

o,3

à 3 MeV.

Nous

définirons tout d’abord l’efficacité d’un

compteur

à rayons y. Si un rayon y traverse le

compteur,

nous

_appellerons

efficacité et

_désignerons

par

Sy

la

probabilité

qu’a

ce

_quantum

de donner lieu à une

_décharge.

Soit une source radioactive

émettant N rayons

monochromatiques

par unité de

_temps

et donnant n _{coups par unité} de

_temps

dans le

_compteur

considéré,

nous

_appellerons

rendement et

_désignerons

_par

_o.

le

_rapport

Nous _pouvons relier le rendement à l’eflicacité.

par la formule -.

où m est

_l’angle

solide effectif et k le facteur

d’absorp-tion dans les

_parois

du

_compteur;

ce facteur est de la forme

‘-’ , est le coefficients

_{d’absorption}

_massique

et

_m

l’épais-,

seur _{moyenne traversée} en _{g : cm2.}

Le rendement est obtenu à

_partir

de mesures en coïncidences et les formules

_employées

seront

déve-loppées

dans le cas de

_chaque

_corps; m a été déter-miné à

_partir

du

_rayonnement

du Ra

E,

à l’aide de

compteurs

à _rayons

_p,

en

_extrapolant

les courbes

d’absorption

dans l’Al obtenues avec un

_compteur

à

_paroi

de

i/ioO

mm

_d’Al,

un

_compteur

à fenêtre de 19[1- d’Al et un

_compteur

sans

_paroi

_{( fig. i).}

Fig. i. -

Absorption dans l’aluminium du _rayonnement d’une source de Ra D + Ra E + Ra F en _équilibre;

utili-sation du compteur sans _paroi.

La masse

_{superficielle}

_moyenne traversée m a été déterminée _par le

_rayonnement

de dématériali-sation du nuclide 61Cu et le

_rayonnement

de

2,6

MeV

du Th

C",

en utilisant divers

_compteurs

à _coque

de

_Cu,

_{d’épaisseur}

variant entre 0,1 et 2 mm;

m a été trouvé

_égal

à la masse

_{superficielle}

de la

paroi

du

_compteur.

.Appareillage.

-

Compteurs,

-- Nous

avons

.

utilisé des

_compteurs

_cylindriques

à _coque

_d’Al,

de Cu et d’Au

_{ayant Qo}

mm de

_longueur

de fil et

un diamètre intérieur de ₁₇ mm

(sauf

le

_compteur

à _{coque de} Cu de 2 mm

_{d’épaisseur}

et celui d’or de

o,5

mm

_{d’épaisseur qui}

ont un diamètre intérieur

de 16 mm) ;

ils sont

_rémplis

avec un

_mélange

213

de 10 _pour i oo d’alcool et go _{pour 100}

d’argon,

i

jusqu’à

une

_pression

totale de 1 o cm de

_Hg.

Les 1 coques

sont,

soit en Al :

_épaisseur

o,1 et i mm, 1

soit en Cu :

épaisseur

0,1, 0,2,

o,5,

1,

1,5,

2 _mm,

soit en Au : feuilles

d’Au,

d’épaisseur 5

p, 10 u et

o, 5

mm enroulées dans un

_compteur

d’Al de 0,1 mm

d’épaisseur.

Pour la détermination de

_l’angle

solide

effectif,

par

extrapolation

de la courbe

d’absorption

du Ra

E,

nous avons utilisé un

_compteur

en laiton de mêmes

dimensions

_portant

une fenêtre de 1 _{cm2 fermée par}

une feuille d’Al de 19 p-. Le

_compteur

sans

_paroi,

utilisé pour la même mesure, est un

_compteur

forme

cloche,

non

fermé,

de 20 mm de

_diamètre,

l’extrémité libre du fil est située à 20 mm de la source, l’ensemble est

_placé

dans un dessiccateur

_rempli

du

_mélange

utilisé _pour les

_compteurs

_{précédents.}

Un

_disque

porte-écrans intercepte

le

_rayonnement

émis de la

source vers le

_compteur,

le

_{disque porte}

sur sa

circonférence trois masselottes de fer doux

_qui

permettent

de commander sa _rotation

extérieu-rement par un aimant. Le

_{disque porte}

six écrans

ayant

comme

_{épaisseur respectivement 1 2 1 8 ,}

58,

21, 6

et o _p d’Al

_{( fig.}

_2).

Fig. 2. --

Compteur sans _paroi.

a, compteur; b, disque porte-écrans; c, masselottes de fer

doux; d, robinet permettant le _{pompage et} le _remplissage dp compteur; e, source.

Support

de

_compteurs.

- Les

compteurs peuvent

être fixés en différents

_logements

situés à des

dis-tances fixes de la source,

_permettant

diverses combi-naisons tout en évitant des erreurs de

_repérage

des distances

_3).

Sources. - Les

sources sont soit

_déposées

sur une

feuille d’acétate de cellulose

_{(épaisseur -}

tendue sur un cadre de

_plexiglass,

_soit,

dans le

cas de et

198 Au,

collées directement sur le cadre de

_plexiglass

_par une trace d’une solution d’acétate de cellulose dans l’acétone.

Appareils

de numération. -- Les

compteurs

sont

elles à un

_{amplificateur}

à

_quatre

coïncidences,

t une échelle de 1000 et à une échelle de 100’

cons-,ruits _{par le Commissariat à}

_l’Énergie

_atomique.

Fig. 3. -

Support compteurs.

Si, S~, S3, emplacements possibles des sources; A, B, C, D, E *

F, G, H, I, J, emplacements possibles des compteurs;

e, e’, e", etc., emplacements possibles des écrans.

Ces

_appareils

permettent

la mesure simultanée du nombre

_{d’impulsions}

dans

_{chaque compteur}

et du nombre de coïncidences. Le

_pouvoir

de résolution

est de l’ordre de en coïncidences

doubles,

pour toutes les combinaisons de

compteurs

deux à deux. Le taux de 10 ooo

_{impulsions :}

mn dans

un

_compteur

n’a _pas été

dépassé

(sauf

dans les

mesures sur

_198A~u)

dans le but d’éviter les

_pertes

dues au

_temps

mort du

_compteur.

De ce

_fait,

les

coïncidences fortuites sont

_{négligeables (sauf}

dans les mesures sur 198Au où elles ont été

_évaluées).

Le bon fonctionnement des diverses combinaisons

de

_compteurs

en coïncidences a été testé _par la méthode _{décrite par}

_{Norling [1].}

Ce test a été effectué

à diverses

_reprises

au cours des mesures

_qui

ont,

de

_plus,

été _{encadrées par} des mesures d’étalons. Mesure. - Nous avons utilisé des _{corps dont} le schéma de

_{désintégration}

a

_déjà

été étudié :

Io

52V,

sous forme de

_V205,

_pour

_l’énergie

de

_{1,46 MeV;}

20

28A1,

pour

l’énergie

de

~,8 MeV;

214

40

pour les

énergies

de

o,3

et

_{o,!E MeV;}

5°

61Cu,

sous forme de

_CuS,

_pour

_l’énergie

du

rayonnement

d’annihilation de

o,51

MeV.

D’autre

part,

des mesures directes ont été effec-tuées avec :

10

Th C",

d’une source de

R Th,

pour

l’énergie

de

2,6 MeV;

2~

61Cu,

pour le

rayonnement

de

o,5z

MeV. Les résultats des mesures sont donnés dans le Tableau I.

TABLEAU I.

vm___L’: Jo....

"Valeur moyenne. - bmesuie en coïncidences. - c Mesure directe. - dValeur estimée.

Vanadium. - Nous avons utilisé un

_porteur

de 2 _mg de

_V,O,

en

_poudre,

irradié

_pendant

Io mn

par neutrons lents. Le schéma de

désintégration

du nuclide 52V formé a été étudié _{par T. Yuasa}

[2],

J.

_{Martelly [3]}

et _par R. Bouchez et nous-mêmes

_{[4] ;}

on

_peut

le

_représenter

_{par le schéma}

₄

a. Dans la

Fig. 4. -

a, b, c, d. a, Õ2V; b, 24Na; d, 198Au.

mesure des

_{coïncidences [3}

_{2013 y,} en utilisant un

compteur

à

_rayons

dont la

_paroi

arrête les élec-trons de la transition

_isomérique

_{(3/ 1 oe mm d’Al)}

les

_négatons

du

_{spectre g}

seront seuls

_comptés.

La

_proportion

de rayons y donnant des

décharges

dans le

_compteur

à _rayons

_p

est de l’ordre de 1 _pour 100 et

peut

être

négligée

à la

précision

des mesures; d’autre

_part,

l’épaisseur

du

compteur

à rayons y est suffisante pour arrêter tous les

élec-trons. On

_peut

écrire

N~, Ny,

N~-y,

8T,

étant

_{respectivement}

le nombre

d’impulsions provenant

du

_compteur

à _rayons

_~3,

du

_compteur

à _rayons ’~, en coïncidences et le

nombre de

_{désintégrations}

de la source

_pendant

l’unité de

_temps;

_{les rendements des}

comp-teurs p

et _y.

Nous

avons, avec les notations de

l’introduction,

py=

d’où nous _{pouvons tirer la valeur} de l’efficacité. Aluminium. - Le

_porteur

est une feuille d’A.l de 3 cm sur cm, de

_{d’épaisseur,}

_pur à irradiée

_pendant

1 o mn _par neutrons lents. Le schéma de

_{désintégration}

du nuclide 28AI

_peut

être

_représenté

_{par le}

_{schéma 4 b}

_[5]

et le rendement et l’efficacité sont obtenus en utilisant les mêmes

formules _{que dans le} cas de 52V. Sodium. -- Nous

avons irradié du

COSNa2

_par

des deutons de

6,8

MeV

_pendant

des

_temps

allant

de i à 5 h. Le

_produit

est dissous et neutralisé

et une

_goutte

de la solution

_déposée

sur un

_porteur

d’acétate de

cellulose,

constitue la source

_après

séchage

à l’étuve

_(1).

La source décroît avec une

période

pure de

14,8 h

à I _pour 10o

_près.

En

admet-tant le schéma

_proposé

_par Elliot et

_{Alburger [6-8],}

schéma

4

c, et en

négligeant

les électrons de

conver-sion,

nous obtenons une valeur _moyenne du

ren-dement,

d’où,

le

_point

obtenu _pour le ~2V servant

de

_comparaison,

nous _{pouvons tirer les valeurs de}

l’efficacité pour les

énergies

de

_1,38

et

_2,76

MeV.

Nous avons _{utilisé pour} déterminer le rendement les formules

_(avec

les notations

_{habituelles ) :}

N3 ==7Vp

Ay

,

== z k =

N Pi

total,

E,

s’,

k, k’,

étant

_{respectivement}

les valeurs de l’efficacitè et du facteur de transmission

_pour

les raies de

_1,38

et

_2,76

MeV.

Or. - Nous

avons utilisé différentes feuilles d’or de 3 cm sur I cm et de 1 cm sur 1 cm

_{d’épaisseurs}

I o,

5 et

_o,5

_li., irradiées _{par neutrons lents} ou par deutons

pendant

des

_temps

variant de

_quelques

heures à

un mois. Nous avons

_trouvé,

dans tous les cas,

une

_période

_pure de 66 h _pour I oo

près.

Le schéma

le

_plus

_probable

_d’après

nos mesures en

215

En

_négligeant

les électrons der conversion et la

possi-bilité d’une raie y faible de

2,5

on obtient

le rendement en utilisant les mêmes formules que dans le cas de 24Na.

Cuivre. - Nous

avons utilisé la réaction Ni

_{(d, p)}

Cu par la méthode décrite par Savel

[9],

pour obtenir le nuclide 61Cu.

_{Après séparation chimique}

et

centri-fugation,

le

_précipité

de CuS est

_déposé

sur un

porteur

d’acétate de cellulose. L’activité du

_produit

mesurée

_quelques

heures

_après

la fin de l’irradia-tion décroît avec une

_période

_pure de

3,4

h à

2,5

pour I oo

_près.

La source est entourée d’une feuille de Pb de i mm

_{d’épaisseur;}

les

_j3+

sont ainsi arrêtés. En faisant

_{l’hypothèse,}

que deux rayons y

de 5lo keV sont émis à

_chaque

_{annihilation,}

et

_qu’ils

sont émis dans deux directions diamétralement

opposées,

les mesures en coïncidences y - ~y per-mettent de remonter au

_nombre

de

_{désintégrations}

et à l’efficacité. On a les formules

N,

_{NY2 N~_,~,}

étant

respectivement

les nombres : de

_{désintégrations,}

de

_décharges

dans le

_compteur

1 et le

_compteur

2 et en

_{coïncidences ; m}

_l’angle

solide

effectif des deux

_{compteurs (le}

même _{pour les} deux

compteurs);

les autres notations sont conformes à celles

_déjà

mentionnées dans l’introduction. Remar-quons que la corrélation

angulaire

des deux y donne

des formules différentes de celles établies dans le cas

général

des coïncidences y 2013 y

Mesures absolues directes. -- Nous voulons

parler

des mesures absolues que nous avons

effec-tuées à titre de contrôle avec le

_rayonnement

du Th C" et le

_rayonnement

d’annihilation du nuclide 61Cu.

Thorium C". - Nous

avons utilisé le

rayonne-ment, filtré _par

3,5

cm de

Pb,

d’une source de R Th

équivalente

à 0,126 mg de Ra

_préparée

et étalonnée par la méthode du

grand

condensateur à l’Institut du Radium

_(2).

Cuivre. - Le nuclide 61Cu _a été

préparé

par la

même méthode _que

_{précédemment,}

nous nous sommes servis du même échantillon _{que celui}

employé

dans les mesures en

coïncidences;

nous avons

utilisé un

_compteur

à’

_rayons

en Al de

_I¡’IOe

de

millimètre

_{d’épaisseur}

et le

_compteur

sans

_paroi

précédemment

décrit,

pour déterminer

l’absorption

dans la

_paroi

et en utilisant un

_diaphragme

cana-lisant un faisceau de

_[3+,

nous avons _{pu déterminer}

le nombre de

_{désintégrations}

de la source. De

là,

(2) Nous remercions l. G. Bouissières et Chamié pour la _préparation et _{l’étalonnage} de cette source,

on obtient directement le rendement

etj’efïicacité.

Cette méthode est _peu

_précise,

ce

_qui

_peut

_expliquer

les différences avec les résultats obtenus _par la méthode des coïncidences. D’autre

_part,

dans les

mesures en

coïncidences,

nous avons

_supposé

que le

rayonnement

d’annihilation n’est constitué que de

quanta

de o,5 1

MeV,

alors que la théorie

prévoit

un

rayonnement

de 1 MeV

(de

l’ordre de 1 o _pour I oo du

rayonnement

total dans le cas des éléments

_lourds),

et _que ce

_rayonnement

a

_déjà

été observé

_[iol.

Des

expériences

sont en

_projet

à ce

_sujet.

Résultats. - Nous

avons

_comparé

nos résultats

(Tableau

I)

à ceux _{obtenus par}

_{Norling [il,}

Bradt et al.

_{[1 1],}

Maier-Leibnitz

_{[ T 2]}

et Dun-worth

_{[ 13],}

ainsi

_qu’aux

résultats

_théoriques

et

semi-théoriques

de Von Droste

_{[ 1 !i.],}

Yukava et Sakata et N.

Marty

[16].

Les courbes sont dessinées

5,

6 et

₇₎

_{pour le}

Cu,

l’Al et l’Au.

Fig. 5. - Efficacité des

compteurs à coque d’Aluminium.

iVTaier-Leibnitz, - · - · - · -; Bradt et aL, - - - -;

I-N. Marty, ... ; Renard, o, mesures en coïncidences;

~ , mesures absolues directes.

Le décalement

_{systématique}

de certaines courbes

provient

vraisemblablement de différences entre les

,

dispositifs expérimentaux.

La

_{figure 8}

_reproduit

nos résultats

_quant

aux _{efficacités pour} les divers matériaux utilisés. La

_{figure 9 représente}

_les

rap-’

rayon-Fig. 6. - Efficacité des

compteurs à coque de cuivre.

Maier-Leibnitz, - · - · - _ -; Bradt et _{al., --- ;} N. Marty, ...; Renard, o, mesures en coïncidences;

~ , mesures absolues directes.

Fig. 7. - Efficacité des

compteurs à coques de Pb et d’Au.

Pb : lVlaier-Leibnitz, 2013 ’ 2013 ’ 2013 ’ ; Bradt et al., - - - - -, Au : _Renard, , ’

o mesures en coïncidences; e , mesures absolues directes.

...

nement;

les facteurs et k’ sont calculés _pour une

épaisseur

de

_paroi

_égale

au _{parcours maximum} des électrons

secondaires

pouvant

être créés dans cette

_paroi;

nous avons utilisé la valeur moyenne déduite des relations

_{parcours-énergie}

des _rayons

_p,

de

_{Coryell (3)}

et de Flammersfeld

_[18],

ainsi

(3)

E¢ _ + °’°94

(formule donnée au cours d’une

1

217

que d’une courbe

provenant

de Princeton

(4).

Ces courbes ont été établies en vue de vérifier les efficacités obtenues par la méthode des

_{coïncidences,}

-’1

dans la

_région

utilisée,

l’éventualité d’une

discon-tinuité est

_improbable

_{théoriquement,}

ce

qui justifie

notre manière de

_procéder.

1

-Fig. 8. - Efficacité

des _compteurs à rayons y.

____ ______J coque d’Al; , coque de Cu;

-.-.-.-.-, coque d’Au.

dans l’étude d’un nuclide dont le schéma de

désin-tégration

n’est _pas encore définitivement établi ou

est controversé. Ces courbes se sont révélées utiles

pour notre étude du schéma de

.désintégration

de 198Au

_[17].

Dans cette

étude,

nous avons

_supposé

, la

continuité de l’efficacité avec

l’énergie;

en

fait,

(1) Exemplaire fourni par M. Magnan.

Fig. 9. -

Rapports des rendements des divers _compteurs

en fonction de l’énergie des rayons y; pour une _épaisseur

de _{paroi correspondant} au _parcours maximum des

élec-trons secondaires.

Nous tenons à remercier M. le Professeur F.

_Joliot,

qui

a

_dirigé

notre travail et nous a aidé de

_précieux

conseils. Nous

_exprimons

notre

_gratitude

au C.N.R.S.

pour l’allncation

qu’il

nous a fournie.

_ Manuscrit reçu le 21 I mai 1948.

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