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Academic year: 2022

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(1)

Physique Nucléaire

Cours 2 : La détection des

rayonnements ionisants

(2)

0. Plan

1. Interaction entre les rayonnements et la matière

1. Les particules chargées 1. Les particules légères 2. Les particules lourdes

3. Le transfert linéique d’énergie

4. Trajectoire et parcours des particules chargées 2. Les rayonnements électromagnétiques X et 

1. Les interactions principales

1. Effet photoélectrique 2. Effet Compton

3. Effet de paires

2. Atténuation des rayonnements électromagnétiques

1. Loi d’atténuation

2. Couche de demi-atténuation

(3)

0. Plan

1. Détection des rayonnements

1. Introduction

1. Mode de fonctionnement

2. Paramètres caractéristiques d’un détecteur 2. Les appareils utilisant l’ionisation des gaz

1. Principe

2. Différents détecteurs à gaz

1. La chambre d’ionisation 2. Le compteur proportionnel 3. Le compteur Geiger-Muler

3. Les détecteurs a scintillations 1. Principe

4. Le dosimètre photographique 5. Conclusions

(4)

1. Interaction entre les rayonnements et la matière

1. Les particules chargées 1. Les particules légères 2. Les particules lourdes

3. Le transfert linéique d’énergie

4. Trajectoire et parcours des particules chargées 2. Les rayonnements électromagnétiques X et 

1. Les interactions principales

1. Effet photoélectrique 2. Effet Compton

3. Effet de paires

2. Atténuation des rayonnements électromagnétiques

1. Loi d’atténuation

2. Couche de demi-atténuation

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Ces électrons sont issus :

• Des émissions +, -

• De l’ionisation des atomes cibles

• De l’interaction de photon X ou  avec la matière

(6)

Ces électrons interagissent avec les électrons des atomes constituants le milieu traversé .

• Si l'énergie transférée par l'électron incident est supérieure à l'énergie de liaison (E > 30 eV) d'un électron de l'atome cible, celui-ci est expulsé du cortège et il y a ionisation de l'atome.

• Si l'énergie transférée par l'électron incident est exactement égale à la différence entre les énergies de liaison de 2 couches électroniques de l'atome cible, un électron de cet atome saute sur une couche moins liée et il y a excitation.

(7)

Plus rarement les électrons interagissent avec les noyaux des atomes constituant le milieu traversé.

• L'électron incident est dévié dans le champs coulombien de l'atome cible et ce changement de trajectoire s'accompagne de l'émission d'un rayonnement X appelé rayonnement de

freinage.

Remarque :

• Ce rayonnement ne concerne que les électrons de très fortes énergies (plusieurs MeV)

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1. Interaction entre les rayonnements et la matière

1. Les particules chargées 1. Les particules légères

2. Les particules lourdes 3. Le transfert linéique d’énergie

4. Trajectoire et parcours des particules chargées 2. Les rayonnements électromagnétiques X et 

1. Les interactions principales

1. Effet photoélectrique 2. Effet Compton

3. Effet de paires

2. Atténuation des rayonnements électromagnétiques

1. Loi d’atténuation

2. Couche de demi-atténuation

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• Elles interagissent principalement avec les électrons des atomes cibles, engendrant une ionisation ou une excitation.

• Les interactions avec les noyaux sont secondaires.

• Elles ne sont pas sujettes au rayonnement de freinage.

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1. Interaction entre les rayonnements et la matière

1. Les particules chargées 1. Les particules légères 2. Les particules lourdes

3. Le transfert linéique d’énergie

4. Trajectoire et parcours des particules chargées 2. Les rayonnements électromagnétiques X et 

1. Les interactions principales

1. Effet photoélectrique 2. Effet Compton

3. Effet de paires

2. Atténuation des rayonnements électromagnétiques

1. Loi d’atténuation

2. Couche de demi-atténuation

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Quel que soit le mécanisme d'interaction entre les électrons incident et la matière (ionisation excitation, freinage), il y a un transfert d'énergie de l'électron à la matière et l'électron est ralenti.

Ce ralentissement progressif et continu est caractérisé par une grandeur , le T.L.E

• dE est l'énergie moyenne transférée au milieu par la particule

• dx est un élément de longueur de la trajectoire parcourue par l’électron

• Le T.L.E. reflète donc directement la nuisance biologique d'un rayonnement donné.

dx E dE

L

T. . .

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1. Interaction entre les rayonnements et la matière

1. Les particules chargées 1. Les particules légères 2. Les particules lourdes

3. Le transfert linéique d’énergie

4. Trajectoire et parcours des particules chargées 2. Les rayonnements électromagnétiques X et 

1. Les interactions principales

1. Effet photoélectrique 2. Effet Compton

3. Effet de paires

2. Atténuation des rayonnements électromagnétiques

1. Loi d’atténuation

2. Couche de demi-atténuation

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La trajectoire d'un électron dans un milieu donné peut être très

sinueuse, puisque les électrons peuvent subir des déviations de 180°

dans le cas de la rétrodiffusion. En conséquence, la profondeur maximale atteinte par un électron dans la direction incidente initiale est inférieure à la longueur de sa trajectoire.

• Cette profondeur maximale est ce que l'on appelle le parcours (ou profondeur de pénétration ou portée)

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1. Interaction entre les rayonnements et la matière

1. Les particules chargées 1. Les particules légères 2. Les particules lourdes

3. Le transfert linéique d’énergie

4. Trajectoire et parcours des particules chargées

2. Les rayonnements électromagnétiques X et 

1. Les interactions principales

1. Effet photoélectrique 2. Effet Compton

3. Effet de paires

2. Atténuation des rayonnements électromagnétiques

1. Loi d’atténuation

2. Couche de demi-atténuation

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Cet effet est prépondérant pour des X/γ de basse énergie. Le photon interagit directement avec un électron atomique et disparaît en lui transférant toute son énergie. L’électron est ainsi libéré avec une énergie : Ee =Eγ-El

El est l’énergie de liaison.

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1. Interaction entre les rayonnements et la matière

1. Les particules chargées 1. Les particules légères 2. Les particules lourdes

3. Le transfert linéique d’énergie

4. Trajectoire et parcours des particules chargées 2. Les rayonnements électromagnétiques X et 

1. Les interactions principales

1. Effet photoélectrique 2. Effet Compton 3. Effet de paires

2. Atténuation des rayonnements électromagnétiques

1. Loi d’atténuation

2. Couche de demi-atténuation

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L’effet Compton (décrit par la relation de Klein-Nishina) représente la diffusion des photons par les électrons atomiques. Le photon

transmet une partie de son énergie incidente Ei à un électron puis diffuse selon un angle θ

Le photon diffusé a une énergie Ef qui peut prendre n’importe quelle valeur entre environ 0 et Ei .

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1. Interaction entre les rayonnements et la matière

1. Les particules chargées 1. Les particules légères 2. Les particules lourdes

3. Le transfert linéique d’énergie

4. Trajectoire et parcours des particules chargées 2. Les rayonnements électromagnétiques X et 

1. Les interactions principales

1. Effet photoélectrique 2. Effet Compton

3. Effet de paires

2. Atténuation des rayonnements électromagnétiques

1. Loi d’atténuation

2. Couche de demi-atténuation

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Le phénomène de création de paires est une conséquence de

l’interaction du rayonnement avec le champ du noyau : le photon disparaît avec création simultanée d’un électron et d’un positon.

• L’énergie minimale nécessaire à l’amorce de cet effet doit être au moins égale à la masse au repos de ces deux particules, à savoir 1,022 MeV.

• L’énergie excédentaire initiale est emportée par la paire.

• Le positon, après ralentissement dans la matière s’annihile rapide- ment avec un électron et la réaction donne lieu à la création de deux photons de 511 keV

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Importance des différents effets en fonction de l’énergie et du Z

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1. Interaction entre les rayonnements et la matière

1. Les particules chargées 1. Les particules légères 2. Les particules lourdes

3. Le transfert linéique d’énergie

4. Trajectoire et parcours des particules chargées 2. Les rayonnements électromagnétiques X et 

1. Les interactions principales

1. Effet photoélectrique 2. Effet Compton

3. Effet de paires

2. Atténuation des rayonnements électromagnétiques

1. Loi d’atténuation

2. Couche de demi-atténuation

(24)

Au contraire des particules chargées qui cèdent progressivement leur énergie à la matière, les rayonnements électromagnétiques disparaissent brutalement à la suite d'une interaction. On ne peut plus parler de ralentissement. Il faut intro duire la notion d'atténuation en nombre.

Dans le cas d'un faisceau monochromatique parallèle de rayons X ou , le nom bre de rayons émergeant (N) n'ayant subit aucune interaction dans la

traversée d'un écran d'épaisseur x est lié au nombre de rayons incidents (N0 ) par la relation :

est le coefficient d’atténuation linéique (en cm-1). Il dépend de l’énergie des photons incidents et du matériaux.

peut aussi être donné en cm2/g. Il convient alors de le multiplier a la masse volumique  pour retrouver l’expression précédente. On parle alors de

coefficient d’atténuation massique.

e

x

N

N

0

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Coefficients d’atténuation photoélectrique pour différents matériaux

Coefficients d’atténuation Compton pour différents matériaux

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Coefficients d’atténuation massique en fonction de l’énergie dans le Pb

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1. Interaction entre les rayonnements et la matière

1. Les particules chargées 1. Les particules légères 2. Les particules lourdes

3. Le transfert linéique d’énergie

4. Trajectoire et parcours des particules chargées 2. Les rayonnements électromagnétiques X et 

1. Les interactions principales

1. Effet photoélectrique 2. Effet Compton

3. Effet de paires

2. Atténuation des rayonnements électromagnétiques

1. Loi d’atténuation

2. Couche de demi-atténuation

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On appelle couche de demi-atténuation (CDA) ou épaisseur moitié (x1/2 ), l'épaisseur de matériau nécessaire pour atténuer d'un facteur 2 le nombre initial de photons

• On a la relation :

2

2 1

xLn

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1. Détection des rayonnements

1. Introduction

1. Mode de fonctionnement

2. Paramètres caractéristiques d’un détecteur 2. Les appareils utilisant l’ionisation des gaz

1. Principe

2. Différents détecteurs à gaz

1. La chambre d’ionisation 2. Le compteur proportionnel 3. Le compteur Geiger-Muller

3. Les détecteurs a scintillations 1. Principe

4. Le dosimètre photographique 5. Conclusions

(30)

L'émission de rayonnements est toujours associée à la radioactivité . Aucun des sens dont dispose l'être humain n'est sensible aux

rayonnements émis par les substances radioactives.

On ne peut détecter ces rayonnements donc déceler la radioactivité qu'en utilisant deux des types d'interaction entre les rayonnements ionisants et la matière : l'ionisation et l'excitation

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1. Détection des rayonnements

1. Introduction

1. Mode de fonctionnement

2. Paramètres caractéristiques d’un détecteur 2. Les appareils utilisant l’ionisation des gaz

1. Principe

2. Différents détecteurs à gaz

1. La chambre d’ionisation 2. Le compteur proportionnel 3. Le compteur Geiger-Muller

3. Les détecteurs a scintillations 1. Principe

4. Le dosimètre photographique 5. Conclusions

(32)

Quel que soit le mode de fonctionnement d'un détecteur et donc le principe sur lequel s'appuie la détection des rayonnements, il est toujours constitué des mêmes éléments:

•un capteur au niveau duquel le rayonnement interagit avec la mat ière

•un système d'amplification qui met en forme et amplifie le si gnal produit par la sonde

•éventuellement un système de traitement du signal

•un système d'affichage qui indique :

• un flux de particules : le compteur

• l'énergie des particules : le spectromètre

• la dose absorbée ou le débit de dose absorbée : le dosimètre ou le débitmètre.

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1. Détection des rayonnements

1. Introduction

1. Mode de fonctionnement

2. Paramètres caractéristiques d’un détecteur 2. Les appareils utilisant l’ionisation des gaz

1. Principe

2. Différents détecteurs à gaz

1. La chambre d’ionisation 2. Le compteur proportionnel 3. Le compteur Geiger-Muller

3. Les détecteurs a scintillations 1. Principe

4. Le dosimètre photographique 5. Conclusions

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l'efficacité de détection : c'est le rapport du nombre de particules détectées au nombre de particules reçues par le détecteur. L'efficacité dépend donc de la nature et de l'énergie du rayonnement

le temps mort : c'est le plus petit intervalle de temps entre deux informations pour que chacune d'entre elles soit prise en compte par le système

le mouvement propre : c'est le taux de comptage (notion définie plus loin) enregistré en absence de toute source de rayonnement

les caractéristiques géométriques : elles définissent la forme du détecteur, l'importance de sa surface sensible et sa directivité.

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1. Détection des rayonnements

1. Introduction

1. Mode de fonctionnement

2. Paramètres caractéristiques d’un détecteur

2. Les appareils utilisant l’ionisation des gaz

1. Principe

2. Différents détecteurs à gaz

1. La chambre d’ionisation 2. Le compteur proportionnel 3. Le compteur Geiger-Muller

3. Les détecteurs a scintillations 1. Principe

4. Le dosimètre photographique 5. Conclusions

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les rayonnements d'une source vont ioniser et/ou exciter les atomes du gaz dans l'enceinte du détecteur. On applique une différence de

potentiel entre deux électrodes :

si une particule ionisante pénètre dans l'enceinte, elle crée sur son passage un grand nombre de paires d'ions et d’électrons.

Sous l'action du champs électrique, les électrons vont migrer vers la cathode et les atomes ionisés vers l'anode qui est la paroi

extérieure du détecteur

Le signal exploité est la collection des électrons. Ce signal varie en fonction de la tension appliquée.

-

+

-

-

+ +

(37)

Région 1 : les ions se recombinent totalement avant d'atteindre l'électrode et l'amplitude de l'impulsion est nulle.

Région 2 : la recombinaison est négligeable et tous les électrons sont collectés. Pour une particule donnée, l'amplitude collectée est constante et indépendante de la différence de potentiel appliquée entre les électrodes, mais elle dépend de l'énergie de la particule.

Les détecteurs qui fonctionnent dans cette région sont les chambres d'ionisation.

Région 3 : les ions crées par le rayonnement ionisant sont

suffisamment accélérés par le champs électrique pour provoquer des

ionisations secondaires s'ajoutant à l'ionisation primaire

Région 4 : chaque ionisation primaire

entraîne une avalanche d'ions secondaires et le nombre d'ions collectés devient

indépendant du nombre d'ions primaires. Ce sont les compteurs de GEIGER - MÜLLER.

1 2 3 4

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1. Détection des rayonnements

1. Introduction

1. Mode de fonctionnement

2. Paramètres caractéristiques d’un détecteur 2. Les appareils utilisant l’ionisation des gaz

1. Principe

2. Différents détecteurs à gaz

1. La chambre d’ionisation 2. Le compteur proportionnel 3. Le compteur Geiger-Muller

3. Les détecteurs a scintillations 1. Principe

4. Le dosimètre photographique 5. Conclusions

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Un compteur capable de fonctionner indifféremment dans les trois

régimes (chambre d'ionisation, compteur proportionnel et compteur de Geiger - Müller) n’existe pas en raison des spécificités technologiques

nécessaires pour un fonctionnement performant dans chacun des régimes.

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1. Détection des rayonnements

1. Introduction

1. Mode de fonctionnement

2. Paramètres caractéristiques d’un détecteur 2. Les appareils utilisant l’ionisation des gaz

1. Principe

2. Différents détecteurs à gaz

1. La chambre d’ionisation 2. Le compteur proportionnel 3. Le compteur Geiger-Muller

3. Les détecteurs a scintillations 1. Principe

4. Le dosimètre photographique 5. Conclusions

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ce type de détecteur contient une substance que l'on appelle le scintillateur et un photomultiplicateur couplé à ce scintillateur. Les électrons des molécules du scintillateur passent dans un état excité sous l'action des rayonnements ionisants. La désexcitation des molécules du scintillateur s'effectue par émission de photons de fluorescence ou de phosphorescence.

fluorescence : transition permise entre un état singulet excité S1 et l'état singulet fondamental S0 phosphorescence : transition

interdite entre un état triplet excité T1 et l'état singulet fondamental, S0 fluorescence retardée : transition entre un état singulet excité S1 , peuplé à partir d'un état triplet T1 , et l'état singulet fondamental, S0 .

(42)

Structure des détecteurs à scintillation.

Scintillateurs Nal(TI) encapsulés et ensembles complets

source Amcrys-H/Detec

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Photomultiplicateur (conversion photon-électron + multiplication).

Les photons en provenance du scintillateur sont absorbés dans la photocathode et transfèrent leur énergie aux électrons qui s’échappent dans le vide. En pratique, l’efficacité quantique des photocathodes est de l’ordre de 25 % (nombre d’électrons générés/photons absorbés)entre 300 et 450 nm. Ces électrons sont ensuite focalisés, accélérés et projetés sur la première dynode qui est portée à un potentiel positif (la

différence de potentiel entre deux dynodes est d’environ 100 V). Les électrons, en transférant leur énergie,

éjectent une quantité plus grande d’électrons, dits secondaires, vers la seconde dynode. On observe ainsi un phénomène de multiplication à chaque étage du PM jusqu’à collection complète des électrons sur l’anode.

Typiquement les PM ont de 8 à 12 dynodes. Le gain obtenu est généralement compris entre 103 et 108.

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