Discrimination de particules à l'aide d'un compteur à scintillations

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Discrimination de particules à l’aide d’un compteur à

scintillations

G. Walter, A. Coche

To cite this version:

165 A.

DISCRIMINATION DE PARTICULES A L’AIDE D’UN COMPTEUR A SCINTILLATIONS

Par G. WALTER et A.

_COCHE,

Département de Chimie Nucléaire, Centre de Recherches Nucléaires de

_Strasbourg.

Résumé. - On met à

profit l’existence de deux constantes de _temps de décroissance de la lumière dans le stilbène ou dans un scintillateur _plastique pour discriminer des particules d’ioni-sation spécifique différente. Le dispositif réalisé permet par exemple de tracer le _spectre 03B1 de 210Po

en _présence d’électrons de 207Bi (975 keV), 97 _% du _spectre d’électrons étant éliminés. On utilise essentiellement les _propriétés de _{l’impulsion anodique} du photomultiplicateur après différentiation : différents montages ont été examinés dans le but d’améliorer la sensibilité de discrimination et de diminuer le temps mort (5.10-8 s _environ). Les résultats de diverses

_expériences

de discrimination

(03B1, 03B2, p et 03B3) sont donnés.

Abstract. 2014 We make _use of the difference in stilbene _or

plastic fluorescent _decay times to identify particles of different ionization power. The circuit design allows one, for _example, to

obtain the 210Po 03B1 _spectrum with _rejection of 97 _% of the 207Bi electron _spectrum. The _system is based on the _properties of the _{pulse generated} across the anode load of the _{photomultiplier} after differentiation. Some circuits have been designed in order to _improve the discrimination ratio and time resolution. Results of

_experiments

with

_separation

of _{protons and gammas,}

alphas and electrons, are _presented. LE JOURNAL DE _PHYSIQUE ET LE RADIUM

PHYSIQUE APPLIQUÉE

SUPPLÉMENT AU NO 11

TOME _22, NOVEMBRE _1961, PAGE

L’étude des

_phénomènes

d’émission lumineuse dans un

_grand

nombre de scintillateurs

_(ICs(TI),

cristaux

_organiques,

des scintillateurs

_plastiques

et

liquides

- _sans

oxygène

dissous

_-)

a montré que la loi de décroissance de la lumière

_dépend

du

pouvoir

ionisant de la

_particule

excitatrice. Dans les scintillateurs

_{organiques qui}

nous intéressent

ici,

cette loi

_peut

être décrite comme la somme de deux

_composantes

_{exponentielles,}

_{correspondant}

chacune à des constantes de

_temps

différentes

(Wr ight

[1]).

Owen

_[2]

a _{trouvé que}

_{l’i mportance}

relative de

_chaque

_composante

varie avec le pou-voir ionisant de la

_particule

incidente et Kall-mann

_[3]

ainsi _{que Brooks}

_[4]

ont donné une

inter-.

prétation

de ce

_phénomène.

Cette

_propriété

a été mise à

_profit

_{par de} nom-breux auteurs

_[5

à

_16]

_{pour discriminer différents}

types

de

_particules

_qui

_produisent

dans un cristal

ou un

_plastique,

des scintillations du même ordre

d’amplïtude.

Nous avons réalisé un

dispositif

_permettant

de discriminer avec une bonne

_efficacité,

les

parti-cules oc des électrons et les

_protons

des rayons _y.

Les scintillateurs utilisés étaient le stilbène et un

plastique

à deux constantes de

_temps

_{(NE 150)}

placés

sur la

photocathode

d’un

photomultipli-cateur 56 AVP.

Pour discriminer les

_particules

oc des électrons

dans le

_stilbène,

nous avons d’abord cherché à mettre en évidence dans ces deux _cas, une varia-tion du

_temps

de montée de

_{l’impulsion}

d’anode du

photo

multiplicateur.

Une telle variation eût

_permis

en

_effet,

de discriminer en un

_temps

très court.

, Si l’intensité

I(t)

de

la lumière émise _par un

scintillateur

_organique

_peut

être mise sous la forme :

°

«1

et _{~2 : constantes} de

_temps

_{correspondant}

res-pectivement

aux

_composantes

_rapides

et

_lentes),

l’impulsion

V(t)

à l’anode du

_{photomultiplicateur}

varie en fonction du

_temps

suivant la loi :

(C :

capacité

en

parallèle

à la

charge

d’anode

R,

RC’ ---

’ro).

L’instant tM

auquel

cette

impulsion

passe par un

maximum,

est solution de

_{l’équation :}

En tenant

_compte

des valeurs

_numériques

des

différents facteurs dans le circuit utilisé :

on obtient la valeur

_approchée

suivant de tM :

D’aprés

ce

qui précède, l’impulsion

d’anode

diffé-rentiée s’annule à t = _tM et _une modification du

rapport

avec la nature de la

_particule

166 A

dente se traduira _par une variation du

_temps

qui

pourrait

être mise en évidence en examinant la

variation du taux de coïncidences entre les

_parties

positives

des

_impulsions

dérivées -

qui

débutent à

l’instant tM - et les

impulsions

positives

prélevées

par

exemple

à la 14e

dynode.

Nous n’avons pas pu, par cette

méthode,

faire

apparaître

une variation de tM > 10-9 s _{pour les scintillations}

produites

dans

le _{stilbène par} une

_{particule «}

ou un électron. On

peut

en conclure dans ce _{cas, à} l’aide de la formule

donnant _{tm, que} la variation du

_rapport

_{A /B}

est inférieure à un facteur 4.

Nous avons néanmoins utilisé les

propriétés

de

l’impulsion

anodique

différentiée pour réaliser des

systèmes

de discrimination. Pour le

_stilbène,

une mesure

qualitative

à

l’oscilloscope

montre _{que le}

rapport

d’amplitude

de la

_{partie négative}

à celle

de la

_partie

_positive

est environ 4 fois

_plus

_grand

dans le cas d’une scintillation

_produite

_par une

particule

oc _que dans le cas d’une scintillation pro-duite par un électron. Cette

_propriété

a été mise à

profit

pour réaliser deux

dispositifs

de discrimi-nation

_qui

diffèrent essentiellement

_{par les}

circuits de dérivation.

FIG. 1.

Dans le

_premier,

_représenté

sur la

_{figure 1,}

cha-cune des

_parties

de

_{l’impulsion}

dérivée est

_prélevée

aux bornes du circuit de différentiation

_{L, R}

à

l’aide des diodes

_{Di, D 2,}

et la

_{partie négative}

est retardée à l’aide du câble coaxial C de manière

qu’elle

coïncide en

_temps

avec la

_première.

On

superpose

ensuite,

dans un circuit à

_{résistances,}

ces deux

_parties.

_{L’impulsion}

résultante commande un

circuit de

_{blocage qui}

_permet

d’éliminer un

_type

de

_particules,

du

_spectre

_pris

à la dernière

_dynode.

Pour se

rapprocher

d’une différentiation

mathé-matique

et améliorer de ce fait la sensibilité de

dis-crimination,

on a intérêt à

_prendre

un

_rapport

_{R JL}

élevé,

mais on diminue alors

_rapidement

la hauteur

de

_{Fimpulsion de}

_{sortie ;}

de

_plus

une

grande

valeur

de R tend à _{diminuer la contribution de la}

compo-sante

_rapide.

Nous avons tracé

_(fig.

₂₎

avec ce

dispositif,

le

spectre

du

_rayonnement

oc de 21°Po en

présence

des électrons de conversion de 2°’Bi

(975

keV),

le scintillateur

_employé

étant du stilbène. On voit _que le circuit discriminateur

_supprime

environ 95

_%

du

_spectre

d’électrons. Sur la

_{figure 3,}

est

repré-FIG. 2. -

Spectre du _rayonnement oc de 2lopo en _présence

des électrons de 207Bi.

a) Spectre des deux émetteurs en _{présence, prélevé} à

la dynode 14.

b) Spectre des mêmes émetteurs, la contribution des électrons de 2°’Bi _{étant réduite par le} circuit de discri-mination.

c) Spectre du _rayonnement ex de 2lopo seul.

FIG. 3. -

Spectre des rayonnements oc de 212Bi et 212po

en _présence de tous les émetteurs du

_dépôt

actif du

thorium.

a) Spectre de tous les émetteurs en _{présence, prélevé}

à la _dynode 14.

b) Contribution du _{rayonnement oc} à ce _spectre

obte-nue en éliminant les rayonnements p et y à l’aide du

circuit de discrimination.

senté le

_spectre

des

_rayonnements

oc de 212Bi

(6,08

et de 212Po

_(8,78

_MeV)

en

_présence

de

tous les autres émetteurs du

_dépôt

actif du tho-rium. Les maximums observés sur le

_spectre

b

correspondent

effectivement aux _rayons « de 212po

et

_{212 Bi,}

_compte

tenu de la non linéarité du stilbène

-167 A

Le

_dispositif

de la

_figure

4

_permet

d’obtenir une différentiation

(et

par suite une

discrimination)

meilleure. Le

_principe

est le même _{que dans le}

montage précédent,

mais la dérivation est réalisée

FIG. 4.

à

_partir

des éléments

C, R

et de

_{l’amplificateur}

à

contre-réaction

_{(tubes VI, V2}

et

_V3).

D’autre

_part,

la

_{superposition}

des deux

_parties

de

_{l’impulsion}

diff érentiée

_{(faite auparavant}

sur un circuit à

résis-tances)

a lieu sur un tube

_(V4)

à deux

_grilles

de

commande. Ce circuit a, en

effet,

été utilisé avec des sélecteurs multicanaux pour

lesquels

un faible

temps

mort _{n’était pas}

_primordial.

Nous avons utilisé ce

dispositif

_pour discriminer les

_protons

_{des rayons y, à} l’aide d’un scintillateur

plastique

à deux constantes de

_temps

_{(NE 150)}

(fig.

5).

Cette

_expérience

met en évidence la

possi-bilité de mesurer un

_rayonnement

_y de faible intensité en

_présence

d’un. nombre

_important

de

protons

correspondant

à des scintillations de même

amplitude.

Nous avons voulu montrer l’intérêt

_{d’utiliser,}

pour la discrimination de

particules, l’impulsion

FIG. 5. -

Spectre de diffusion de _{protons (E} = 1,5 MeV)

en _présence de _{rayonnement y.}

a) Spectre de diffusion de protons

prélevé

à la

dy-node 14.

b) Contribution du rayonneme at y à ce _spectre obtenue

en éliminant les _protons à l’aide du circuit de discri-mination.

c) Spectre tracé dans les mêmes conditions que b) en

présence d’une source de _{rayonnement y (~3~Cs) placée} à _proximité de la cible.

anodique

différentiée

_(plus

_{brève que}

_{l’impulsion}

intégrée

et de ce fait

_plus

_{avantageuse).}

A

_partir

de cette

_{impulsion différentiée,}

il est facile de

réa-liser,

en

_{n’employant qu’une}

seule électrode de

photomultiplicateur,

des

_{dispositifs simples}

_qui

ont

une bonne sensibilité de discrimination.

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