Spectrométrie nucléaire par compteurs proportionnels en coincidence

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Spectrométrie nucléaire par compteurs proportionnels

en coincidence

G. Charpak, F. Suzor

To cite this version:

167 A

SPECTROMÉTRIE

NUCLÉAIRE

PAR COMPTEURS PROPORTIONNELS EN COINCIDENCE Par G. CHARPAK et F.

_SUZOR,

Laboratoire de _{Synthèse Atomique,} C. N. R. S.

Résumé.

2014

_Description d’un _{spectromètre} à _compteurs

_{proportionnels}

_{spécialement adapté} à l’étude des radiations de faible énergie (électrons ou _photons au-dessous de 20 _{keV) émis par des}

atomes radioactifs avec une très faible

_{probabilité.}

Deux _{compteurs proportionnels} sont en _contact,

dans un plan qui contient le _porte source. La source est en contact direct avec le gaz de l’un des

compteurs.

Les impulsions de ce _compteur en coïncidence avec celles de l’autre sont _analysées par un

_analyseur

à canaux _multiples. On décrit le montage électronique associé, en insistant sur le fait que les amplificateurs ont été rendus non saturables.

Abstract. 2014

Description of a

_proportional

counter _{spectrometer specially adapted} to the _study of _{low energy radiations (electrons} or _photons below 20 _keV) emitted by radioactive atoms with very small probability. Two _proportional counters of 18 cm diameter are in contact _along a

_plane

which contains the source holder. The source is in direct contact with the gas of one of the

coun-ters. _Impulses of this counter in coïncidence with _impulses of the other are _{analyzed by} a

multi-channel _analyzer. The associated electronics in described with _{particular emphasis} on the _problems of non _{overloading qualities} of the _amplifiers.

PHYSIQUE

PHYSIQUE APPLIQUÉE TOME _19, DÉCEMBRE _1958, PAGE 167 A.

Nous avons construit un

_appareil

destiné à la

mesure de

_l’énergie

et de

l’intensité

_d’un

rayon-nement

_photonique

ou

_{électronique}

de très basse

énergie

émis simultanément avec le

rayonnement

afin

_{d’étudier,}

_par

_{exemple, le freinage}

interne et

l’autoionisation ainsi _que certains schémas de

désintégration

radioactive contenant des

tran-sitions entre niveaux

_d’énergie

très voisine.

La mesure de

_l’énergie

est obtenue _par l’utili-sation de deux

_compteurs

_{proportionnels.}

La durée

importante

et variable

de la montée des

_impulsions

ainsi

fournies

_impose

un

_{grand temps}

de résolution

lors

de la détection en coïncidence de ces

impul-sions. C’est la raison pour

laquelle

nous avons

placé

les deux

compteurs

en contact l’un de l’autre suivant une

_{génératrice horizontale,}

et la source

dans le

_plan

_tangent

vertical commun au milieu de

cette

_{génératrice ;}

_{chaque compteur}

est

ainsi vu

de la source sous un

_angle

solide

2n,

ce

_qui

a _pour

effet de réduire à une valeur relative

_acceptable

les

coïncidences fortuites. Les

_compteurs

sont de

grandes

dimensions _pour

augmenter

l’efficacité lors de la détection de

_photons

et _{pour que les} élec-trons

_d’énergie

la

_plus

élevée

_possible

soient

tota-lement absordés dans le

_{compteur ;}

il en résulte

aussi _que des électrons

_d’énergie

_plus

_grande

et au

voisinage

du minimum d’ionisation

_perdront,

dans le

_compteur,

une

_énergie

sufflsante pour

pouvoir

être

_distingués

des électrons ou des

photons

de

basse

_énergie

_que l’on se _propose d’étudier.

Indi-quons, à titre

d’exemple,

que pour le

rayon-nement 03B2

du

_phosphore

_32,

95

_%

des électrons

perdent

dans le

_compteur

une

énergie supérieure

à _{10 keV pour} un

_remplissage

de propane sous une

pression

voisine de la

_{pression atmosphérique.}

On

obtient,

dans ces

conditions,

un nombre de

coïnci-dences fortuites relativement faible en mesurant

les

_impulsions

en coïncidence obtenues dans l’un

des

_compteurs

_après

discrimination à une valeur

supérieure

à une dizaine de keV environ

_(presque

totalité du

_rayonnement

_03B2)

et

_dans

_l’autre

comp-teur

_après

sélection dans une bande étroite

explo-rant le domaine inférieur à 10 ou 20 ke’V où nous

voulons étudier le

_rayonnement

émis

simulta-nément avec le

_rayonnement

_03B2.

On

_peut

ainsi

mesurer, dans ce domaine

d’énergie,

des intensités

de l’ordre de

_quelques

10-4 de celle du

rayon-nement

_03B2.

Cet

_{exemple typique}

illustre le domaine

d’application

de notre

_appareil.

Une autre

caracté-ristique

importante

réside dans l’existence d’un sas

permettant

l’entrée et la sortie

_rapide

des sources

sans

perturbation

du gaz

_remplissant

le

_{compteur ;}

il est ainsi

_possible

de mettre la source directement en contact _{du gaz} de l’un des

_{compteurs et,}

à la condition

_d’employer

des sources sans matière

vaporisées

sous vide

_[1],

de _pousser la limite

infé-rieure de

_l’énergie

des

_rayonnements

étudiés

jusqu’à quelques

centaines d’électrons-volts.

I.

_Description

de l’installation. - Une enceinte

cylindrique

étanche en fonte à axe vertical de 50 cm

de

_diamètre,

35 cm de hauteur et

2,5

cm

d’épais-seur de

_paroi

contient les deux

_compteurs

accolés dont les axes sont

_{horizontaux ;}

cette enceinte

communique

avec des

_dispositifs

annexes

permet-tant

_d’y

faire le vide et de la

_remplir

du gaz

choisi ;

aucun

_problème

d’étanchéité ne se _{pose ainsi pour}

les

_compteurs

eux-mêmes. Sur la

_{figure 1,}

on

_voit,

au-dessus de l’enceinte et suivant son _axe, une

barre

_qui,

par translation

verticale,

permet

l’entrée

et la sortie de la source.

_Lorsque

celle-ci est enlevée l’étanchéité de l’enceinte est obtenue _par un

_clapet

168 A

intérieur dont la commande extérieure se trouve

sur la droite. ’

Une

_petite

turbine actionnée de _{l’extérieur par}

un volant

_magnétique

établit d’une

_façon

perma-nante un _{passage du gaz}

_{dans un}

four de

purifi-cation contenant du calcium à une

_température

réglable

jusqu’à

400 °C.

Les fils des

_compteurs

_qui

sont en

molybdène

de

_0,08

millimètre de

_diamètre,

sont à un

_potentiel

nul, les

coques des deux

compteurs

étant

_portées

à

une même haute tension

_négative.

La

_figure

2

représente

les deux

_compteurs

_{fixés par} l’intermé-diaire d’une

_plaque

isolante en

_plexiglas

sur la base

de l’enceinte

_cylindrique.

L’isolement

_électrique

entre _{les coques des}

_compteurs

et l’enceinte est

obtenu par des feuilles de

_{plexiglas tapissant}

la

paroi

intérieure de celle-ci. _{Les coques des}

comp-teurs sont en

_{cuivre ;}

ceux-ci sont munis de tubes

de

_champ

en nickel

_{[2] qui, portés}

à un

_potentiel

intermédiaire exactement

_ajusté,

ont _pour effet de limiter le volume effectif du

_compteur

à des

_plans

perpendiculaires

au fil et

_passant

_{par l’extrémité}

de ces tubes. La forme et les dimensions exactes des

FIG. 3. - Vue _en

coupe des compteurs.

compteurs

sont données sur la

_figure

3. La forme

particulière

et non circulaire de la section droite des coques des

compteurs

a été choisie _pour obtenir un

169A

source et

_augmenter

ainsi

_l’angle

solide. Cette forme non circulaire est d’ailleurs sans influence

notable sur la bonne marche

du

_compteur.

La

forme

_conique

des extrémités des

_compteurs

n’a

.

pas

d’importance

étant donné l’existence des tubes de

_champ

et

_permet

une utilisation maximum de la

surface circulaire

_disponible

dans l’enceinte étanche. A l’aide des cotes

_indiquées

sur la

_{figure 3,}

on

_peut

calculer la

_longueur

_{moyenne des rayons}

_rectilignes

issus de la source dans le volume utile du

comp-teur ;

on trouve

_12,2

cm. Parmi tous _{les rayons}

issus dans

_l’angle

solide

_21r,

90

_%

ont un _parcours

supérieur

à 8 _cm,

_et,

_pour

_ceux-ci,

la

_longueur

moyenne est de

13,0

cm. Ces données sont

impor-tantes _{pour calculer}

l’efficacité

des

_photons

d’une

énergie

donnée dans le _gaz

_remplissant

le

_compteur,

connaissant la nature et la

_pression

de ce _gaz.

Le

_porte-source

lui-même est fixé d’une

_façon

rigide

à l’extrémité d’une colonne

_{coulissante ;}

il est

facilement

_démontable,

_permettant

de mettre à

volonté devant la source des écrans

_{d’épaisseur}

et

de nature variables.

2.

_{Appareillage électronique.}

-

L’appareillage

électronique

est destiné aux fonctions suivantes

( fig.

4) :

FIG. 4. -

Diagramme des éléments de _{l’appareillage électronique.}

1. _{Compteurs ;} 2. Haute tension ; 3. _{Préamplificateurs ;}

4. _{Amplificateur} x 10 000 ; 5. _{Amplifiicateur} avec blo-cage des saturées. (a)

Étages

préamplificateurs. (b)

Étages

finaux. _(c) Porte à _transistor; 6. Discriminateur; 7. Échel-le ; 8. Sélecteur de coïncidences ; 9. Porte _{débloquée par} les coïncidences ; 10. Sélecteur à 50 canaux ; 11.

Compta-ge des _impulsions saturées.

- alimentation haute tension des

compteurs

proportionnels ;

-

amplification

des

_impulsions

dans

_chaque

voie ;

- _{détection des coïncidences entre 2}

_{voies ;}

-

comptage

des

_impulsions

_{et mesure,} avec un

sélecteur à 50 _canaux, du

_spectre

des

_impulsions

de

chaque

compteur

ou des

_impulsions

en coïncidence.

Nous ne décrirons _que les éléments

particuliers

à

notre

_expérience.

Le

_temps

de

_déplacement

d’un

électron libre dans le _gaz du

_{compteur, depuis}

le

point

où il a été libéré

_jusqu’à

la zone voisine du fil où la

_{multiplication}

commence est fonction de la distance au

_fil,

de la nature et de la

_pression

du _gaz.

Il atteint 5 microsecondes dans certains cas. Il en

résulte _que le

_temps

de montée des

_impulsions

pro-duites par les

rayons 03B2

est fonction de leur orien-tation dans le

_compteur

et

_peut

aller

_jusqu’à

5 microsecondes. Les intervalles entre l’instant où

un électron de très faible parcours est libéré dans le gaz

(par

exemple

par

absorption

d’un rayon

X)

et l’instant où

_{l’impulsion}

se

_développe,

fluctuent et

peuvent

également

atteindre 5 microsecondes. Il est

donc

_nécessaire,

_pour

l’étude

des

_impulsions

en

coïncidence dans les deux

_compteurs,

d’utiliser un

temps

de résolution élevé. Celui-ci mesuré avec

précision

est voisin de 8

microsecondes

dans nos

expériences.

Grâce à la

_géométrie

27t X

_2n,

les sources

uti-lisées

_peuvent

être d’une intensité assez faible _pour

étudier les

_phénomènes

rares avec

_précision,

sans

que les coïncidences fortuites soient

gênantes.

Amplificateurs.

- Ceux-ci devaient

répondre

aux conditions suivantes :

-

gain

élevé

₍₂₀

X 10

_{000) ;}

- bruit de fond d’entrée très

bas ;

-

grande stabilité ;

- insensibilité

aux

_surcharges.

Il est

_fréquent,

dans les

_expériences

_qui

vont être

décrites,

de travailler dans les conditions

sui-vantes : -

durée des

_{impulsions :}

15

_{microsecondes ;}

-

temps

de montée : 1 à 5

_{microsecondes ;}

- nombre

d’impulsions

saturées : _{1 000 par}

seconde ;

- nombre

d’impulsions

dont le

_spectre

est

étudié : 20 par seconde.

Les

_impulsions

saturées sont

_provoquées

surtout

par les

rayons 03B2

absorbés dans le même

_compteur

que celui où sont

comptés

les

_rayonnements

de basse

_énergie.

Elles

_{correspondent}

à une

_perte

d’énergie jusqu’à

200 fois

_plus

forte _que celle pro-duite _par les

_phénomènes

étudiés. En raison de leur

grande

durée elles rendraient

_impossible

l’obser-vation des

_impulsions

de faible

_amplitude

sans les

précautions

suivantes :

_{l’amplification}

se fait au

moyen

d’un

préamplificateur

de

gain

20 et d’un

amplificateur

200 kHz de

gain

10 000. Les rebon-dissements sont éliminés aux divers

_étages

à l’aide

d’une contre-réaction par diodes

qui

permet

de ne

faire

_agir

la contre-réaction que sur

_{l’impulsion}

de

signe

indésirable

_[3].

Cette mesure est

_cependant

insuffisante dans notre cas.

_{L’amplificateur}

est en

plus

muni d’un

_dispositif

_{[4] qui}

élimine dès les

premiers

étages

les

_{impulsions qui dépassent}

un

certain niveau. Les

_impulsions

sont

_amplifiées

dans

170 A

elles

_débloquent,

_pendant

20

_{microsecondes,}

un

transistor

_qui

est

_placé

en

_parallèle

sur la résistance

de fuite de

_grille

d’une

_{lampe amplificatrice}

située

FIG. 5. -

Impulsions

produites dans le _compteur par les rayons X du fer 55 en _présence d’un grand nombre

d’impulsions saturées _{fournies par les rayons} y du

cobalt 60 ₍₁ avec, 2 sans la _porte à transistor _{- largeur} d’un carreau = ₂

micro-secondes).

dans les

_{premiers étages}

de la voie

_{proportionnelle.}

Les

_impulsions

de la voie

_{proportionnelle}

sont

retardées de 4

_{microsecondes,}

à l’aide de

_ligne

à

retard,

avant d’arriver sur le transistor. On voit sur les clichés de la

figure

5 l’effet de cette

_porte

à

transistor.

Ce

_dispositif

limite l’effet des

_impulsions

satu-rées ;

il élimine celles-ci avant le sélecteur de coïnci-dences ce

qui

diminue de

façon

considérable les

coïncidences fortuites.

Mesure du _spectre. - Les imhulsions

sont

ana-lysées

sur un sélecteur à 50 canaux du

_type

Wil-kinson,

avec un

_temps

mort de 1 milliseconde. Dans ses conditions normales de fonctionnement celui-ci

_permet

_d’analyser

le

_spectre

des

_impulsions

de l’une ou l’autre voie. De

_plus

il

_peut

être

_bloqué

en _{permanence ;} le

_déblocage

d’une durée de 20 microsecondes est _{commandé par les}

_impulsions

sortant du sélecteur de coïncidences. Ce

_dispositif

permet

l’analyse

du

_spectre

des

_impulsions

en

coïncidence. Les

_impulsions

_provenant

des

ampli-ficateurs

_{proportionnels}

sont retardées de 10 micro-secondes avant d’entrer dans le sélecteur. On évite ainsi les

_pertes

dues aux fluctuations du

_temps

de

montée des

_impulsions

dans les

_compteurs.

Nous remercions M.

_Lanfrey

et Mlle Clouet de leur

_{collaboration}

dans la _{construction des} comp-teurs et M.

_Pénège

_pour la mise au

_point

de

l’appa-reillage

électronique.

Nous devons une

recon-naissance

_{particulière}

au

_regretté

Pr F.

_Joliot,

Directeur du Laboratoire de

_Synthèse

_Atomique,

pour l’intérêt constant

qu’il

a manifesté à ces

expé-riences et _{pour les discussions dont il} nous a fait

bénéficier.

Ce travail a _{pu être réalisé}

_grâce

aux _{moyens mis}

à notre

_disposition

_{par le Centre} National de la Recherche

_Scientifique

et à une subvention du

Commissariat à

_l’Énergie

_Atomique.

Manuscrit reçu le 29 octobre 1958.

BIBLIOGRAPHIE

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[2] COCKROFT _{(A. L.)} et GURRAN (S. C.), Rev. Scient. Inst., 1951, 22, 37.

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