Principe du Compteur de scintillation Construction et fonctionnement

Qu’est-ce que la Scintillation

Le compteur de scintillation est un dispositif utilisé pour détecter et mesurer l’énergie du rayonnement.

Le compteur de scintillation dans sa forme la plus simple a été introduit pour la première fois par Rutherford et son collègue lors de l’étude de la luminance excitée dans le ZnS par les particules Alpha. Un écran recouvert de sulfure de zinc ou de platinocyanure de baryum ou de tungstate de calcium lorsqu’il est exposé à des particules Alpha produit des scintillations qui ont été comptées par un microscope à faible puissance.

L’instrument ainsi conçu s’appelait Spintheriscope. Le processus de comptage des scintillations est un processus fastidieux. L’œil limite le compte à environ 100 par minute.

L’invention des tubes photomultiplicateurs et une meilleure compréhension des propriétés luminescentes des substances organiques et inorganiques ont supprimé cet inconvénient et le compteur de scintillation est maintenant largement utilisé dans l’étude des radiations nucléaires.

Principe du compteur de scintillation

Un compteur de scintillation simple a été introduit pour la première fois par Karan et Barca en 1994. Les impulsions produites sont détectées dans des circuits électroniques classiques après amplification appropriée. Les impulsions produites par les particules Alpha ont été détectées par le ZnS, phosphore avec une efficacité de 100%.

Plus tard, Kallman (1947) a étendu son application à la détection des rayons β et γ en utilisant des cristaux transparents d’anthracène et de Naphtalène comme milieux fluorescents. Hofstadter a découvert que Nal avait une meilleure efficacité et une plus grande intensité pour le travail de comptage des rayons γ.

Construction du compteur de scintillation

Le compteur de scintillation complet se compose de trois parties de base:

1. Le matériau scintillant ou le phosphore produit un minuscule flash lumineux lorsqu’une particule chargée le frappe.
2. Le tube photomultiplicateur détecte le flash lumineux et produit une impulsion électrique.
3. Les amplificateurs et les circuits électroniques enregistrent et comptent les impulsions électriques du tube photomultiplicateur.

Le travail du microscope dans un simple scintillateur est remplacé par un tube photomultiplicateur. Ce tube comporte de nombreuses dynodes à cartes à électrons auxquelles des potentiels progressivement plus élevés sont appliqués comme le montre la figure.

Les photoélectrons sont accélérés dans le champ électrostatique entre la cathode et la première dynode, qui est à un potentiel positif par rapport à la cathode. Les électrons accélérés donnent suffisamment d’énergie aux électrons de la dynode pour en éjecter certains.

Il peut y avoir jusqu’à 10 électrons secondaires pour chaque électron qui frappe la dynode. Ce processus de multiplication se poursuit jusqu’à ce que la dernière dynode reçoive une avalanche d’électrons qui sont finalement collectés par l’anode.

Le courant de sortie ou l’impulsion à l’anode peut être plus d’un million de fois supérieur au courant initialement émis par la cathode.

Fonctionnement du Compteur de Scintillation

Le schéma synoptique du compteur de scintillation est représenté sur la figure. S est une source qui émet des rayonnements ionisants pour produire des éclairs lumineux de courte durée dans le phosphore placé devant la photocathode d’un tube photomultiplicateur.

Le processus de multiplication a lieu pour produire une avalanche d’électrons qui sont finalement collectés par l’anode. Une grande impulsion de plusieurs dizaines de millivolts est produite à la sortie.

Le préamplificateur amplifie ces Signaux puis ils sont envoyés au discriminateur dont la fonction est d’éliminer les impulsions de basse énergie puis ils sont comptés dans le scalaire. L’alimentation des différents étages est fournie par l’alimentation stabilisée.

La production d’un flash de scintillation par les particules ionisantes entrantes et la génération ultérieure d’une impulsion électrique dans un photomultiplicateur sont divisées en cinq événements distincts.

1. Le rayonnement incident est d’abord absorbé dans le matériau phosphoreux et ses atomes ou molécules sont excités.
2. Les atomes ou molécules excités du matériau fluorescent du phosphore se désintègrent et produisent un flash lumineux de courte durée.
3. Les photons émis sont transmis à la photocathode du photomultiplicateur.
4. Les photoélectrons sont produits en raison de l’absorption de photons légers.
5. La multiplication des électrons a lieu très rapidement et toutes ces opérations ont lieu en environ 10 à 8 secondes.

Les impulsions électriques produites par le tube photomultiplicateur sont proportionnelles à l’énergie des photons incidents. Ainsi, le compteur de scintillation détecte le rayonnement et mesure l’énergie du rayonnement.

Un spectre de rayons γ typique obtenu avec la source Cs137 est représenté sur la figure.

Nous savons que les photons γ des rayons interagissent avec la matière principalement de trois manières:

1. Effet photoélectrique.
2. Effet Compton.
3. Production de paires (production de paires positron-électron).

L’effet photoélectrique et l’effet Compton sont les plus importants pour les rayons γ ayant une énergie allant jusqu’à 2 MeV. Cependant, l’effet photoélectrique est effectivement utilisé car lorsque le rayon γ est incident sur un matériau, le photoélectron est émis.

L’énergie du photoélectron est égale à l’énergie du rayon γ absorbé. Dans l’effet photoélectrique, le rayon γ perd toute son énergie au profit de l’électron. Par conséquent, des rayons γ de même énergie ont produit des photoélectrons de même énergie dans un cristal scintillant. L’impulsion électrique produite dans un tube photomultiplicateur est proportionnelle à l’énergie des rayons γ incidents.

Un compteur de scintillation couplé à un analyseur multicanal est connu sous le nom de spectromètre à rayons γ. Ce spectromètre est calibré à l’aide de rayons γ d’énergie connue. La largeur du pic d’énergie complet à mi-hauteur est appelée pleine largeur à mi-maximum (FWHM).

La résolution énergétique du spectromètre est définie comme le rapport de FWHM à l’énergie des rayons γ correspondant au pic d’énergie complet.

Qu’il, résolution énergétique du spectromètre = Δ E/Ey

Typiquement, Δ E/Ey = 20% à Ey = 100 k eV.

Lorsque les énergies des rayons γ sont très proches les unes des autres, le compteur de scintillation n’est pas capable de les séparer. dans de tels cas, un compteur semi-conducteur est utilisé.

Types de Compteur à scintillation Utilisés

1. Iodure de sodium.
2. Sulfure de zinc.
3. Csl.
4. Anthracène et Stilbène.
5. Scintillateurs plastiques et liquides.
6. Gaz.

Iodure de sodium (Activé par le thallium)

C’est le scintillateur le plus couramment utilisé dans l’étude des rayons γ. Dans une comparaison du compteur GM, l’efficacité de la détection des rayons γ est très grande. Il présente un inconvénient, il est hygroscopique et doit donc être scellé dans une boîte en aluminium à parois réfléchissantes ou diffusantes.

Sulfure de zinc

Il est largement utilisé pour la détection de particules à courte portée. Il ne peut pas être utilisé en couches épaisses car il devient rapidement opaque à son propre rayonnement.

Csl

Ceci n’est pas hygroscopique et est donc préféré à l’iodure de sodium.

Anthracène et Stilbène

Ce sont des phosphores organiques qui ont un temps de désintégration plus rapide que les phosphores inorganiques. Pour les particules lourdes, celles-ci ont une très mauvaise efficacité. Ceux-ci sont utiles pour la détection des particules β. L’anthracène donne le rendement le plus élevé de photons d’environ 15 pour chaque 1000 eV.

Scintillateurs plastiques et liquides

Dans ces scintillateurs, l’énergie d’excitation est transférée du solvant au soluté. Celui-ci réémet alors un rayonnement dans une gamme de longueurs d’onde pour laquelle le solvant est transparent. Ceux-ci sont utilisés dans les contre-télescopes qui sont généralement utilisés en physique des hautes énergies.

Gaz

Pour compter les particules chargées lourdes en présence de rayonnement γ, on utilise du xénon qui émet un rayonnement dans la région ultraviolette.

La grande efficacité de détection, le temps de résolution court, la linéarité de réponse dans une large gamme de l’énergie du rayonnement incident sont quelques-uns des avantages du compteur de scintillation qui rendent cet instrument supérieur au G.M classique. compteur.

La caractéristique la plus remarquable du compteur de scintillation par rapport au compteur proportionnel est ses impulsions de durée extrêmement courte et sa résolution plus élevée.

Applications du compteur de scintillation

• Il est le plus efficace pour le comptage des rayons γ.
• Avec sa grande taille et son phosphore très transparent, il affiche un rendement très élevé.
• Comme la hauteur d’impulsion est proportionnelle à l’énergie du rayonnement incident, elle est utilisée pour l’étude de la distribution d’énergie des radiations nucléaires.
• Il est capable d’un taux de comptage rapide car le temps mort et le temps de résolution sont de l’ordre de 10-19 secondes contre 10-5 secondes dans le compteur G.M.