Chapitre 4 - Détecteur PDF

CHAPITRE 4 - DÉTECTEUR I. DÉTECTEUR = ensemble de détection permettant de convertir l’énergie “invisible” des rayonnements ionisants en signal mesurable. Il repose sur la collection des paires électrons-ions créées au passage de la particule ionisante incidente. Les détecteurs ne peuvent pas a...

CHAPITRE 4 - DÉTECTEUR I. DÉTECTEUR = ensemble de détection permettant de convertir l’énergie “invisible” des rayonnements ionisants en signal mesurable. Il repose sur la collection des paires électrons-ions créées au passage de la particule ionisante incidente. Les détecteurs ne peuvent pas analyser tous les rayonnements ionisants. Les phénomènes physiques mis en jeu lors de la détection des rayonnements ionisants: ➔ l’Ionisation: Lorsque les rayonnements ionisants interagissent avec les atomes du matériau, et peuvent arracher des électrons des atomes. Cette ionisation permet de convertir l'énergie des rayonnements en un signal mesurable. ➔ Effet photoélectrique : un photon donne toute son énergie à un atome, ce qui entraîne l'éjection d'un électron de l'atome.Ce processus contribue à la détection des rayonnements dans des détecteurs de scintillation. ➔ Effet Compton: un photon interagit avec un électron dans un atome, ce qui entraîne une réduction de l'énergie du photon (il est diffusé) et l'éjection de l'électron. Ce phénomène est important dans la détection des rayonnements gamma et contribue à la formation de spectres d'énergie. ➔ Création de paires: Pour des photons de très haute énergie créent des paires électron-positron lorsqu'ils interagissent avec un champ électrique proche d'un noyau. II. CARACTÉRISTIQUES Un bon détecteur nucléaire, doit avoir 4 caractéristiques: 1. la résolution en énergie 2. l'efficacité de détection 3. le temps mort 4. le mode de fonctionnement  1) LA RÉSOLUTION EN ÉNERGIE = mesure en % de la capacité du détecteur à distinguer des radiations de différentes énergies. Elle équivaut à la largeur à mi-hauteur (FWHM) du pic d'énergie d'un rayonnement mesuré, par rapport à l'énergie de ce pic. Cette largeur à mi-hauteur devrait être la plus étroite possible, pour un détecteur idéal, assurant alors une bonne résolution en énergie et donc une meilleure qualité d’image. - On prend la position centrale du pic (Ex. 100) (Ex. 150) - On la mesure de manière reproductible en prenant la largeur à mis hauteur (Full Width at Half Maximum), donnant deux positionnement de pic en x (Ex. 98-110) (Ex. 140-170) - La largeur est la soustraction des deux positionnements en x (Ex. 98-110 = 12/100 x 100% = 12%) (Ex. 170-140 = 30/150 x 100% = 20%) - La résolution en énergie du détecteur est donc la soustraction des deux pic de largeur à mi-hauteur divisé par la position centrale du pic x 100 (en pourcentage). Dans l’exemple 98-110, La résolution en énergie du détecteur représente 12% du positionnement du pic. *Attention, dans un vrai détecteur, il se peut que le pic soit asymétrique. Le détecteur de germanium a une résolution en énergie de 0,15% et fonctionne à -160° et le détecteur NaI à une résolution moins bonne (8%) mais fonctionne à température ambiante.  2) L’EFFICACITÉ DE LA DÉTECTION = rapport entre le nombre de particules détectées et le nombre total de particules émises par une source. Ce coefficient peut varier en fonction de plusieurs facteurs, y compris l'angle solide et le type de rayonnements. L’efficacité de détection pour une source qui émet des rx à besoin d’un détecteur assez grand pour détecter tous les rayons voir un détecteur modulable pour être au plus proche de la source. Plus on est proche de la source, mieux c’est, Plus on est loin plus il faut un grand détecteur. certain rayonnement passe sans être détecté ou d’autre son détecté et son dévié (effet compton). Le meilleur détecteur est celui qui va tout mesurer. ❖ L’angle solide: L'efficacité dépend en partie de l'angle solide sous lequel le détecteur reçoit les radiations. L'angle solide est une mesure de la capacité d'un détecteur à capter des particules provenant d'une source qui émet dans toutes les directions (=isotrope). ➔ En médecine nucléaire, il existe un détecteur en forme de U appelé chambre à puis, on y place une seringue radioactive et les rayonnements émis y seront mesurés, il y aura un angle de perte qui ne détecte rien. ➔ Il faut toujours placer la seringue le plus loin possible dans la chambre à puits pour être sûr de ne perdre le moins d’information possible. ➔ Le type de seringue est important: une petite est simple d’utilisation, une plus grande à une détection plus importante, il faut donc garder la même seringue pour tout puisement. ❖ L’Efficience de détection: indique la proportion de particules qui sont effectivement détectées par rapport à celles qui sont émises Coefficient compris entre 0 < et < 1. Proche de 1, cela montrera qu’il est très efficace (Ex. si la source en émet 100 et que j’en mesure 99 = très efficace). l’efficacité intrinsèque (Dia 9 - formule): = Combien d'événement enregistré dans le détecteur par rapport à combien d'événement qui atteignent le détecteur. L’efficacité absolue: = Combien d'événements enregistrés dans le détecteur par rapport à combien émis par la source au total.  3) LE TEMPS MORT = temps fini requis par le détecteur pour analyser un événement. Si le temps d'événement est trop proche de l’analyse du prochain événement, l’analyse se déforme. ➔ Détecteur paralysable, prend en charge tous les événements qui se déforme et sature. ➔ Détecteur non paralysable: en fonction d’un certain temps ne prend pas tous les événements mais ne les modifie pas. Ce temps peut varier de quelques picosecondes (ps) à quelques nanosecondes (ns) pour le dépôt d'énergie, tandis que l'information délivrée par le détecteur peut prendre beaucoup plus de temps pour survenir, allant de quelques nanosecondes (pour les semi-conducteurs) à quelques millisecondes (pour les détecteurs à gaz). Il est également important de noter que le temps mort est lié au nombre de signaux reçus par seconde. Le temps mort est un paramètre qui affecte la capacité d'un détecteur à mesurer des événements de manière efficace et précise. 4) MODE DE FONCTIONNEMENT Le mode de fonctionnement d’un détecteur peut être classé en deux catégories: le mode courant et le mode impulsion. Mode courant: ampèremètre qui mesure un courant total sur une période et compte le nombre d'électron qui passe, et note s’il sont radioactif ou non. Mode impulsion: voltmètre et une cellule RC (résistance-capacité), analyse chaque signal électrique provenant du détecteur pour en extraire des informations précises sur chaque impulsion avec le nombre d'électrons et le type de radiations détectées, tout en évitant les fluctuations trop rapides. Forme d'impulsion dans la cellule RC (mesure plus en profondeur la radioactivité) en fonction de la capacité et de la résistance, il va y avoir une forme de décroissance du nbr d'électron qui passe dans la cellule et la forme utilisée.  A) Le bruit de fond = signaux reçus en l’absence de source de radiation. C’est la mesure de base des radiations ambiantes naturelles ou indésirables qui peuvent influencer les résultats de mesure de la radioactivité. Pour distinguer la radioactivité d'une source spécifique, il est nécessaire de connaître ce bruit de fond. En allumant le détecteur à l'extérieur du local, on peut d'abord évaluer le niveau de bruit de fond sans l'influence de la source de rayonnement soupçonnée. Cela permet d'établir une base de référence pour les mesures réalisées dans le local. Le bruit de fond suit une distribution statistique de la loi normale, ce qui signifie que les variations autour de la moyenne (ici, la mesure du rayonnement) peuvent être modélisées par des écarts types. ➔ Si on a une détection de 100 gamma par seconde, l'écart type est calculé comme la racine carrée du nombre de comptages, donc ici, racine de 100, ce qui donne 10. Cela signifie que les variations que l'on peut observer autour de cette moyenne de 100 gamma par seconde seront comprises entre 90 (100 - 10) et 110 (100 + 10) dans un intervalle de temps donné (ici, 10 secondes). Cela signifie qu'en faisant des mesures sur une période de 10 secondes, on peut s'attendre à voir des valeurs fluctuantes autour de 100, ce qui peut aider à déterminer si des niveaux de radioactivité additionnels (au-dessus du bruit de fond) sont présents. Si, par exemple, une mesure de 115 gamma par seconde est enregistrée, cela pourrait indiquer une source de radioactivité, car cela dépasse la fluctuation normale due au bruit de fond. III. INFLUENCE DE L'ENVIRONNEMENT Grand détecteur : mesurer le pic photoélectrique moyen détecteur : va mesurer le pic photoélectrique mais aussi quelques rayons gamma qui s'échappent du détecteur dû à l’effet Compton. petit détecteur = un petit pic de photoélectrique et un plus grand effet Compton, effet de moins en moins efficaces, Plus on est proche de la source mieux c’est, Pour être sûr de bien mesurer la radioactivité d’une seringue, on met un blindage en plomb autour de la chambre à puits pour être sûr que rien ne sort. IV. DÉTECTEUR SOLIDE En médecine nucléaire, les gammacaméra qui analyse la radiocartivté du patient comporte un cristal de détection, qui est un détecteur solide. La radiation émise arrive au détecteur et traverse jusqu’à l'électronique. Le cristal de détection (NaI) et voit es atomes, les électrons et va leur donnr de l’enegreie, les ecetlton change d’nrj et en changaeeant il vont émettre une rayonnement UV, proche du visible d'où la scintigraphie car le rayonnement scintille.  1) DÉTECTEUR À SCINTILLATION Le scintillateur NaI = iodure de sodium dopé au thallium, il détecte des rayonnements ionisants en convertissant l’énergie des photons en signaux mesurables. 1. Structure et fonctionnement: - Le NaI est un cristal qui nécessite une certaine pureté pour fonctionner correctement. Pour cela, il est dopé avec du thallium à une concentration d'environ un atome de thallium pour 1000 atomes de sodium et d'iode. Ce dopage est essentiel pour créer des niveaux d'énergie supplémentaires dans le cristal, permettant ainsi la détection des photons gamma. - Lorsqu'un rayonnement ionisant (rx) interagit avec le cristal, il excite un électron de valence, le faisant passer de la bande de valence à la bande de conduction. Cet électron peut alors se déplacer et être mesuré. 2. Conversion de l'énergie : - Le scintillateur transforme l'énergie des rayonnements en lumière visible (rayonnement UV), qui est ensuite détectée par une photocathode. Ce processus permet de convertir la lumière en un signal électrique. - Les électrons générés sont ensuite multipliés dans un photomultiplicateur, où chaque électron généré par la photocathode peut provoquer plusieurs électrons supplémentaires, augmentant ainsi le signal final et forment une image. 3. Conditions de fonctionnement: - Le détecteur est hygroscopique (il doit être protégé de l'humidité pour maintenir ses performances) , Il est donc crucial de maintenir le détecteur NaI dans des conditions adéquates : un taux d'humidité contrôlé, une température ambiante entre 18° et 25°, et des variations de température ne dépassant pas 3° par heure. De plus, les coupures de courant de plus d’une heure doivent être évitées, car elles doublent le temps de stabilisation. 4. Protection et optimisation: - Pour garantir un fonctionnement optimal, le scintillateur doit être bien associé au photomultiplicateur à l'aide de graisse optique pour éviter les pertes d'information dues à la réfraction de la lumière. - L'ajout de collimateurs en plomb et d’une grille plombée devant le détecteur permet de diriger les rayons gamma vers le détecteur, optimisant ainsi la collecte des données. 5. Coûts et performances - Les détecteurs NaI peuvent être coûteux, mais leur performance est déterminée par leur capacité à détecter des électrons en fonction de l'énergie des rayonnements. Cela permet de choisir le détecteur le plus efficace selon les besoins spécifiques. Le Détecteur NaI: détecteur à scintillation utilisé pour la détection des radiations ionisantes. ➔ Le détecteur NaI fonctionne en transformant l'énergie des radiations ionisantes en énergie lumineuse (scintillation), qui est ensuite convertie en signal électrique par un photomultiplicateur. Ce processus permet de mesurer l'énergie des photons incident et, par conséquent, d'identifier les radiations. ➔ Le NaI est connu pour avoir une bonne efficacité de détection, pour les rayons gamma et X. ➔ La résolution en énergie du NaI est d'environ 8%, ce qui est relativement bon, bien que inférieur à celle des détecteurs en germanium. ➔ Il est utilisé dans des applications telles que la radioprotection, la médecine nucléaire et la recherche en physique. ➔ Le scintillateur NaI peut être dopé avec du thallium (NaI(Tl)), ce qui améliore encore ses propriétés de scintillation. ➔ Le détecteur NaI est utilisé pour la mesure de l'activité gamma dans divers domaines, y compris la géologie, le contrôle environnemental et la santé. Détecteur film badge: dosimètre qui se noircit en fonction de la dose de rayonnement reçue, il fonctionne sans batterie. Il permet de mesurer l’exposition aux rayonnements gamma, x, ou bêta en fonction de l’absorption des rayonnements, plus le rayonnement est absorbé, moins il est intense à la sortie. Port du dosimètre, la région du thorax est la plus irradié après la main, les cuisses et les pieds, les électrons sont piégés et non analysés pendant un mois. Le Film badge légal: Les électrons générés dans le film badge peuvent être piégés et non analysés pendant un mois. Le film badge est conçu pour piéger ces électrons et les analyser grâce à l'électronique intégrée.  2) FILM DOSIMÉTRIQUE = sont utilisés pour mesurer les doses de rayonnement ionisant. 1. Fonctionnement: Les films dosimétriques sont placés dans un boîtier de plastique et sont souvent dotés de deux épaisseurs de plastique ainsi que d'écrans de différentes matières pour identifier le type de rayonnement et son intensité. 2. Mesure des doses: Ils permettent de mesurer des doses allant de moins de 0,1 mSv jusqu'à 18 Sv, selon le type d'émulsion utilisée. 3. Développement et lecture: Après exposition, les films sont révélés et leur noircissement est évalué à l'aide d'un densitomètre. Cela permet de calculer la dose de rayonnement reçue. 4. Caractéristiques: Le film est recouvert de deux émulsions, une rapide et une lente, permettant de mesurer une large gamme de doses. Si la dose enregistrée dépasse 40 mSv, une opération de "décapage" est nécessaire pour éliminer l'émulsion rapide et ne conserver que l'émulsion lente pour un calcul plus précis. V. DÉTECTEUR GAZEUX = Mesure l'exposition aux radiations, en particulier dans les environnements de travail où les personnes peuvent être exposées à des niveaux élevés de radiation. Dans une chambre d'ionisation fermée, un gaz est ionisé par le passage de particules ionisantes, créant des paires d'électrons et d'ions. Ces charges sont ensuite collectées aux anodes et cathodes, générant un courant électrique proportionnel à l'ionisation produite par la radiation. Le changement de potentiel électrique dans la chambre est mesuré, ce qui donne une indication de la dose de radiation. 1) CHAMBRE D’IONISATION = détecteur à gaz utilisé pour mesurer les radiations ionisantes en transformant l'énergie des radiations en charges électriques, permettant ainsi de quantifier la dose de radiation reçue. La chambre d'ionisation peut fonctionner dans 5 zones : Zone I : Recombinaison, où les ions se recombinent. Zone II: Collecte primaire totale, où toutes les charges créées sont collectées, mais cela peut être lent. Zone III : Amplification proportionnelle, où un effet d'avalanche se produit, produisant un grand signal Zone IV:Compteur Geiger-Müller, où une avalanche importante se produit, mais la proportionnalité est perdue. Zone V : Chambre à étincelles, où le gaz est proche du "claquage". Plus on augmente la tension moins il y aura de recombinaison REVOIR TOUS LES CHAPITRES JUSQU’AU DÉTECTEUR REVOIR: - LA DOSE ET UNITÉ EN RADIOPROTECTION: - DOSE ABSORBÉE - ÉNERGie / mass > GRAY - DOSE ÉQUIVALENTE - Dose absorbée X Wr > SV - DOSE EFFICACE - Dose équivalente X Wt > SV