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• Publié par: esed.hb
• Publié le: 17 juin 2016
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• Langue: Français
• Poids de l'ouvrage: 4 Mo

Extrait

A identique • des isotopes => Z identique • des isotones => N identique noyau 12 * 2260 26m Ex." />

Licence Pro Métrologie et Qualité de la Mesure

CAPTEURS DE RAYONNEMENTS NUCLEAIRES

Métrologie - Physique

1

CAPTEURS DE RAYONNEMENTS NUCLEAIRES

PLAN DU COURS

I - Les rayonnements "nucléaires" 1 - Notions de physique nucléaire 2 - Interactions des photons gamma avec la matière 3 - Pertes en énergie des particules chargées II - Les détecteurs à gaz 1 - Les chambres d’ionisation 2 - Les compteurs proportionnel 3 - Les compteurs Geiger-Mueller III - Les scintillateurs 1 - Principe 2 - Les scintillateurs organiques 3 - Les scintillateurs inorganiques 4 - Les photomultiplicateurs IV - Les détecteurs à semi-conducteur 1 - Principe 2 - Les détecteurs V - Acquisition et analyseurs multi-canaux 1 - La chaîne d’acquisition 2 - L’analyseur multi-canaux VI - Mesures 1 - Le bruit de fond 2 - La statistique de comptage VII - Applications 1 - Mesures de flux 2 - Imagerie X et gamma 3 - Notions de radioprotection

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I - Les rayonnements "nucléaires"

1 - Notions de Physique nucléaire

A - Le noyau de l’atome

a - Notation et définition - X : symbole de l’élément - A : nombre de masse (A = Z + N) - Z : numéro atomique - N : nombre de neutrons - e = {gs, *, m, …} ; état du noyau - Deux éléments sont : • des isobares => A identique • des isotopes => Z identique • des isotones => N identique

noyau

12 * 22 60 26m Ex. C , Na, Co, Al

b - Energie de masse et masse atomique 2 2 2 M A N M c - Z M c + B(A,Z) avec B(A,Z) l’énergie de liaisonc = X 1H n Unités de masse atomique : M = 12 u = 12 g/mole 12C A N Nombre d’atomes X dans une masse m : n = m /M A A A A X XAX X Masse molaire d’un élément naturel : M = ∑ a M A X A A X 10 11 BEx. Bore, 19.8% B et 80.2% a : abondance isotopique A

neutron

proton

3

B - La radioactivité

a - Vallée de la stabilité

noyaux + riches en neutrons

noyaux + riches en protons

2  Mc

Noyau instable (T petit) 1/2 A constant

Z Noyau stable (T grand) 1/2 T : période de demi-vie de l’élément 1/2

4

- b - Les décroissances radioactivesb

• Elle concerne les noyaux qui ont trop de neutrons. A l’intérieur de ces noyaux, un neutron se transforme en proton en émettant un électron - (particuleb) et un anti-neutrino.

• L’énergie cinétique de l’électron émis est de l’ordre de la centaine de keV à quelques MeV.

-19 Rappel : 1 eV = 1,6 x 10 J. • Après cette transformation (décroissance radioactive), le noyau se retrouve quelquefois dans un état excité. Il se désexcite en émettant un ou 60 plusieurs photons (voir ex. décroissance du Co).

• L’énergie de ces photons est dans le domaine 10 keV - 10 MeV. Ce sont des photons gamma.

60 Co

0.12%

2 E = Mc

99.88% E = 2505.7 keV 2

g 2

E = 1332.5 keV 1

g 1 E = 0 keV 0 60 Ni

60 Ex. Co  => Energie des photons :  Eg= 1332.5 keV 1  Eg= 2505.7 - 1332.5 = 1173.2 keV 2  => Intensité relative des raies (par décroissance)  Ig= 99.88 + 0.12 = 100% 1  Ig= 99.88% 2

5

+ c - Les décroissances radioactivesb

• Elle concerne les noyaux qui ont trop de protons. A l’intérieur de ces noyaux, un proton se transforme en + neutron en émettant un positron (particuleb) et un neutrino.

• L’énergie cinétique du positron émis est de l’ordre de la centaine de keV à quelques MeV.

- • Tout comme pour la décroissanceb, après une + décroissance radioactiveb, le noyau peut se retrouver quelquefois dans un état excité. Il se désexcite en émettant un ou plusieurs photons gamma.

• Le positron est l’anti-particule de l’électron, s’annihile avec celui-ci en émettant 2 photonsg :

+ - • e + eg+g

avec

2 E = m c = 511 keV ge

+ •Une sourcebémet des photons à 511 keV

il

g

E = 0 keV 0 26 Mg

+ e

26m Al

1

26 Al

00%

- e

2 E = Mc

6

g

d - La capture électronique

• Elle concerne les noyaux qui ont trop de protons. A l’intérieur de ces noyaux, un électron de l’atome interagit avec un proton du noyau pour produire un neutron et un neutrino.

• Ce mode de décroissance est parfois en + compétition avec la décroissanceb(Ex. 22 décroissance du Na)

• L’atome fils a perdu un électron ré-arrangement des couches électroniques  émission X

9.7%

E = 1274.5 keV 1

22 Na

90.2%

g 0.1% E = 0 keV 0 22 Ne 22 Ex. Na -> Eg= 1274.5 keV -> Ig= 99.9% -> I = 90.3% => Ig= 180.6% b+ 511keV -> I = 9.7% X

E

Electron Auger : Dans certains cas, l’énergie du photon X est cédée à un électron de la couche L ou M => E = E - E e-AugLer X 7

e - Autres décroissances

- Décroissancea:

Ce type de décroissance apparaît pour des noyaux trop lourds. Ces noyaux se dirigent vers la stabilité en émettant une particuleadont l’énergie cinétique est de quelques MeV.

N.B. la particuleaest le noyau de l’hélium.

241 Exemple : Am

Niveaux 0 1 2 3 4

E (keV) a 5544.5 5511.5 5485.6 5442.8 5388.2

- Décroissance par émission de p, de n…

I (%) 0.34 0.22 84.5 13.0 1.6

252 140 108 - Fission spontanée : Ex. Cf -> Xe + Ru + 4 n

E

E 4

E 3

E = 59 keV 2 E 1 E 0 237 Np

a 4

a 0

241 Am

241 Remarque : Am aussi utilisé comme source de photons à 59 keV

8

f - Taux de décroissances

- Variation du nombre de noyaux radioactifs :  avect: période ou vie moyenne l: constante de décroissance lN : activité (nombre de décroissances par seconde) unité becquerel (Bq)

-t/t-t/T 1/2 Equation différentielle du 1er ordreN(t) = N(0) e = N(0) 2  avec T la demi-vie du radioélément 1/2 T =tln(2) 1/2

- Activité :A(t) = - dN/dt = N(t)/t  C’est le taux de décroissances par seconde - Taux d’émission de particules i R = dN /dt = p A(t) i i i p: probabilité d’émission de i i

136 keV

14 keV 0 keV

11% 89%

57 Fe

57 Co (T = 271.79 j) 1/2

EC

9

2 - Interaction des photons gamma avec la matière

A - L’effet photoélectrique

• Le photon cède toute son énergie à un électron. A ces énergies, les photons interagissent principalement avec les électrons des couches internes (K, L).

• Un électron des couches supérieures vient combler le trou produit par l’éjection de l’électronémission d’unphoton X

E = E - E e-gLiaison

Processus dominant aux basses énergies

E < 200 keV g

10

B - Diffusion Compton

• Le photon cède une partie de son énergie à un électron (principalement) des couches externes de l’atome (considéré comme libre).

• Il s’agit d’une interaction élastique. A partir des lois de conservation de l’énergie et de la quantité de mouvement on montre :

• La probabilité de diffuser avec un certain angleqdépend de l’énergie des photons incidents. Les photons de haute énergie diffusent plutôt avec de faibles angles.

γ

γ’

Processus dominant aux énergies intermédiaires

La longueur du trait correspond à la probabilit 1 é 1 de diffusion suivant un angle θ