Les compteurs de rayonnements ionisants à gaz sont un détecteur et sont conçus pour enregistrer les rayonnements ionisants. Une décharge gazeuse est utilisée pour l’amplification. Cette classe de détecteurs a une sensibilité élevée et est donc capable de détecter des particules individuelles provenant du volume d'un compteur rempli de gaz. Selon le type de rejet de gaz, je distingue les compteurs de gaz suivants :

Proportionnel (basé sur le phénomène de rejet de gaz non auto-entretenu) ;

Compteurs Geiger-Muller (basés sur une décharge de gaz auto-entretenue).

Compteurs proportionnels

Les compteurs proportionnels appartiennent au groupe des détecteurs à décharge gazeuse. Ce nom leur a été donné parce que le signal électrique à la sortie du compteur est proportionnel en amplitude à l’énergie perdue par la particule détectée dans le volume de travail, à condition que le trajet de la particule s’y trouve entièrement. À l'aide d'un compteur proportionnel, vous pouvez mesurer le spectre énergétique des champs de rayonnements ionisants. Les compteurs proportionnels ne diffèrent structurellement pas des chambres d'ionisation cylindriques, mais leur remplissage en gaz (généralement 90 % d'argon et 10 % de méthane) et leur mode de fonctionnement sont différents. Un compteur proportionnel, contrairement à une chambre d'ionisation pulsée, fonctionne à une tension plus élevée sur les électrodes, c'est-à-dire dans la région de la caractéristique courant-tension dans laquelle les conditions se présentent près de la surface d'une électrode anodique mince pour le début de l'ionisation par impact secondaire. (L'ionisation par impact secondaire est un processus dans lequel les électrons formés à la suite de l'ionisation primaire sont eux-mêmes capables de produire une ionisation grâce à une énergie cinétique suffisante). Le compteur est souvent conçu selon une géométrie cylindrique coaxiale. L'anode est réalisée sous la forme d'un mince fil métallique (0,1 mm), tendu strictement le long de l'axe du corps cylindrique. Le volume du compteur est rempli de gaz inerte additionné de gaz polyatomiques. La pression du gaz est choisie proche de la pression atmosphérique ou légèrement supérieure. Une tension positive U 0 de plusieurs centaines de V par rapport à la cathode est appliquée à l'anode. Un champ électrique non uniforme apparaît dans le volume du compteur, dont l'intensité change à mesure qu'on s'approche de l'anode selon la loi 1/r, où r est la valeur actuelle du rayon dans le volume du compteur. La modification de l'intensité du champ provoque une accélération des électrons vers l'anode. Près de la surface de l'anode, les électrons sont accélérés à des énergies telles qu'ils acquièrent la capacité de produire une ionisation par impact secondaire du gaz de travail. Le processus de multiplication des ions lors de l'ionisation secondaire est limité à plusieurs générations, mais ne se transforme pas en une avalanche incontrôlable. La décharge s'arrête dès que l'ionisation primaire s'arrête. Une décharge gazeuse de ce type est dite non auto-entretenue, c'est-à-dire capable de s'arrêter sans influence supplémentaire sur elle. Considérons un graphique de la dépendance de l'amplitude de l'impulsion sur la tension sur le détecteur de gaz (Fig. 1).

1 – Zone de la chambre d’ionisation. À basse tension, le compteur proportionnel fonctionne comme une chambre d'ionisation : le courant ne dépend pas de la tension, mais sera déterminé par le nombre d'ions formés dans le volume de gaz. Ensuite, à mesure que la tension augmente, l'impulsion va augmenter en raison du phénomène d'ionisation par impact ;

2 – Surface proportionnelle. Le compteur proportionnel fonctionne de telle sorte que l'amplitude des impulsions soit proportionnelle à l'ionisation, en tenant compte de l'amplification du gaz ;

3 – Région de proportionnalité limitée. La région dans laquelle, avec une nouvelle augmentation de la tension, le gain de gaz* augmente en valeur absolue et dépend de l'ionisation initiale.

4 – Région Geiger. Dans cette région, chaque électron secondaire va provoquer une décharge dans le gaz, c'est-à-dire que dans cette région l'ampleur de l'impulsion ne dépend plus de l'ionisation initiale. Fonctionne comme un compteur Geiger-Muller.

Avec une nouvelle augmentation de la tension dans le gaz, on observera une augmentation de la décharge qui n'est pas associée à l'ionisation - une décharge spontanée. Dans ce cas, le compteur ne peut pas être utilisé car une panne se produit dans le gaz.

Facteur de gain de gaz

Si le nombre de paires d'ions créées par une particule détectée volant dans le corps de travail du compteur est égal à n, alors le nombre de paires d'ions créées par ionisation par impact secondaire sera égal à K ⋅ n. La valeur de K est appelée coefficient de gain de gaz. Vous pouvez déterminer le coefficient de gain de gaz grâce au nombre de paires d'ions présentes dans le volume du compteur lors de la formation du signal : K = n/n 0, où n 0 est le nombre de paires d'ions créées par la particule ionisante ; n est le nombre total de paires d'ions.

Efficacité de la détection

L'efficacité de détection est le rapport, exprimé en pourcentage, entre le nombre de particules détectées et le nombre de toutes les particules entrant dans le volume de travail du détecteur. Cela dépend du matériau des parois du détecteur, de leur épaisseur et de l'énergie du rayonnement.

Application de compteurs proportionnels

Le champ d'application des compteurs proportionnels est assez étendu et est déterminé par leurs propriétés. L'efficacité de leur détection des particules alpha, des fragments de fission, des protons et des rayonnements gamma et X doux (avec des énergies allant jusqu'à 10 à 20 keV) est proche de 100 %. Pour de telles mesures (notamment pour les mesures de particules chargées), on utilise des capteurs dotés de fenêtres en mica mince ou en films organiques. Parfois, la source de rayonnement est placée à l’intérieur du volume. Les compteurs proportionnels sont activement utilisés pour examiner les surfaces à la recherche de contamination, y compris les systèmes de surveillance de la contamination de la surface du corps, des vêtements, des chaussures, etc. Pour enregistrer les neutrons, des compteurs proportionnels sont remplis de 3 He ou 10 BF 3 .

L'utilisation de compteurs proportionnels pour la spectrométrie est limitée. Dans la plupart des cas, les systèmes basés sur ceux-ci sont inférieurs à ceux à semi-conducteurs et à scintillation. Cependant, leur fiabilité et leur simplicité permettent de les utiliser, si une résolution à haute énergie n'est pas requise, pour des travaux dans la région d'énergie de ~ 0,2 keV, où un détecteur à semi-conducteur n'est pas applicable. Comparés à un détecteur à scintillation, les compteurs proportionnels ont une meilleure résolution énergétique, un bruit plus faible et sont insensibles aux champs magnétiques.

Analysons d'abord le comportement des tubes à décharge remplis de gaz, qui sont schématisés sur la figure. 6.4. Que se passe-t-il si vous augmentez la tension entre le fil central et le boîtier de la caméra ? Le signal de sortie varie en fonction de la tension appliquée (Fig. 6.5). Le graphique montre le signal de sortie de l'appareil lorsqu'un électron et une particule le traversent. Dans ce cas, différentes sections des courbes reflètent ce qui suit :

Riz. 6.4. Détecteur rempli de gaz et dispositif pour enregistrer les impulsions de courant provenant de particules ionisantes traversant un volume de gaz.

Riz. 6.5. L'impulsion de sortie du détecteur rempli de gaz illustré à la Fig. 6.4, en fonction de la tension La ligne horizontale pointillée est le niveau de discrimination pour un compteur Geiger-Müller. Les deux courbes sont la réponse à un électron rapide et à un noyau d'hélium. Les plages sont décrites dans le texte.

Riz. 6.6. Le principe d'un compteur proportionnel utilisé en astronomie aux rayons X.

A. Il y a une recombinaison importante, de sorte que tous les électrons libres résultant du passage d'une particule chargée n'atteignent pas l'anode.

B. La tension a atteint une amplitude suffisante pour que la recombinaison devienne négligeable.

C. Il s’agit d’un domaine très important. À de telles tensions, les électrons libres qui s’approchent suffisamment de l’anode acquièrent une énergie suffisante pour former de nouvelles paires électron-ion. Cela peut conduire à une très forte augmentation de l'amplitude de l'impulsion de tension en sortie, qui est ensuite enregistrée par le circuit électronique du compteur. En pratique, ils essaient de fournir une tension la plus élevée possible à ces appareils. Il est augmenté jusqu'à ce que la linéarité du signal de sortie du compteur soit maintenue, c'est-à-dire Cependant, le nombre total de paires électron-ion secondaires est proportionnel au nombre de paires électron-ion formées lors du passage d’une particule cosmique. Cette section est appelée région proportionnelle et les appareils fonctionnant dans ce mode sont appelés compteurs proportionnels.

D. La proportionnalité disparaît.

E. Aux tensions les plus élevées, toute particule produisant une ionisation, même minime, produira une impulsion de grande amplitude à la sortie. Dans ce cas, l'appareil fonctionne en mode saturation.

Les compteurs proportionnels sont bien en avance sur tous ces appareils en termes d'importance. Certes, en raison de leur petite taille par rapport aux gammes de particules énergétiques, ils sont rarement utilisés pour détecter des particules chargées (même si, bien sûr, ils se déclenchent lorsqu'une particule de rayon cosmique traverse leur volume sensible). Ils sont principalement utilisés comme détecteurs de rayons X dans le domaine énergétique. C'est à l'aide de tels détecteurs que la plupart des découvertes majeures récentes en astronomie des rayons X ont été réalisées (voir ci-dessous). Examinons plus en détail la conception, la sensibilité et la réponse en fréquence des détecteurs installés sur les satellites et les fusées (Fig. 6.6). Un photon à rayons X pénètre dans l'entrée

fenêtre dans le volume à l'intérieur du boîtier et est absorbée en raison de l'effet photoélectrique dans le gaz, éliminant le photoélectron. Un atome excité revient à l’état fondamental en émettant un quantum de rayons X fluorescent ou en émettant un électron Auger. Le photoélectron a suffisamment d’énergie pour ioniser d’autres atomes du gaz, de sorte qu’à terme, comme dans le cas des pertes par ionisation, une paire électron-ion se forme pour chaque énergie du photon X incident. Ces paires dérivent vers une zone de forte intensité, où le nombre de paires augmente d'un facteur 10, après quoi un signal est enregistré. Ce gain est suffisant pour produire un signal détectable par un circuit électronique.

Considérons la fonction énergétique de la réponse du détecteur. La probabilité d'absorption d'un photon d'énergie Ni dans le contre-gaz est

où sont respectivement les coefficients d'absorption, l'épaisseur de la fenêtre et la profondeur de l'espace gazeux. Considérons le processus d'absorption sur les coquilles d'atomes de divers matériaux. Une courbe typique du coefficient d’absorption massique est présentée sur la Fig. 4.1. Entre les limites

Riz. 6.7. La probabilité d'absorption d'un photon de rayon X dans le volume de base d'un compteur proportionnel rempli d'argon sans tenir compte de l'absorption dans la fenêtre ; section transversale d'absorption photoélectrique, épaisseur de la couche de gaz.

Riz. 6.8. La probabilité d'absorption d'un photon de rayon X dans le volume de gaz d'un compteur proportionnel (Fig. 6.7) avec une fenêtre en matériau organique tel que le Mylar.

absorption, la section efficace d'absorption o est proportionnelle et donc un matériau avec un petit gaz est sélectionné pour la fenêtre d'entrée et le gaz - avec le maximum possible

Considérons maintenant en fonction de l'énergie un détecteur rempli d'argon et une fenêtre d'entrée en mylar (un plastique organique). Si seul l’argon était pris en compte, le signal de sortie aurait la forme montrée sur la Fig. 6.7. L'absorption dans la fenêtre affecte sa forme et cela ressemble à la Fig. 6.8. Nous constatons un saut à mesure que nous approchons de la colimite d'absorption du carbone, mais sinon, la sortie du détecteur est largement déterminée par le type de gaz et le matériau de la fenêtre d'entrée. Il est possible de produire un film Mylar aussi épais que peut atteindre l'épaisseur de la couche d'argon. Dans la production de tels dispositifs, bien sûr, des problèmes importants surviennent, par exemple les fuites de gaz, inévitables pour des fenêtres aussi fines. Pour travailler sur les satellites, il est nécessaire d'utiliser des fenêtres plus épaisses, ce qui limite la plage d'énergie de fonctionnement, car seuls les photons d'énergies plus élevées sont disponibles pour les observations. Parfois, les fenêtres sont constituées d'une feuille de béryllium. Pour fonctionner aux énergies les plus basses, des fenêtres très fines sont utilisées ; dans ce cas, un système de flux de gaz est nécessaire pour maintenir constante la pression du gaz dans le détecteur. La résolution énergétique peut être améliorée à l'aide de filtres et, bien sûr, comme le compteur est proportionnel, nous obtenons des informations sur l'énergie de chaque photon entrant à partir de l'amplitude du signal de sortie. La précision de la détermination de l'énergie des photons est limitée par les fluctuations statistiques du nombre d'électrons éjectés. Par exemple, à l'énergie des photons, même si l'efficacité du détecteur atteint 100 %, environ 300 paires électron-ion seront formées, et la précision statistique devrait être pire que celle d'un photon. au mieux 5%. Habituellement, c'est un peu pire.

Notez que les appareils sont remplis de gaz inertes, ce qui signifie que la majeure partie de l'énergie des photons est convertie en énergie cinétique des électrons. Si un gaz moléculaire était utilisé, alors une partie de son énergie serait redistribuée entre les niveaux correspondant aux degrés de liberté vibrationnels et rotationnels.

Dans les compteurs proportionnels, le nuage d'électrons est assez compact, il est donc possible de proposer une conception de dispositif qui permettrait de déterminer l'emplacement d'enregistrement de chaque quantum de rayons X. Cela se fait dans les détecteurs sensibles à la position. La position du point où le nuage d'électrons atteint l'anode peut être mesurée par le rapport des charges retirées de chaque extrémité du fil, puisque la charge, se propageant le long du fil dans des directions opposées, est répartie inversement proportionnelle à la longueur. du segment depuis le point de collecte jusqu'à l'extrémité du fil. Pour déterminer la deuxième coordonnée du site d'enregistrement, des anodes multifils peuvent être utilisées, et le fil le long duquel la charge circule donne la coordonnée dans la direction orthogonale à l'anode. Un autre schéma consiste à installer deux plans de fils d'anode et de cathode mutuellement perpendiculaires le long desquels chaque événement est localisé.

Cette modification est particulièrement importante pour les télescopes à rayons X, qui focalisent les rayons X dans le plan focal et enregistrent une image bidimensionnelle du ciel radiologique.

1.3 Compteur proportionnel

Compteur proportionnel, un dispositif à décharge gazeuse pour enregistrer les rayonnements ionisants, créant un signal dont l'amplitude est proportionnelle à l'énergie de la particule détectée perdue dans son volume lors de l'ionisation.

L'inconvénient de la chambre d'ionisation réside dans les courants très faibles. Cet inconvénient de la chambre d'ionisation est surmonté dans les détecteurs d'ionisation à amplification de gaz, qui permettent d'enregistrer des particules avec de l'énergie<10 кэВ, в то время как сигналы от частиц таких энергий в ионизационных камерах «тонут» в шумах усилителя.

Le fonctionnement d'un compteur proportionnel repose sur le phénomène d'amplification des gaz.

L'amplification du gaz est une augmentation du nombre de charges libres dans le volume du détecteur en raison du fait que les électrons primaires, se dirigeant vers l'anode dans des champs électriques élevés, acquièrent une énergie suffisante pour ioniser par impact les atomes neutres du milieu de travail du détecteur. . Les nouveaux électrons qui apparaissent dans ce cas parviennent à leur tour à acquérir une énergie suffisante pour l'ionisation par impact. Ainsi, une avalanche d’électrons croissante se déplacera vers l’anode. Cette « auto-amplification » du courant électronique (gain de gaz) peut atteindre 103 -104. Ce mode de fonctionnement correspond compteur proportionnel (chambre). Le nom reflète le fait que dans cet appareil l'amplitude de l'impulsion de courant (ou la charge totale collectée) reste proportionnelle à l'énergie dépensée par la particule chargée pour l'ionisation primaire du milieu détecteur. Ainsi, le compteur proportionnel est capable de remplir les fonctions d'un spectromètre, à la manière d'une chambre d'ionisation. La résolution énergétique des compteurs proportionnels est meilleure que celle des compteurs à scintillation, mais moins bonne que celle des compteurs à semi-conducteurs.

Une particule chargée, traversant le gaz qui remplit le compteur proportionnel, crée sur son trajet des paires ion-électron dont le nombre dépend de l'énergie perdue par la particule dans le gaz. Lorsqu'une particule est complètement décélérée dans un compteur proportionnel, l'impulsion est proportionnelle à l'énergie de la particule. Comme dans la chambre d'ionisation, sous l'influence d'un champ électrique, les électrons se déplacent vers l'anode, les ions se déplacent vers la cathode. Contrairement à la chambre d'ionisation, près de l'anode du compteur proportionnel, le champ est si fort que les électrons acquièrent une énergie suffisante pour l'ionisation secondaire. En conséquence, au lieu de chaque électron primaire, une avalanche d'électrons arrive à l'anode et le nombre total d'électrons collectés à l'anode du compteur proportionnel est plusieurs fois supérieur au nombre d'électrons primaires. Attitude complète

le nombre d'électrons collectés par rapport au nombre d'origine est appelé coefficient de gain de gaz (les ions participent également à la formation de l'impulsion).

Riz. 14. Caractéristique de comptage d'un compteur proportionnel obtenu avec une source combinée de particules β et α.

Le rapport du nombre d'ions n formés à la suite de l'amplification du gaz au nombre initial d'ions n0,

formé par une particule est appelé coefficient d'amplification du gaz M

10 ≤ M ≤ 10 000. Le coefficient M est choisi en fonction de l'énergie des particules, du type de travail (énergie de comptage ou de mesure) et du rapport signal/bruit optimal. Lors de la mesure de l'énergie, ils essaient de prendre la valeur M aussi petite que possible, car dans ce cas, la tension sur le compteur correspond à une partie plus plate de sa caractéristique courant-tension et une stabilité de tension trop élevée de la source d'alimentation n'est pas requise. Lors du comptage de particules, une stabilité à haute tension n'est pas nécessaire et des valeurs élevées de M peuvent être utilisées, y compris la région de proportionnalité limitée.

L'amélioration des gaz se produit à tout moment

géométrie des électrodes, cependant, des compteurs proportionnels cylindriques, qui se caractérisent par

faibles tensions de fonctionnement, larges possibilités d'application et compacité.

Riz. 15. Schéma d'un compteur proportionnel en coupes longitudinales (a) et transversales (b) (le compteur Geiger et la chambre d'ionisation cylindrique sont construits de la même manière) : 1 - filament d'anode, 2 -

cathode cylindrique, 3 – isolant, 4 – trajectoire d'une particule chargée, 5 – avalanche d'électrons. Les électrons et les ions créés par la particule à la suite de l'ionisation primaire des atomes de gaz rares sont représentés respectivement par des cercles sombres et blancs.

Structurellement, un compteur proportionnel est généralement réalisé sous la forme d'un condensateur cylindrique avec une anode sous la forme d'un mince fil métallique le long de l'axe du cylindre, qui fournit une intensité de champ électrique à proximité de l'anode qui est nettement plus élevée que dans le reste. de la zone du détecteur. Avec une différence de potentiel entre l'anode et la cathode de 1 000 volts, l'intensité du champ à proximité du filament anodique peut atteindre 40 000 volts/cm, tandis qu'à la cathode elle est égale à des centaines de volts/cm. Le diamètre du fil (tungstène ou acier) est choisi dans la plage de 0,05 à 0,3 mm. La surface du fil est polie, car une légère rugosité de surface déforme considérablement le champ électrique à proximité de l'électrode collectrice.

Riz. 16. Conception d'un compteur proportionnel cylindrique : 1 – électrode collectrice ; 2 – anneau de sécurité ; 3 – isolant ; 4 – corps.

L'amplification gazeuse s'effectue à proximité de l'anode à une distance comparable au diamètre du filament, et le reste du trajet les électrons dérivent sous l'influence du champ sans « reproduction ». Le compteur proportionnel est rempli de gaz inertes (le gaz de travail ne doit pas absorber les électrons à la dérive) avec l'ajout d'une petite quantité de gaz polyatomiques qui absorbent les photons générés lors des avalanches. La pression du gaz varie considérablement - de 50 à 760 mm Hg. Art.

Le cuivre, le laiton, l'aluminium et d'autres matériaux conviennent au corps du compteur. L'épaisseur minimale de paroi δ 0,05 mm est limitée par la résistance des matériaux et l'état d'étanchéité du volume de travail. Le corps du compteur, rempli de gaz sous basse pression, doit résister à la pression atmosphérique extérieure.

Riz. 17. Conception d'un compteur 4π pour mesurer le β absolu -

activité : 1 – diaphragme ; 2 – détenteur de source ; 3 – joint en caoutchouc ; 4 – électrode collectrice.

L'activité β absolue des sources est mesurée par des compteurs 4π (Fig. 17), qui sont des compteurs proportionnels hémisphériques appariés. A l'intérieur de chaque hémisphère sur une feuille située symétriquement par rapport aux pions. Il émet des particules β dans un angle solide de 4π. Presque toutes les particules β émises sont enregistrées par le compteur et son taux de comptage est approximativement égal à l'activité de la source. Lors de la détermination de l'activité avec un compteur 4π, des corrections sont introduites pour l'absorption des particules β dans la feuille et la couche de substance active. En plus des compteurs sphériques, d'autres formes de compteurs 4π sont également utilisées. Les cathodes des compteurs 4π peuvent être rectangulaires ou semi-cylindriques.

Figure 18. Schéma de circuit pour connecter un compteur proportionnel.

Caractéristiques typiques d'un compteur proportionnel : gain de gaz ~ 103 -104 (mais peut atteindre 106 ou plus) ; amplitude d'impulsion ~ 10-2 V avec une capacité de compteur proportionnelle c. environ 20 pf ; Le développement de l'avalanche se produit dans un temps de ~ 10-9 - 10-8 secondes, cependant, le moment où le signal apparaît à la sortie du compteur dépend de

le lieu du passage de la particule ionisante, c'est-à-dire depuis le moment de la dérive des électrons vers le filament. A un rayon de ~ 1 cm et une pression de ~ 1 atm, le temps de retard du signal par rapport au passage de la particule est de ~ 10-6 sec. En termes de résolution énergétique, un compteur proportionnel est supérieur à un compteur à scintillation, mais inférieur à un détecteur à semi-conducteur. Cependant, les compteurs proportionnels permettent de fonctionner dans la plage d'énergie< 1 кэВ , где полупроводниковые детекторы неприменимы.

Riz. 19. Schéma fonctionnel d'un compteur proportionnel : 1 –

compteur proportionnel; 2 – source de tension stabilisée haute tension ; 3 – amplificateur linéaire à large bande ; 3a – amplificateur déporté (cathode suiveuse) ; 4 – discriminateur d'amplitude ; 5 – dispositif de régulation ; 6 – oscilloscope à impulsions.

Si la différence de potentiel entre l'anode et la cathode augmente encore et que le coefficient de gain de gaz augmente jusqu'à des valeurs > 104, alors la proportionnalité entre l'énergie perdue par la particule dans le détecteur et l'amplitude de l'impulsion de courant commence à se rompre. vers le bas. L'appareil passe en mode proportionnalité limitée et ne peut plus être utilisé comme spectromètre, mais uniquement comme compteur de particules. La résolution temporelle du compteur proportionnel peut atteindre 10-7 s.

Le taux de comptage des impulsions à intensité de rayonnement et sensibilité du système constantes dépend de la tension sur les électrodes. Cette dépendance est appelée caractéristique de comptage. Dans la section de tension U>U 0, la caractéristique de comptage présente une section horizontale (plateau) dans laquelle la vitesse de comptage est constante. L'amplitude de l'impulsion de toutes les particules chargées sur le plateau est supérieure au seuil de sensibilité du circuit. Par conséquent, le circuit enregistre toutes les particules chargées entrant dans le compteur proportionnel.

Le plateau des compteurs proportionnels pour les particules α commence aux basses tensions. Une sortie brutale vers un plateau n'est observée que pour un faisceau parallèle de particules α monoénergétiques. Si les particules α se déplacent dans un gaz avec des énergies inégales dans des directions différentes, alors une approche en douceur vers un plateau se produit dans une région de tension plus élevée. Pour les particules β, un plateau est obtenu soit en utilisant des circuits très sensibles, soit en remplissant de gaz à une pression supérieure à 1 atm. C'est l'un des inconvénients des compteurs proportionnels, qui rend difficile leur utilisation pour la détection de particules β.

Le plateau est légèrement incliné par rapport à l’axe de contrainte. La pente du plateau (0,1%) s'explique par l'apparition de fausses décharges dans le gaz dues à l'ionisation primaire provenant de sources étrangères.

Un compteur proportionnel fonctionnant sur le plateau enregistre toutes les particules chargées. Dans la zone située sous le plateau, toutes les particules ne sont pas enregistrées par le compteur et son efficacité diminue. Par conséquent, le mode de fonctionnement le plus acceptable du compteur proportionnel se situe dans la région du plateau, où l'efficacité pour les particules chargées est proche de 100 %.

Les compteurs proportionnels sont utilisés pour enregistrer tous les types de rayonnements ionisants. Il existe des compteurs proportionnels pour enregistrer les particules α, les électrons, les fragments de fission nucléaire, etc., ainsi que pour les quanta de neutrons, de gamma et de rayons X. Dans ce dernier cas, les processus d'interaction des neutrons, des quanta de rayons γ et X avec le gaz remplissant le compteur sont utilisés, à la suite desquels des particules chargées secondaires se forment, enregistrées par un compteur proportionnel.

Le compteur proportionnel a joué un rôle important en physique nucléaire dans les années 30 et 40. 20e siècle, étant, avec la chambre d'ionisation, pratiquement le seul détecteur spectrométrique. Le compteur proportionnel renaît dans la physique des particules de haute énergie à la fin des années 60. sous la forme d'une chambre proportionnelle constituée d'un grand nombre (102 -103) de compteurs proportionnels situés dans un même plan et dans un même volume de gaz. Un tel dispositif permet non seulement de mesurer l'ionisation d'une particule dans chaque compteur individuel, mais également d'enregistrer l'emplacement de son passage. Paramètres typiques des chambres proportionnelles : distance entre les filaments d'anode adjacents ~ 1 - 2 mm,

la distance entre les plans anodique et cathodique est d'environ 1 cm ; temps de résolution ~ 10-7 sec.

Riz. 20. Circuit compteur proportionnel : a - région de dérive des électrons ; b - région de valorisation du gaz.

Le développement de la microélectronique et l'introduction des ordinateurs dans la technologie expérimentale ont permis de créer des systèmes constitués de dizaines de milliers de fils individuels connectés directement à un ordinateur, qui stocke et traite toutes les informations de la chambre proportionnelle. Il s’agit donc à la fois d’un spectromètre à grande vitesse et d’un détecteur de traces. Dans les années 70 une dérive est apparue

une chambre dans laquelle la dérive des électrons qui précède la formation d'une avalanche est utilisée pour mesurer l'emplacement du passage d'une particule. En alternant les anodes et les cathodes de compteurs proportionnels individuels dans le même plan et en mesurant le temps de dérive des électrons, il est possible de mesurer l'emplacement d'une particule traversant la chambre avec une grande précision (~ 0,1 mm) avec un nombre de fils 10 fois moins que dans la chambre proportionnelle. Les compteurs proportionnels sont utilisés non seulement en physique nucléaire, mais aussi en physique des rayons cosmiques, en astrophysique, en ingénierie, en médecine, en géologie, en archéologie, etc. Par exemple, à l'aide d'un compteur proportionnel installé sur Lunokhod-1, une analyse chimique élémentaire de la substance de la surface lunaire a été réalisée par fluorescence des rayons X.

L'utilisation de l'amplification de gaz dans les compteurs proportionnels permet d'augmenter significativement la sensibilité des mesures par rapport aux chambres d'ionisation, et la présence

la proportionnalité de l'amplification dans les compteurs permet de déterminer l'énergie des particules nucléaires et d'étudier leur nature, tout comme dans les chambres d'ionisation.

Les compteurs proportionnels sont utilisés pour enregistrer le nombre de particules ionisantes, déterminer leur énergie (mode impulsion), ainsi que pour mesurer les flux de rayonnement par courant moyen (mode intégral), à l'instar des chambres d'ionisation avec modes de fonctionnement correspondants.

Les compteurs proportionnels sont utilisés pour enregistrer les particules alpha, bêta, les protons, les quanta gamma et les neutrons. Les compteurs proportionnels sont le plus souvent remplis d'hélium ou d'argon. Lors de l'enregistrement de particules chargées et de quanta gamma, de fines fenêtres d'entrée sont utilisées pour éviter la perte d'énergie des particules avant l'enregistrement. Parfois la source est placée dans le volume du compteur. L'efficacité de détection des rayons gamma mous d'énergie inférieure à 20 keV est supérieure à 80 %. Pour augmenter l'efficacité de l'enregistrement de quanta gamma plus énergétiques, le xénon est utilisé.

Une condition nécessaire pour enregistrer une particule chargée ou un quantum γ est la création d'au moins une paire d'ions dans le volume de travail du compteur. Pour toute particule ionisante, la probabilité d’un tel événement est proche de un. Les quanta gamma ont un pouvoir de pénétration élevé et pour eux, la probabilité de formation d'un compteur d'électrons secondaire dans le gaz et, par conséquent, la probabilité d'enregistrement, est de petites fractions de l'unité.

Lorsqu'un quantum gamma traverse le volume de travail du compteur, il crée un électron secondaire en raison de l'effet photoélectrique et de l'effet de formation de paires. Cependant, pour les quanta gamma de faible énergie, seul l'effet photoélectrique est important (l'énergie seuil pour l'effet de formation de paires est de 1,01 MeV). La section efficace de l'effet photoélectrique augmente avec l'augmentation du numéro atomique de la substance comme Z 5 . Par conséquent, pour augmenter l'efficacité de l'enregistrement des photons, il est nécessaire de remplir le compteur avec un gaz avec un grand Z (krypton ou xénon).

Étant donné que les compteurs proportionnels sont principalement utilisés pour mesurer le rayonnement de faible énergie (de l'ordre de plusieurs dizaines de kiloélectronvolts), certaines exigences sont imposées au matériau de la fenêtre qui transmet le rayonnement dans le volume de travail du compteur. Le matériau de la fenêtre est sélectionné de telle sorte que son absorption pour la plage d'énergie étudiée soit minimale. Un compteur proportionnel typique est un détecteur doté d'une fenêtre en béryllium de 70 µm d'épaisseur, remplie d'un mélange gazeux de 90 % Xe + 10 % CH4 jusqu'à une pression totale P = 0,8 atm. Un tel compteur a une efficacité de près de 100 % avec une énergie quanta γ de 10 keV.

Lors de l'enregistrement des neutrons, les compteurs proportionnels sont remplis de gaz 3 He ou 10 BF3. Réactions utilisées

n + 3 He → 3 H + 1 H + 0,764 MeV

n + 10 B → 7 Li* + 4 He 7 Li + 4 He + (0,48 MeV) +2,3 MeV (93 %) n + 10 B → 7 Li + 4 He + 2,8 MeV (7 %).

La section efficace efficace de cette dernière réaction pour les neutrons thermiques est très grande.

Les neutrons sont détectés par des particules chargées résultant de ces réactions et provoquant une ionisation dans le compteur. La probabilité d'enregistrer des neutrons rapides est bien inférieure à celle des neutrons lents, et l'efficacité des compteurs de neutrons rapides ne dépasse pas une fraction de pour cent.

Le contenu de l'article

DÉTECTEURS DE PARTICULES, instruments pour enregistrer les particules atomiques et subatomiques. Pour qu’une particule soit détectée, elle doit interagir avec le matériau du détecteur. Les détecteurs les plus simples (« compteurs ») enregistrent uniquement le fait qu'une particule heurte le détecteur ; des plus complexes permettent également de déterminer le type de particule, son énergie, la direction de son mouvement, etc.

L'interaction avec le matériau du détecteur se résume le plus souvent au processus d'ionisation - l'élimination des électrons de certains atomes du matériau du détecteur, à la suite de quoi ils acquièrent une charge électrique. Soit l'ionisation elle-même, soit les phénomènes qui lui sont associés - l'émission de lumière, ainsi que les transformations de phase ou chimiques - sont enregistrés.

Interaction des particules avec la matière.

En traversant une substance, une particule entre en collision avec des atomes de cette substance. Le nombre de collisions dépend principalement de la charge électrique et de la vitesse de la particule. La masse de la particule et la nature de la substance elle-même ne jouent qu'un rôle secondaire. À chaque collision, il y a une chance que l’atome perde un électron et devienne un ion chargé positivement. Ainsi, une particule en mouvement dans une substance laisse derrière elle une traînée d’électrons et d’ions positifs. Ce processus, appelé ionisation, est schématisé sur la figure. 1. Par exemple, un proton très rapide (dont la vitesse est proche de la vitesse de la lumière) lorsqu'il se déplace dans l'eau laisse environ 70 000 paires d'électrons et d'ions positifs le long de chaque centimètre de son trajet. Simultanément à l'ionisation, les atomes en collision peuvent émettre de la lumière ou acquérir une impulsion, ce qui entraîne un échauffement de la substance et l'apparition de divers types de défauts. N'importe lequel de ces phénomènes peut être utilisé dans un détecteur de particules.

TYPES DE DÉTECTEURS

Appareils d'ionisation.

Le fonctionnement de la chambre d'ionisation repose sur la collecte (sous forme de courant électrique) d'ions formés lors du passage de particules chargées à travers la chambre. Le schéma de l'appareil est présenté sur la Fig. 2. Le courant électrique résultant de l’ionisation est donné par

je = nq/t,

Où n– nombre d'ions formés, q est la charge électrique de chaque ion, et t– le temps nécessaire pour collecter les ions. Le courant peut être converti en chute de tension en déchargeant un condensateur chargé par celui-ci ou en le faisant passer à travers une résistance. Le courant généré par une seule particule est généralement une fraction de microampère et la chute de tension est mesurée en millivolts. La perte d'énergie totale d'une particule lors de son passage à travers la chambre est donnée par la formule

E = nk,

Où n est le nombre d'ions formés, qui peut être déterminé par la chute de courant ou de tension dans la chambre, et k– l'énergie moyenne nécessaire pour former une paire d'ions. Ordre de grandeur k pour les gaz ordinaires est d'environ 30 eV (1 eV est l'énergie qu'un électron acquiert lorsqu'il traverse une différence de potentiel accélératrice de 1 V.) La formation de paires d'ions est un processus aléatoire, et donc des fluctuations du nombre n commande . Toutes les quantités mesurées basées sur les relevés de compteurs présenteront également des fluctuations, et donc la précision de ces mesures augmente à mesure que leur durée augmente.

La principale exigence concernant la substance sensible des dispositifs d'ionisation est que les ions créés par le rayonnement soient susceptibles d'atteindre les électrodes collectrices. De plus, cette substance doit avoir une résistivité élevée pour qu'elle ne contienne aucun courant autre que ceux associés à l'ionisation. Les gaz, notamment les gaz inertes tels que l'hélium et l'argon, conviennent bien à ces fins, mais d'autres diélectriques peuvent également être utilisés. Les analogues à semi-conducteurs de la chambre d'ionisation sont des détecteurs à semi-conducteurs. Un appareil similaire avec p – n-transition représentée sur la Fig. 3. Pour créer une transition, de petites quantités de certaines impuretés sont introduites dans un semi-conducteur (généralement un cristal de germanium ou de silicium, qui en termes de résistivité est intermédiaire entre les métaux et les diélectriques). De ce fait, un champ électrique apparaît dans la région de transition et lorsqu'un champ externe supplémentaire est appliqué, une région appauvrie se forme dans laquelle il n'y a pas de porteurs de charge libres nécessaires pour créer un courant électrique. Mais si une particule ionisante traverse la région appauvrie, des porteurs libres (électrons et « trous ») y apparaissent, dont le mouvement crée un courant. L'énergie moyenne requise pour former une paire de porteurs de charge dans un détecteur à semi-conducteur est d'environ 3 eV, tandis que dans un détecteur de gaz, elle est de 30 eV. Par conséquent, avec les mêmes pertes d'énergie, un signal électrique apparaît dans le détecteur à semi-conducteur, 10 fois supérieur au signal provenant de la chambre d'ionisation. En conséquence, la précision avec laquelle les pertes d'énergie sont mesurées augmente.

Les détecteurs à semi-conducteurs ressemblent à bien des égards aux diodes semi-conductrices, qui sont également des dispositifs semi-conducteurs dotés de p – n-transition. Cependant, leur conception possède ses propres caractéristiques. Un type courant de détecteur, le détecteur à barrière de surface, est réalisé en déposant une fine couche d'or sur du silicium ou du germanium. Il se présente sous la forme d'une plaque ronde d'un diamètre d'environ 1 cm avec une couche d'appauvrissement de moins de 1 mm d'épaisseur. De tels détecteurs sont utilisés pour mesurer l'énergie totale de particules hautement ionisantes, telles que les particules alpha et les protons de faible énergie. En raison du signal important correspondant à un événement d'ionisation, ces dispositifs mesurent l'énergie des particules avec plus de précision que tous les autres types de détecteurs. De plus, leur petite taille et leur facilité de manipulation les rendent idéaux pour les expériences spatiales.

Un autre type de détecteur à semi-conducteurs est le détecteur à dérive de lithium avec p – je – n- transition - fabriqué par diffusion d'ions lithium dans un matériau semi-conducteur (germanium ou silicium). Cela permet d'obtenir des régions appauvries de plusieurs centimètres d'épaisseur et de créer des détecteurs de tailles nettement plus grandes que les détecteurs à barrière de surface. De tels détecteurs sont utilisés pour détecter les particules à haute énergie, ainsi que les rayons X et gamma, qui interagissent relativement faiblement avec la matière.

Compteurs proportionnels et compteurs Geiger.

Un sérieux inconvénient des détecteurs à semi-conducteurs et des chambres d'ionisation est le faible courant créé par la particule ionisante. Il est si petit que des amplificateurs électroniques à gains élevés sont nécessaires pour le mesurer. Mais si vous augmentez la haute tension sur la chambre d'ionisation, les électrons générés lors de l'ionisation primaire acquerront une énergie suffisante pour l'ionisation secondaire, ce qui entraînera une augmentation du signal. Un détecteur fonctionnant dans ce mode est appelé compteur proportionnel, car les impulsions de tension extraites du compteur sont proportionnelles au nombre d'ions initialement apparus. Le nombre d'ions secondaires produits en moyenne par chaque ion primaire dépend de l'intensité du champ électrique dans le compteur. Dans une chambre plane parallèle, le champ électrique est uniforme et son intensité est égale à la différence de potentiel entre les plaques divisée par la distance qui les sépare. Dans une telle géométrie, il est difficile d’obtenir les champs de haute intensité requis pour l’ionisation secondaire. Dans les chambres comportant un filament central comme anode, entouré d'une cathode cylindrique, le champ est inégal et augmente à proximité de l'anode. Dans cette géométrie, il est possible de réaliser un gain de plusieurs milliers.

À mesure que la tension aux bornes du compteur proportionnel augmente, le gain du signal n'augmente pas indéfiniment. À un moment donné, le signal du compteur cesse d'être proportionnel à l'ionisation primaire et augmente légèrement avec l'augmentation de la tension. Un appareil fonctionnant dans ce mode est appelé compteur Geiger. Sa conception est similaire à celle d'un compteur proportionnel. De plus, il est possible de construire un compteur qui fonctionnera soit comme une chambre d'ionisation, soit comme un compteur proportionnel, soit comme un compteur Geiger en fonction de la tension appliquée entre la cathode et l'anode.

L'impulsion de courant qui se produit dans un compteur Geiger après le passage d'une particule chargée est similaire à une décharge d'étincelle électrique. Comme dans d’autres dispositifs d’ionisation, la principale contribution au courant est assurée par les électrons. Les ions positifs présents en grande quantité protègent électriquement l'anode de la cathode et affaiblissent ainsi le champ agissant sur les électrons. À mesure que le courant augmente, le blindage augmente et la saturation est atteinte, limitant ainsi le courant maximum. Simultanément à la saturation, un autre processus se produit : la répartition de la décharge dans tout le volume du compteur Geiger. Elle est provoquée par la lueur de la décharge, dont la lumière produit une ionisation supplémentaire dans le compteur en raison de l'effet photoélectrique. Partout où se produit la photoionisation, une nouvelle décharge se produit. A terme, le signal ne dépend plus de l'ionisation primaire et peut atteindre 100 V. Ainsi, la décharge amplifie le signal primaire plus d'un million de fois.

Pour éteindre la décharge dans un compteur Geiger, des mesures spéciales doivent être prises. Il est possible de réduire la tension externe et de la maintenir en dessous du niveau auquel une décharge stable est possible jusqu'à ce que tous les ions soient éliminés du volume du compteur. Un moyen plus simple consiste à introduire des paires dans le compteur, qui absorberaient la lumière émise par la décharge et dissiperaient l'énergie non pas par effet photoélectrique, mais, par exemple, par dissociation. Pour ce faire, des halogènes gazeux sont généralement ajoutés (l'industrie produit généralement des compteurs de ce type).

Des compteurs proportionnels peuvent être utilisés pour mesurer les rayonnements de faible énergie tels que les électrons ou les rayons X. Un compteur Geiger n'enregistre que l'apparition d'une particule. Autrement dit, en présence de rayonnements de différents types, le compteur Geiger ne donne que le nombre total de particules ayant traversé le détecteur, et le compteur proportionnel permet d'analyser le rayonnement par son type et son énergie. Les détecteurs à semi-conducteurs ont les mêmes capacités, tout comme la plupart des autres types de détecteurs évoqués ci-dessous.

Compteurs à scintillation et Cherenkov.

L'émission de lumière par certaines substances lorsque des particules chargées rapidement les traversent est appelée scintillation. La lumière émise peut représenter 5 à 10 % de l’énergie totale perdue par les particules. Son émission - cas particulier de luminescence - est déterminée par la structure atomique de la substance traversée par la particule. Les compteurs à scintillation sont basés sur l'enregistrement de la lumière émise par un milieu lorsqu'une particule le traverse.

Les compteurs à scintillations modernes, apparus vers 1947, utilisent des tubes photomultiplicateurs (PMT) pour enregistrer les scintillations, convertissant un éclair lumineux en signal électrique et amplifiant simultanément ce signal. Un compteur à scintillation avec photomultiplicateur est représenté schématiquement sur la Fig. 4.

Lors du choix d’une substance scintillante, se pose la question de la captation de la lumière du cristal. On sait que les substances qui émettent de la lumière d’une certaine fréquence absorbent la lumière de la même fréquence. Par conséquent, dans un cristal très pur, la lumière de scintillation sera continuellement absorbée et réémise par les atomes du cristal jusqu'à ce que la lumière s'échappe par la surface du cristal ou soit absorbée sous forme de chaleur. Ces derniers se présentent le plus souvent dans des cristaux de tailles assez grandes, et pour cette raison les cristaux purs s'avèrent être de mauvais scintillateurs. La situation s'améliore considérablement avec l'introduction d'impuretés spéciales. De telles impuretés activant le changement de longueur d'onde, après avoir absorbé la lumière, l'émettent à une longueur d'onde légèrement plus longue, lui permettant ainsi de s'échapper. À partir de cristaux inorganiques, on utilise généralement des iodures de sodium et de césium activés par le thallium. Les plastiques activés et les liquides organiques sont également utilisés avec succès comme scintillateurs. Un exemple typique est le polystyrène activé par le para-terphényle. Certains cristaux organiques purs sont également utilisés.

Les compteurs à scintillation présentent de nombreux avantages par rapport aux autres détecteurs de particules. Les matériaux de scintillation solides et liquides sont des milliers de fois plus denses que les gaz utilisés dans les compteurs à ionisation. En conséquence, la perte d'énergie de la particule ionisante par unité de longueur et de signal augmente considérablement. De plus, les PMT assurent une amplification du signal primaire qui ne peut être obtenue à l'aide de circuits électroniques. De plus, la durée du signal à la sortie du compteur à scintillation ne peut être que de 10 à 9 s, alors qu'au mieux il est possible d'obtenir un signal d'une durée d'environ 10 à 7 s provenant de la chambre d'ionisation.

Le signal à la sortie d'un compteur à scintillation, comme celui des dispositifs à ionisation, est proportionnel à l'énergie perdue par la particule incidente dans la substance scintillatrice. Cette énergie peut atteindre plusieurs centaines de mégaélectronvolts et représente l’énergie cinétique totale de la particule tombant. Le signal du compteur peut également être utilisé pour mesurer les intervalles de temps entre l’apparition de différentes particules. Un exemple est la mesure de la durée de vie moyenne de particules instables telles que p- ou À-méson. L'essence de l'expérience est d'enregistrer l'intervalle de temps entre le contre-signal correspondant à l'entrée d'un méson dans celui-ci et le signal correspondant à l'apparition du produit de désintégration. Durée de vie p-méson est d'environ 25H 10 –9 s, et pour le mesurer avec précision, vous avez besoin d'un compteur avec un temps de réponse beaucoup plus court.

Les compteurs à scintillation sont largement utilisés dans les expériences avec des faisceaux de particules dans des accélérateurs à haute énergie. De tels faisceaux sont généralement constitués de paquets de particules, et pour isoler les particules individuelles au sein de ces paquets, la « résolution temporelle » élevée (temps de réponse court) fournie par les compteurs à scintillation est nécessaire.

En utilisant des liquides organiques ordinaires et des plastiques comme matériaux de scintillation, il est possible de produire des compteurs de presque toutes tailles et formes. Pour les expériences avec les rayons cosmiques, où les flux de particules sont extrêmement faibles, des systèmes de détection géants contenant des tonnes de matériaux sensibles sont créés. Une quantité tout aussi énorme de matière est utilisée pour détecter les neutrinos, des particules neutres dont la probabilité d’interagir avec la matière est extrêmement faible. L'expérience peut également utiliser un système composé d'un grand nombre de compteurs à scintillation individuels. Dans de tels cas, ils remplissent souvent le même rôle que les compteurs Geiger, c'est-à-dire : servir d’indicateurs de la présence de particules. Les compteurs à scintillation peuvent fonctionner de manière beaucoup plus fiable que les compteurs Geiger et, grâce à leur résolution temporelle élevée, ils peuvent détecter avec précision des flux de particules beaucoup plus intenses.

Un compteur Cherenkov est un détecteur d'apparence similaire à un compteur à scintillation. Il enregistre ce qu'on appelle le rayonnement Tchérenkov - la lueur émise par une particule chargée qui se déplace dans un milieu à une vitesse supérieure à la vitesse de la lumière dans ce milieu. Ce phénomène s’apparente à l’onde de choc qui se produit dans l’air lorsqu’un projectile vole plus vite que le son. Dans tout milieu réfractif, la vitesse de la lumière est Avec/n, Où Avec– vitesse de la lumière dans le vide (3H 10 8 m/s), et n– indice de réfraction du milieu. Ainsi, dans le verre dont l'indice de réfraction est de 1,5, la vitesse de la lumière n'est que de 2H 10 8 m/s. Toute particule se déplaçant dans le verre à une vitesse plus élevée émettra un rayonnement Tchérenkov. (Il n'y a ici aucune contradiction avec la théorie partielle de la relativité, selon laquelle la vitesse de toute particule, quel que soit le milieu dans lequel elle se déplace, ne peut excéder la vitesse de la lumière dans le vide.) Ainsi, un compteur Tchérenkov, la substance sensible dont a un indice de réfraction n, réagira aux particules dont les vitesses dépassent Avec/n. L'intensité de la lueur est proportionnelle à la valeur (1 – v 2 /c 2 n 2), qui est nulle à la vitesse seuil Avec/n et augmente rapidement jusqu'à une valeur maximale lorsque la vitesse v la particule détectée s'approche de la vitesse de la lumière Avec. La particularité du rayonnement Tchérenkov est qu'il est concentré dans le cône avant par rapport à la direction du mouvement des particules. L'angle au sommet du cône est donné par l'expression

parce que q = v/CN.

En utilisant cette dépendance de l'angle d'émission à la vitesse, il est possible de concevoir un compteur sur la cathode du photomultiplicateur dont seul le rayonnement des particules se déplaçant à une certaine vitesse sera focalisé.

L’éclair lumineux du rayonnement Tchérenkov est environ 100 fois plus faible en intensité que la scintillation. Par conséquent, lors du choix d'une substance sensible pour un compteur Tchérenkov, il faut se limiter aux matériaux dans lesquels la scintillation ne se produit pas. Il s'agit généralement d'eau et de plexiglas. Pour détecter les particules dont la vitesse s'approche de la vitesse de la lumière, on utilise des gaz dont l'indice de réfraction est très proche de 1. Par exemple, un compteur Tchérenkov avec de l'air à pression atmosphérique ne répondra qu'aux particules dont la vitesse est d'au moins 0,9997. Avec.

La dépendance du signal du compteur Tchérenkov à la vitesse est également utilisée. L'apparition d'un signal indique le passage d'une particule chargée à une vitesse dépassant le seuil, et un circuit à deux compteurs permet d'identifier les particules se trouvant dans une plage de vitesse étroite. Cela permet d'étudier le spectre des particules à grande vitesse, et pas seulement d'enregistrer leur apparence. Le signal de sortie d'un compteur à scintillation, comme de tout appareil d'ionisation, est presque constant pour toutes les particules dont la vitesse est supérieure à 2H 10 8 m/s (0,67 la vitesse de la lumière).

Détecteurs de neutrons et de rayons gamma.

Les instruments d'ionisation, les compteurs à scintillation et Cherenkov réagissent directement uniquement aux particules chargées. Les particules neutres, telles que les neutrons et les rayons gamma, doivent d'abord agir d'une manière ou d'une autre sur la substance pour que des particules chargées apparaissent auxquelles le compteur puisse répondre. Lorsque le rayonnement gamma interagit avec la matière, des électrons apparaissent en raison de l'effet photoélectrique, de l'effet Compton ou de la création de paires électron-positon. L'effet photoélectrique est le processus inverse de l'émission de lumière : un quantum gamma est absorbé par un atome, à partir duquel un électron est émis avec la même énergie que le quantum gamma, moins l'énergie de liaison de l'électron dans l'atome. L'effet photoélectrique est significatif aux énergies des quanta gamma inférieures à environ 1 MeV. L'effet Compton est la diffusion des rayons gamma par les électrons. Dans ce cas, un électron est expulsé de l'atome et acquiert une énergie cinétique comprise entre zéro et presque la pleine énergie d'un quantum gamma. Ce processus joue un rôle important dans le domaine énergétique de l’ordre de 1 MeV et pour les substances à faible numéro atomique, comme le carbone. La production de paires résulte de l’interaction d’un quantum gamma avec un fort champ électrique à proximité du noyau. L’énergie totale de l’électron et du positron nouvellement nés (énergie cinétique + énergie de repos) est égale à l’énergie du quantum gamma. La production de paires ne se produit pas à des énergies inférieures à 1 MeV. Aux énergies plus élevées, il domine, en particulier dans les substances à numéro atomique élevé comme le plomb.

La tâche principale lors de l'enregistrement des rayons gamma est de trouver une substance qui les absorberait facilement tout en étant sensible aux électrons émis. Les appareils d'ionisation sont relativement peu sensibles aux rayons gamma en raison de la faible densité du gaz de remplissage, même si dans une certaine mesure la conversion se produit dans les parois du compteur. Les instruments les plus adaptés pour enregistrer les rayons gamma et mesurer leur énergie se sont révélés être des compteurs à scintillation dotés de cristaux de haute densité contenant des éléments de numéro atomique élevé. Des cristaux relativement petits d'iodure de sodium offrent une efficacité de près de 100 % dans la détection des rayons gamma dans une large plage d'énergie. D'autres matériaux de scintillation conviennent également. Leur choix dépend généralement du rayonnement étudié. Les compteurs Cherenkov sont également utilisés pour enregistrer les rayons gamma, en particulier dans la région des hautes énergies. Dans ce cas, le verre au plomb et le bromoforme sont largement utilisés comme émetteurs Cherenkov.

Les neutrons sont des particules nucléaires non chargées, ils n'interagissent donc avec la matière que lors de collisions directes avec les noyaux de ses atomes. Lors d'une collision avec un noyau d'hydrogène (proton), le neutron peut transférer toute son énergie au proton qui, étant une particule chargée, peut être détecté de la manière habituelle. Ce processus, appelé diffusion élastique, est largement utilisé pour détecter les neutrons dont les énergies dépassent environ 0,1 MeV. En raison de leur teneur élevée en hydrogène, les plastiques et liquides à scintillation conviennent à la détection des neutrons avec une efficacité de 10 à 20 %. Parfois, sous l'influence des neutrons, des réactions nucléaires se produisent avec émission de particules chargées ou de rayons gamma. Certaines de ces réactions sont extrêmement probables, notamment à des énergies neutroniques de l’ordre de 1 eV. Un exemple est la réaction avec le bore, accompagnée de l'émission de particules alpha. Par conséquent, un compteur Geiger rempli de trifluorure de bore offre une détection de neutrons très efficace. Un autre exemple d’une telle réaction est la fission nucléaire. Des chambres d'ionisation avec une couche interne de matériau de fission, tel que l'uranium 235, sont utilisées. Grâce à la grande libération d'énergie caractéristique de la fission nucléaire, les neutrons peuvent être détectés dans le contexte d'autres particules.

La détection des neutrons est souvent compliquée par les difficultés rencontrées pour séparer les neutrons du rayonnement gamma. Les détecteurs de neutrons lents ont une efficacité de détection de neutrons généralement bien supérieure à celle du rayonnement gamma. Mais pour les compteurs à scintillation utilisés pour détecter les neutrons rapides, l'efficacité est généralement à peu près la même dans les deux cas. Les neutrons peuvent être distingués par la forme de l'impulsion détectée, car dans le cas d'un neutron, l'impulsion est plus large dans le temps. Mais cette différence est minime et il faut une électronique assez complexe pour la détecter.

Chambres Wilson et chambres à bulles.

Dans des conditions appropriées, l'ionisation produite dans une substance par une particule chargée peut y provoquer une transition de phase. La chambre à nuages ​​utilise la condensation du liquide provenant de la vapeur. L'appareil a été inventé en 1912 par Charles Wilson, qui a étudié pendant de nombreuses années la physique de la formation des nuages ​​dans l'atmosphère. Wilson a découvert que la vapeur sursaturée se condense en gouttelettes autour des centres de nucléation, qui sont des ions positifs et négatifs. En passant dans la vapeur sursaturée, une particule chargée laisse derrière elle une traînée de gouttelettes. En 1 ms, les gouttelettes atteignent des tailles visibles.

La chambre à bulles a été inventée et améliorée au début des années 1950 par D. Glaser. En se basant sur l'analogie avec la chambre à brouillard, il a trouvé une transition de phase différente, qui permet également de visualiser les traces des particules. Son appareil utilise un liquide surchauffé qui bout à proximité des centres de nucléation, qui sont des ions. Lorsqu’une particule traverse un tel liquide, elle laisse derrière elle une traînée de bulles. Ces deux appareils ont valu des prix Nobel à leurs créateurs et ont donné aux chercheurs la possibilité d’observer presque « personnellement » les phénomènes nucléaires.

Les chambres à bulles et les chambres à nuages ​​permettent de visualiser les traces des particules. Cela signifie que la position d'une particule peut être déterminée avec une précision allant jusqu'à la taille d'une gouttelette ou d'une bulle visible, c'est-à-dire jusqu'à environ 1 mm. Les caméras sont souvent placées dans un champ magnétique. Cela conduit à une courbure des trajectoires des particules chargées, inversement proportionnelle à leur impulsion. Dans ce cas, les particules chargées positivement sont déviées dans une direction et les particules chargées négativement dans une autre. Ainsi, en plus de l’image spatiale que fournissent ces appareils, ils permettent de mesurer l’impulsion d’une particule et de déterminer le signe de sa charge.

Émulsions nucléaires.

Les émulsions photographiques utilisées comme détecteurs de particules sont quelque peu similaires aux chambres à nuages ​​et aux chambres à bulles. Ils ont été utilisés pour la première fois par le physicien anglais S. Powell pour étudier les rayons cosmiques. L'émulsion photographique est une couche de gélatine dans laquelle sont dispersés des grains de bromure d'argent. Sous l'influence de la lumière, des centres d'image latents se forment dans les grains de bromure d'argent, ce qui contribue à la réduction du bromure d'argent en argent métallique lorsqu'il est développé avec un révélateur photographique classique. Le mécanisme physique de formation de ces centres est la formation d’atomes d’argent métallique due à l’effet photoélectrique. L'ionisation produite par les particules chargées donne le même résultat : une traînée de grains sensibilisés apparaît, qui, après développement, est visible au microscope. Des flux importants de rayonnements ionisants et non ionisants provoquent un voilement de l'émulsion, visible à l'œil nu, comme dans les rayons X ordinaires.

La technique de l'émulsion nucléaire est la plus intéressante car elle est assez compacte. Les émulsions, quasiment les mêmes que sur la photographie, sont fournies sous forme de feuilles de 0,1 mm d'épaisseur. Des feuilles de papier individuelles sont empilées en tas du volume requis (la taille typique est d'environ plusieurs dizaines de centimètres). Après irradiation dans le flux de particules, les empilements sont séparés en feuilles pour développement et analyse. En raison de la forte concentration d'argent, la densité des émulsions photographiques est assez élevée et, par conséquent, la perte d'énergie des particules ionisantes, même sur une distance relativement courte dans l'émulsion, peut atteindre des centaines de mégaélectronvolts. L'empreinte des particules ne mesure que quelques micromètres de large, ce qui permet de mesurer la position des particules avec une précision bien supérieure à celle des chambres à bulles et des chambres à nuages. La densité de la trace (le nombre de grains noircis par unité de longueur) est directement proportionnelle à l'ionisation produite par la particule qui tombe et dépend donc de sa vitesse. De plus, à la suite de nombreuses collisions avec des atomes d’émulsion, la trajectoire des particules présente des déviations. Sur la base des résultats de mesure de la densité de la trace et de ses écarts, il est possible de déterminer la masse de la particule qui a laissé la trace, et ainsi de l'identifier. En utilisant les mêmes mesures, la charge d'une particule peut être déterminée. C’est ainsi que des noyaux de fer à haute énergie ont été découverts dans les rayons cosmiques.

Chambres à étincelles.

La chambre à étincelles est un ensemble de plaques conductrices parallèles séparées par du gaz et isolées électriquement les unes des autres. Une particule chargée traversant la chambre crée des ions dans le gaz situé entre les plaques. L'impulsion résultante déclenche un circuit externe qui délivre aux plaques alternées une impulsion haute tension d'environ 10 000 V. Au moment où cette impulsion est appliquée, des paires de plaques dans la chambre agissent comme des compteurs Geiger et des étincelles jaillissent aux endroits où le particule passée. Les étincelles sont clairement visibles (et audibles).

Détecteurs de traces à semi-conducteurs.

En traversant la matière, les particules peuvent littéralement « pousser » les atomes sur leur chemin et laisser derrière elles une trace visible au microscope électronique. C'est la première fois que de telles traces sont observées dans le mica. Ces faibles traces peuvent être détectées par des produits agressifs qui corrodent sélectivement le matériau. Le sillage d'une particule ne se produit que si elle crée de nombreux ions sur son trajet. Les particules nucléaires telles que les protons et les particules alpha ne laissent donc aucune trace. Seules les traces de noyaux entiers (par exemple les noyaux de fer) et les fragments de leur fission seront visibles.

La spécificité de ces détecteurs est déterminée par leur sensibilité aux particules très lourdes, ainsi que par leur capacité à conserver des traces d'événements survenus dans l'Antiquité. Pour étudier les rayons cosmiques, de grandes feuilles de plastique sont posées sur des ballons stratosphériques. De cette manière, les noyaux d'uranium et d'autres éléments lourds pénétrant dans l'atmosphère terrestre avec le rayonnement cosmique primaire ont été enregistrés. Les traces de minéraux nous permettent de déterminer avec précision leur âge. Cette méthode a été utilisée pour étudier les roches non seulement d'origine terrestre, mais aussi d'origine météoritique et lunaire.

Conférence 10

3.3. Compteurs proportionnels

Ils opèrent dans le domaine proportionnel. L'ampleur de l'impulsion est proportionnelle à l'ionisation initiale, nous pouvons donc avec leur aide distinguer α - β - radiation. Ils sont largement utilisés dans la recherche scientifique pour mesurer le spectre.

La dépendance du coefficient de gain de gaz sur la tension est calculée par la formule :

où K est le coefficient de gain de gaz ; U – tension ; Potentiel de seuil supérieur ; A est une constante dépendant de la nature et de la pression du gaz et de la géométrie du compteur.

Comme on peut le voir, le coefficient de gain de gaz augmente de façon exponentielle avec la distance par rapport à la tension de seuil, jusqu'à une valeur de ≈103.

Cette équation est dérivée sous les hypothèses suivantes :

1) il n'y a pas de mécanisme d'amplification photonique, il ne doit pas y avoir de transfert de charge (un amortisseur est ajouté) et il n'y a pas d'ionisation par des ions positifs.

2) lorsque des ions positifs sont déchargés, les électrons ne sont pas éjectés de la cathode (la cathode est constituée d'un matériau avec un travail de travail électronique élevé).

Ces hypothèses ne sont valables que pour des tensions relativement faibles, c'est-à-dire uniquement pour la région proportionnelle.

2.3.1. Dépendance du coefficient de gain de gaz sur l'emplacement de l'impact de la pièce

Il a été remarqué que plus la particule s’éloignait du filament, plus le coefficient de gain de gaz était faible. Lorsque des ions se forment à proximité de la cathode, la diffusion des électrons a un effet notable, grâce auquel certains d'entre eux peuvent atteindre la cathode et empêcher le déclenchement d'une avalanche d'électrons. Pour les ions recombinants, cela dépend aussi de l'emplacement de la particule ionisante : plus on s'éloigne du filament, plus le champ électrique est faible, plus la recombinaison est probable et plus la séparation des ions positifs et négatifs est lente.

(Mais la présence d'ions négatifs lourds a une influence particulièrement grande sur le gain de gaz. S'il y a un gaz à électrons négatifs dans le compteur, alors les électrons adhèrent aux molécules et aux atomes du gaz à électrons négatifs et forment des ions négatifs lourds https ://pandia.ru/text/ 78/242/images/image004_3.gif" alt="(!LANG : Signature :" align="left" width="386" height="144">Форма импульса, его амплитуда и продолжительность зависят от природы газового наполнителя, от величины напряжения, сопротивления R, емкости счетчика и подводящих проводов (С).!}

Le mécanisme de formation des impulsions est le suivant :

Après qu’une particule (α, β) traverse le compteur, une avalanche d’électrons se forme. Son temps de développement est de ≈10-7 secondes. Pendant ce temps, des électrons et des ions positifs se forment autour du fil, et les électrons sont collectés sur le fil, et les ions positifs entourent le fil d'une couverture (leur vitesse est faible, et on peut supposer que lors de la formation de l'avalanche ils restent en place). Au moment de la séparation des ions positifs et des électrons, le premier changement de potentiel du filament se produira, mais il est insignifiant, puisque la gaine des ions positifs lie les électrons. Le principal changement de potentiel se produira au moment du départ des ions positifs du filament vers la cathode. Les électrons arrivant au filament commencent à charger la capacité C (réduire le potentiel du filament) à mesure que les ions positifs s'éloignent du filament. La libération complète de la charge d'avalanche se produit au moment de la neutralisation des ions positifs à la cathode. Dans le même temps, la capacité C est déchargée à travers la résistance R. L'amplitude de l'impulsion est plus grande, plus C est petite et plus R est grand. Plus R est grand, moins la charge s'écoule de la capacité lors du passage des ions positifs du filament vers la cathode. Mais plus R est grand, plus le temps de récupération du potentiel normal du fil est long (car plus le CS est grand), plus la durée de l'impulsion est longue. La valeur de résistance optimale R ≈ 106-107 ohms. Avec un R plus petit, l'amplitude sera petite, et avec un R plus grand, la durée de l'impulsion sera trop longue.

3.3.4. Application de compteurs proportionnels

1) Pour l'inscription α -particules α -les particules ont une capacité ionisante élevée, donc l'ampleur de l'impulsion sera grande et l'impulsion de α -les particules dépasseront largement l'impulsion des autres particules (protons, électrons). Pour l'inscription α -on utilise des compteurs de particules, d'extrémité de type SAT-4, SAT-5, SAT-3, SAT-2, SAT-8, remplis d'argon mélangé à de l'hydrocarbure. Dans l'installation « Protoka » 4P, le compteur proportionnel fonctionne en mode débit, c'est-à-dire que lors des mesures, un flux de méthane ou de propane provenant d'une bouteille traverse le compteur.

L'installation "Flow" permet de distinguer β -rayonnement, rayonnement protonique et α - le rayonnement, puisque son équipement électronique secondaire (dispositif de conversion PP-9) possède 110 niveaux de discrimination.

2) Enregistrement des neutrons rapides– basé sur l’utilisation de noyaux de recul (protons de recul). Pour ce faire, une couche d'une substance contenant de l'hydrogène (paraffine, tristéareth glycérol) est appliquée sur une feuille de platine ou d'or par évaporation sous vide et placée à l'intérieur du comptoir. Un tel compteur n'a pas de plateau distinct, puisque la quantité d'énergie transmise aux protons de recul sera différente (cela dépend de l'angle de contact). L'efficacité de ces compteurs est faible.

3) Enregistrement des neutrons lents– basé sur la réaction nucléaire

.

Noyaux Li 7 Et Pas // produit une ionisation primaire (80 000 paires d'ions). Puisque leur énergie est constante, le compteur a un bon plateau, la magnitude des impulsions est grande, elles se distinguent facilement des autres impulsions. Ils sont réalisés en deux versions. Dans le compteur SNM-9, la cathode d'une superficie de 43 cm3 est recouverte d'une couche de bore amorphe (en principe, tous les composés du bore, py. borax, peuvent être utilisés). Longueur du plateau – 400 volts, pente 10 % pour 100 volts, fond 1 impulsion/min, durée sl. 500 heures.

Compteurs SNM-3, SNM-4, SNM-5, SNM-7, SNM-8 rempli de gaz de bore – B.F. 3 , enrichi en un isotope léger. Par exemple, SNM-8 est rempli B.F. 3 , enrichi jusqu'à 85% À 10 . La longueur de son plateau est de 150 V, la pente est de 5% par 100 V, le bruit de fond est de 5 impulsions/min.

L'efficacité des compteurs de bore pour les neutrons thermiques atteint 5 %. Grâce à de tels compteurs, il est possible d'effectuer des mesures relatives de flux de neutrons rapides, après avoir préalablement ralenti les neutrons dans une épaisse couche de paraffine. Mais dans ce cas, il faut placer une couche de cadmium devant la paraffine pour absorber les neutrons lents présents dans le faisceau primaire.

Des compteurs proportionnels peuvent également être utilisés pour enregistrer des noyaux lourds. Par exemple, les parois intérieures du comptoir peuvent être recouvertes d'une fine couche d'uranium. Dans un tel compteur, nous pouvons observer les impulsions de fragments de fission nucléaire, dont la magnitude dépasse largement les impulsions - α- particules.

Conférence 11

2.4. Compteurs à décharge automatique

Les compteurs à autodécharge, selon le type de gaz de remplissage et les paramètres externes, sont divisés en deux groupes :

a) compteurs non auto-extinguibles (ou « lents ») ;

b) compteurs auto-extinguibles (ou « rapides »).

Ces compteurs diffèrent les uns des autres par le mécanisme de propagation de la décharge, le mécanisme d'extinction de la décharge et la durée de la décharge.

Leur caractéristique commune est l'utilisation auto-décharge, dont l'amplitude ne dépend pas de l'ionisation initiale (c'est-à-dire du nombre d'électrons primaires formés par la particule détectée). Ces compteurs fonctionnent dans la région Geiger.

2.4.1. Caractéristique de performance du compteur

Les propriétés d'un compteur en tant qu'appareil de mesure sont déterminées par sa caractéristique de comptage ou de fonctionnement, qui est la dépendance du nombre de décharges enregistrées dans le compteur (par unité de temps) sur l'amplitude de la tension qui lui est appliquée.

La différence de potentiel à laquelle les impulsions apparaissent pour la première fois est appelée potentiel de travail initial ou potentiel « d'allumage » (UZ). À mesure que la tension augmente, le nombre d'impulsions enregistrées augmente d'abord rapidement, puis plus lentement, et de UA à Uв reste approximativement constant. En fonction de l'ampleur de la surtension (Ucch - Uz), la caractéristique de fonctionnement peut être divisée en 3 parties. Si la tension est inférieure à UA, toutes les particules ne sont pas enregistrées par l'appareil. Le gain ici n'est pas encore si grand que le circuit secondaire enregistre toutes les impulsions ; il existe encore ici une région de proportionnalité limitée et les particules qui forment un nombre important d'ions initiaux sont enregistrées. À partir de UA, le compteur enregistre toutes les particules qui forment au moins une paire d'ions dans le volume du compteur, c'est-à-dire ici nous avons déjà une région Geiger, une région d'autodécharge, le coefficient d'amplification du gaz est grand (~106). Cette zone, qui s'étend jusqu'à l'UB, est appelée le plateau métrique. Il peut ne pas être strictement parallèle à l'axe des abscisses, mais incliné d'un certain angle dont l'ampleur dépend de la conception du compteur, des paramètres du circuit, des propriétés de la cathode, de la pression du gaz, etc. Pour les bons compteurs, la pente du plateau ne dépasse pas 5 à 7 % pour 100 volts.

À mesure que la tension augmente au-dessus de UB, le nombre de décharges commence à augmenter fortement. Cela n'est pas dû à une augmentation de la sensibilité, mais à l'apparition de décharges spontanées. Il est impossible de travailler dans ce domaine, car le nombre de décharges spontanées dépend de l'intensité du rayonnement, du temps et d'autres facteurs.

Les décharges se produisant dans un compteur fonctionnant dans la région du plateau sans irradiation sont appelées décharges de tempo, ou de fond. La valeur de fond est déterminée par le rayonnement cosmique, la contamination radioactive de l'air, des parois du comptoir ainsi que la radioactivité de la terre. En moyenne, pour 1 cm2 de surface de comptoir, le bruit de fond est de 1 à 2 impulsions par minute. Pour réduire l'arrière-plan, les compteurs sont placés dans des maisons en plomb. Dans l'installation UMF, les parois intérieures de la salle principale sont bordées de comptoirs reliés les uns aux autres en parallèle. Le circuit anti-coïncidence élimine les décharges qui se produisent simultanément dans le compteur central et dans le bloc de protection du compteur.

Certains types de compteurs (BFL) sont fabriqués à partir de verre spécial sans potassium pour réduire le fond provenant de l'isotope radioactif K40.

3.4.2 Volume utile du compteur

Un compteur métallique cylindrique a un volume utile quasiment égal au volume total couvert par la cathode cylindrique.

La dépendance de la sensibilité sur le lieu d'impact de la particule ionisante est représentée sur la figure

Un compteur métallique présente une légère baisse de sensibilité sur les bords, associée à une distorsion du champ électrique par les fiches isolantes.

Si le fil est renforcé en des points suffisamment éloignés des bords de la cathode (comme dans les comptoirs en verre), alors le volume utile peut être légèrement supérieur au volume couvert par la cathode. À mesure que la tension augmente, le volume utile augmente légèrement, ce qui explique une partie de la pente du contre-plateau.

3.4.2. Sensibilité du compteur

L'utilisation généralisée des compteurs est due à leur grande sensibilité. Si à l'aide de chambres d'ionisation on peut mesurer l'intensité du rayonnement qui provoque des courants de 10-14 - 10-15 A, alors le compteur permet de mesurer des courants de l'ordre de 10-20A. Ce courant correspond à l'apparition dans le compteur de seulement quelques électrons par minute (naturellement, les fluctuations de fond doivent être inférieures à la valeur mesurée).

Dans certains cas (en utilisant des schémas de coïncidence spéciaux), les compteurs peuvent détecter simultanément le passage d'un électron rapide à travers trois compteurs, même lorsque cet événement se produit moins d'une heure plus tard. Puisqu'une décharge indépendante se produit dans le compteur si au moins un électron apparaît dans le volume du compteur, à l'aide de ces compteurs, il est possible d'enregistrer des électrons individuels. g -quanta, ce qui est impossible

3.5. Compteurs non auto-extinguibles

3.5.1. Mécanisme de décharge

Les compteurs non auto-extinguibles sont remplis d'argon ou d'hélium avec une petite addition d'hydrogène - 1 à 2 %. à une pression égale à environ "/3 ​​normale. Avant l'apparition d'une particule ionisante, le compteur est un récipient chargé au potentiel d'un redresseur haute tension (source d'alimentation).

Après qu’une particule chargée traverse le contre-volume, les électrons et les ions se précipitent vers les électrodes correspondantes. Le fil du compteur est toujours chargé positivement. À proximité du filament, les électrons entrent dans un champ de haute intensité. Une avalanche électron-photon se produit. Les photons ne sont pratiquement pas absorbés dans le gaz et tombent sur la cathode. En raison de l'effet photoélectrique externe à la cathode, les électrons pénètrent dans le contre-volume qui, sous l'influence d'un champ électrique, se précipitent vers le filament, formant également des avalanches électron-photon.

Ce processus est répété plusieurs fois, ce qui entraîne la décharge capturant toute la longueur du compteur. La mobilité des électrons est trois ordres de grandeur supérieure à la mobilité des ions, de sorte que les électrons sont collectés sur le filament pendant un temps pendant lequel les ions n'ont pratiquement pas le temps de quitter leur lieu de formation. Une charge d'espace positive se forme à proximité du filament. Cette charge réduit le champ électrique à proximité du filament, ce qui conduit à l'amortissement des avalanches électron-photon. Les processus électroniques dans le compteur ne s'arrêtent pas là, puisque les ions positifs, s'approchant de la cathode, arrachent à sa surface les électrons qui, sous l'influence d'un champ électrique, se précipitent vers le filament.

A la cathode : Ar + é ® Ar* E* = 15,7 – 4,5 = 11,2 eV,

où 15,7 est l'énergie d'ionisation de l'argon ; 4.5 – fonction de travail des électrons du cuivre. Si l'énergie d'excitation dépasse de 2 fois le travail d'extraction de l'électron, alors l'éjection d'un électron secondaire est possible.

Ce qui se passe ensuite dépend du fait que le potentiel du fil soit restauré ou non à sa valeur précédente au moment où les électrons s'en approchent. Si le potentiel du filament prend une valeur à laquelle l'ionisation par impact est possible, alors les électrons provoqueront des avalanches électron-photon et tous les processus du compteur seront répétés. Une décharge apparaîtra dans le compteur, composée d'impulsions individuelles se succédant. Chacune de ces impulsions commence par une avalanche électron-photon. La décharge dans le compteur se poursuivra jusqu'à ce que la tension nécessaire soit rétablie. Si, au moment où les ions positifs s'approchent de la cathode, le potentiel du filament devient inférieur au potentiel auquel la formation d'avalanches électron-photon est possible, alors la décharge dans le compteur s'arrêtera. Pour ce faire, vous pouvez soit utiliser un circuit d'amortissement qui réduit la différence de potentiel entre les électrodes du compteur après la première étape de décharge, soit inclure une résistance à haute résistance dans le circuit du compteur, ce qui empêchera une restauration rapide. du potentiel du fil à sa valeur d'origine (constante de temps R.C. doit être supérieur au temps de dérive des ions positifs du filament vers la cathode, c'est-à-dire de l'ordre de 10-3 secondes).

3.5.2. Forme et durée de l'impulsion

Capacité AVEC Il est logique d’en faire le moins possible. Pour une capacité d'environ 10 pf et le temps de mouvement des ions est d'environ 10-4 seconde nous constatons que la résistance devrait être supérieure ou environ à 108 ohm Cela signifie que le temps de décharge de capacité est supérieur à 10-3 seconde.

L'avantage de ces compteurs est la possibilité d'éteindre les rejets.

L'inconvénient est la présence d'un temps mort important (le temps mort est le temps écoulé entre le début de l'enregistrement des particules et le moment où le compteur enregistrera une nouvelle particule).

Conférence 12

3.6. Compteurs auto-extinguibles

Les compteurs auto-extinguibles, en plus du gaz monoatomique, sont remplis d'une certaine quantité de vapeur d'un des composés organiques polyatomiques (alcool éthylique, éthylène, isopentane, etc.). Le potentiel d'ionisation du gaz polyatomique doit être inférieur au potentiel d'ionisation du gaz principal. Cette composition du contre-remplisseur garantit que la décharge s'éteint automatiquement sans aucune intervention extérieure.

Comment la décharge se développe-t-elle et s'éteint-elle dans un compteur auto-extinguible ?

La phase initiale de développement de la décharge est la même que dans un compteur non auto-extinguible. La particule ionisante produit des ions positifs et des électrons dans le compteur. Ce dernier se dirigeant vers le filament va donner lieu à une avalanche d'électrons. Mais il n’y a pas de mécanisme de décharge photonique dans ce compteur. Le rayonnement ultraviolet des atomes d'argon excités est complètement absorbé par les molécules de l'additif de trempe déjà à une distance de 1 à 2 mm du filament. La décharge se propage le long du fil, de point en point, puisque les photons ne produisent une ionisation qu'à proximité immédiate de leur origine. La vitesse de propagation de la décharge (la vitesse de déplacement de la « gaine » d'ions le long du filament) est d'environ 106 cm/sec. En absorbant un photon, une molécule d’extincteur polyatomique est excitée et l’énergie d’excitation est dépensée pour la dissociation de l’extincteur.

Une fois que le filament entier est entouré d’une gaine d’ions, la couronne s’éteint. Les ions positifs commencent à s'éloigner du filament et le potentiel du filament diminue. Dans le même temps, le potentiel du filament commence à être restauré à partir du redresseur via la résistance R. Puisque R est petit, l'intensité du champ électrique au niveau du filament, suffisante pour l'ionisation par impact, sera atteinte avant que les ions positifs n'atteignent la cathode.

Les plus utilisés sont les compteurs auto-extinguibles remplis d'un mélange d'argon (potentiel d'ionisation 15,7 V)à une pression de 87 mmart. Art. et vapeur d'alcool éthylique (potentiel d'ionisation 11,3 V). Dans un tel compteur, l'arrêt de la décharge résultante sous l'influence des électrons secondaires éliminés de la cathode du compteur est obtenu grâce à la dissociation des molécules d'alcool polyatomiques, qui absorbent les quanta de rayonnement provenant à la fois de l'excitation des atomes d'argon, empêchant ainsi l'apparition de l'effet photoélectrique à la cathode et de la neutralisation des ions argon positifs sur la contre-cathode.

Ar+ + C2H5OH ® C2H5+ + OH- + Ar + h v(15,7 – 11,3 = 4,4 eV)

Presque seuls les ions alcool atteignent la cathode du compteur. Cela s'explique par le fait que les ions argon sont neutralisés à la suite de collisions avec des molécules d'alcool, car l'ion argon a un potentiel d'ionisation plus élevé que la molécule d'alcool. Les atomes d’argon excités qui en résultent retournent à leur état fondamental en émettant des photons qui, à leur tour, sont absorbés par les molécules d’alcool. Ions positifs d'alcool, s'approchant de la cathode à une distance assez courte (10-7 cm), les électrons en sont extraits lors de la neutralisation et se transforment en molécules excitées.

Lors de la décharge de l’ion C2H5+, la molécule d’alcool éthylique aura une énergie égale à 11,3 – 4,5 = 7,8 eV

On sait qu’un atome (ou une molécule) excité peut éjecter un électron secondaire si son énergie d’excitation est presque deux fois supérieure au travail de travail de l’électron. Mais pour cela, la molécule excitée doit s'approcher de la cathode à une distance inférieure à 2 × 10-8 cm, pour laquelle il lui faudra ³ 10-12 secondes.

La durée de vie d'une molécule d'alcool excitée avant sa dissociation est d'environ 10 à 13 heures. seconde, ce qui est nettement inférieur au temps d'irradiation, qui est de 10-8 seconde et le temps d'approche de la cathode depuis le lieu de neutralisation. Ainsi, la décharge dans un compteur auto-extinguible avec ajout de molécules polyatomiques est de nature à avalanche unique.

3.6.1. Forme et durée de l'impulsion

Considérons l'évolution de l'amplitude de l'impulsion en fonction du moment de son apparition après l'impulsion précédente (courbe pleine) et

Riz. 3.12 Modification de l'amplitude d'une impulsion en fonction du moment de son apparition par rapport à l'impulsion précédente.

l'apparition d'impulsions ultérieures (courbes pointillées) ; Tm est le temps mort pendant lequel le compteur est incapable d'enregistrer les particules nouvellement arrivées. Un temps mort se produit après qu'une avalanche se soit produite dans le compteur. Pendant ce temps, les électrons se rassemblent à l’anode et les ions positifs se déplacent de l’anode vers la cathode. Les compteurs auto-extinguibles ont un temps mort de l'ordre de 10-4 seconde, c'est-à-dire moins que non auto-extinguible 10-2 seconde), c'est pourquoi ils sont parfois appelés compteurs rapides ; TV - temps de récupération. Il s'agit de l'intervalle de temps entre la fin du temps mort et le rétablissement complet de la différence de potentiel sur les contre-électrodes (jusqu'au moment où les ions positifs atteignent la cathode). Si une particule heurte le compteur pendant la récupération, l'impulsion résultante (courbes en pointillés) aura une amplitude inférieure à la valeur nominale et ne sera pas enregistrée. Le temps de récupération d'un compteur auto-extinguible est d'environ 10-4 seconde. La durée d'impulsion t est déterminée par la somme du temps mort et du temps de récupération.

3.6.2. Durée de vie des compteurs auto-extinguibles

La durée de vie des compteurs auto-extinguibles est déterminée par le nombre de molécules d'alcool remplissant le volume du compteur. Généralement, le compteur contient environ 1 020 molécules d'alcool. A chaque impulsion, 1010 molécules se dissocient. La durée de vie du compteur est donc d’environ 1 010 comptes. L'expérience a montré qu'une trempe stable est obtenue après environ 108 décharges, puisqu'une certaine concentration du quencher est requise pour l'effet de trempe. À la suite de l'enregistrement des impulsions, la concentration des extincteurs diminue, mais d'un autre côté, certains des radicaux dans lesquels l'extincteur d'origine se décompose ont un effet d'extinction. Il a été démontré expérimentalement qu'à la suite de la décomposition de l'alcool éthylique extincteur initial dans le compteur, des molécules plus légères et des radicaux du type :

CH2OH; - ONS ; C2H4; C2H2; OH-etc.

La plupart d’entre eux, contenant trois atomes ou plus, sont eux-mêmes des extincteurs.

Cependant, en raison de l'enregistrement des particules ionisantes, la concentration des extincteurs diminue progressivement.

La caractéristique de fonctionnement du compteur change : le potentiel de comptage initial augmente, le plateau se raccourcit, la pente du plateau augmente et il arrive un moment où l'effet d'amortissement disparaît et le compteur tombe en panne. Ainsi, la durée de vie d'un compteur auto-extinguible se mesure non pas par le temps de fonctionnement, mais par le nombre d'impulsions enregistrées.

3.6.3. Compteurs halogènes

Pour mesurer b - Et g - Compteurs Geiger remplis d'un mélange d'extinction de gaz inertes - néon additionné d'argon et d'un des halogènes - chlore ou brome (jusqu'à 0,5%), dont les potentiels d'ionisation (13,2 et 12,8) sont largement utilisés. V) en dessous des potentiels d'ionisation du néon (21,5 V) et de l'argon (15, V).

L’effet extincteur des halogènes peut évidemment s’expliquer comme suit. Sous l’influence des particules ionisantes entrant dans le compteur, les atomes de néon sont dans un état excité. Lorsque les atomes de néon passent à l’état fondamental, l’énergie qu’ils émettent est davantage dépensée pour l’ionisation de l’halogène et moins pour l’ionisation de l’argon. Les ions argon positifs sont neutralisés et acquièrent des électrons lors d'une collision avec des ions et des molécules halogènes. Une faible tension de fonctionnement (300-400 V) sur les contre-électrodes réduit la probabilité que des électrons (qui sont des sources de nouvelles avalanches d'ions) soient arrachés de la cathode lorsque des ions positifs s'en approchent. Lors de la recombinaison à la cathode, les molécules d'halogène se dissocient en atomes qui, après un certain temps, forment à nouveau des molécules.

À la suite de tous les processus, la composition du mélange ne change pas et les compteurs halogènes ont une durée de vie illimitée. De plus, ces compteurs ont une faible tension de fonctionnement - 300 - 400 V (pour les compteurs conventionnels, la tension requise est de 700-1600 V), ne craignent pas les surcharges et ont une vitesse de comptage relativement élevée (jusqu'à 2 × 103 imp/sec). Les inconvénients des compteurs halogènes incluent une pente importante du plateau (plus de 5 % à 100 V ) et un long temps de développement de décharge (environ deux ordres de grandeur supérieur à celui des compteurs haute tension). En raison de l’action chimique des halogènes, certains matériaux sont utilisés dans la fabrication des compteurs. La cathode est en acier inoxydable, en tantale ou en carbone et l'anode est en tungstène.

La conception du compteur dépend du type et de l'énergie des particules détectées. Compteurs destinés à compter b - et ondes longues g -rayonnement, avoir une paroi en matériau léger pour éviter une absorption complète du rayonnement dans la contre-paroi elle-même. Pour le rayonnement à haute énergie, des murs plus épais sont utilisés.

Conférence 14

3.7. DÉTECTEURS À SEMI-CONDUCTEURS

3.7.1. Principe de fonctionnement d'un détecteur à semi-conducteur

Le développement rapide des détecteurs à semi-conducteurs ces dernières années est associé, d'une part, à un volume sensible important (plusieurs dizaines, voire centaines cm3) détecteurs à semi-conducteurs et, d'autre part, avec leur très haute résolution (dixièmes de pour cent) tout en conservant une efficacité suffisante. Les détecteurs à semi-conducteurs sont utilisés pour l'enregistrement et la spectrométrie des particules chargées, des neutrons et g - quantiques.

En première approximation, un détecteur à semi-conducteur peut être considéré comme une chambre d'ionisation avec un diélectrique solide entre les électrodes (il s'agit d'un type de détecteurs à semi-conducteur qui fonctionnent en mode collection de charges sans amplification, c'est-à-dire qu'ils sont un analogue d'une chambre d'ionisation pulsée). Il existe des détecteurs à semi-conducteurs avec amplification interne (analogues des compteurs proportionnels et à décharge gazeuse), mais ils n'ont pas encore été largement utilisés.). Souvent au lieu du terme caméra à semi-conducteurs utiliser le terme comptoir. Tout comme dans une chambre d'ionisation remplie de gaz, lors de l'absorption d'un rayonnement ionisant, des porteurs de charge se forment dans la chambre à semi-conducteurs qui, sous l'influence d'un champ électrique externe, sont collectés sur les électrodes. Les impulsions de courant ou de tension qui en résultent sont utilisées pour enregistrer le rayonnement. Le nombre de paires de porteurs de charge formées ne dépend pratiquement que de l'énergie perdue par la particule ionisante et ne dépend pas de ses caractéristiques (charge, vitesse, etc.). Cela fournit une relation linéaire entre l'amplitude de l'impulsion et l'énergie perdue dans le volume sensible du détecteur pour tous les types de particules (comme dans la chambre d'ionisation).

Le schéma de connexion d'une telle caméra est présenté sur la Fig. 3.13. Supposons que la chambre soit une barre uniforme de semi-conducteur et que le champ électrique soit constant dans tout son volume, c'est-à-dire que la chambre possède des électrodes idéales qui ne faussent nulle part la répartition des charges dans le semi-conducteur et ne modifient pas la concentration de charge. transporteurs. Le passage d'une particule chargée provoque la formation de porteurs de charges opposés (électrons et trous) dans le diélectrique. Tension externe U crée un champ électrique à l’intérieur du cristal. Les électrons et les trous (porteurs de charge dans un semi-conducteur) se déplacent sous l'influence de ce champ vers les électrodes. Lorsque les porteurs se déplacent, ils induisent sur les électrodes une charge proportionnelle à la différence de potentiel qu’ils traversent.

Les matériaux semi-conducteurs, qui comprennent le silicium cristallin et le germanium, l'arséniure de gallium, l'arséniure d'arsenic, le phosphure d'indium, etc., satisfont au mieux à toutes les exigences de remplissage des chambres solides.

Avantages des détecteurs à semi-conducteurs par rapport aux détecteurs à gaz :

1. Le volume sensible de ces chambres contient une masse de substance beaucoup plus grande que l’espace gazeux. Par conséquent, la gamme de particules ionisantes ayant une énergie beaucoup plus élevée est entièrement contenue dans une chambre à l’état solide que dans une chambre remplie de gaz. Lors de l'inscription g-quanta, l'efficacité des caméras à semi-conducteurs est également nettement supérieure. Très important pour g -spectroscopie quoi g -les quanta entrant dans le détecteur n'éliminent pas principalement les électrons des électrodes, comme c'est le cas dans les chambres d'ionisation remplies de gaz, mais les forment dans le volume sensible de la chambre. Dans le même temps, si nécessaire, il est possible de réaliser une chambre à semi-conducteurs avec un très petit espace entre les électrodes. Dans un tel détecteur, seule une petite fraction de l'énergie des particules incidentes est absorbée, ce qui permet de l'utiliser pour mesurer des pertes d'énergie spécifiques.

2. Les chambres à semi-conducteurs ont une résolution énergétique et temporelle nettement meilleure, associée à des processus de formation et de mouvement de porteurs de charge différents de ceux d'une chambre remplie de gaz (et cela est encore plus important).

3. Les détecteurs à semi-conducteurs sont caractérisés par une petite valeur de l'énergie moyenne consommée par une particule chargée pour créer une paire de porteurs de charge. Par conséquent, plus la valeur de l'énergie moyenne est faible, plus il y a de porteurs dans le volume sensible, plus le signal enregistré par la caméra, et moins la fluctuation relative de ce signal, qui détermine la limite de la résolution énergétique de la caméra. Pour les détecteurs à semi-conducteurs w - l'énergie moyenne de formation d'une paire de porteurs est d'un ordre de grandeur inférieure à celle des chambres d'ionisation de gaz, et de deux ordres de grandeur inférieure à celle des compteurs à scintillation. Pour la formation d'une paire de porteurs, quel que soit le type de rayonnement et son énergie dans les détecteurs au silicium w= (3,5±0,7) eV, et en germanium - w= (2,94 ± 0,15) eV. Généralement w est » 3DEz, où DEz est la largeur de la bande interdite.

4. Manque de recombinaison et de capture du porteur.

5. Mobilité importante et d'ampleur similaire des porteurs des deux signes ;

6. Résistance électrique spécifique élevée.

Les principaux inconvénients des détecteurs à semi-conducteurs :

1. Difficulté de fabrication. La création de tels détecteurs est devenue possible grâce au développement de procédés de haute technologie permettant de produire des substances très pures.

2. De nombreux détecteurs, notamment au germanium, doivent être utilisés et stockés à basse température, généralement à la température de l'azote liquide.

3. Une plus grande sensibilité aux dommages causés par les radiations. Lorsque les détecteurs fonctionnent avec des rayonnements ionisants, en plus du processus utile de création de paires électron-trou, de nombreux autres effets secondaires apparaissent qui détériorent les propriétés du détecteur et, à des doses élevées de rayonnement, le rendent impropre à son fonctionnement.

3.7.2. Principaux types de détecteurs à semi-conducteurs

En fonction des paramètres et de la technologie de fabrication, les détecteurs d'électrons-trous à semi-conducteurs sont divisés en détecteurs Au-Si à barrière de surface et en détecteurs à diffusion. (p-p) Et (etc)- transitions, respectivement, et dérive de diffusion (R-je-P)- sorte de.

Détecteurs à barrière de surface. р–п La transition dans les détecteurs de ce type est formée par oxydation de la surface gravée du matériau de base avec l'oxygène de l'air. Sur la surface ainsi formée R.-La couche est pulvérisée avec une fine couche de métal, généralement de l'or, qui sert d'électrode.

L'épaisseur de la région sensible aux rayonnements dans les détecteurs à barrière de surface ne dépasse pas (2–5) 10-2 cm. La couche non active (morte) de film d'or sur la surface est très fine, environ 3×10-6 cm. Dans de tels détecteurs, l'épaisseur de la région sensible peut varier en modifiant la tension de polarisation, ce qui facilite la distinction entre les particules chargées en fonction de leurs portées et de leur densité d'ionisation.

Les détecteurs à barrière de surface sont en silicium et peuvent fonctionner à température ambiante sans refroidissement particulier. Ils sont principalement utilisés pour l'enregistrement et la spectrométrie de particules chargées à courte portée : fragments de fission, particules a et protons de basse énergie.

Les détecteurs à barrière de surface, en raison de la faible épaisseur de la région sensible, ont une grande capacité et, par conséquent, une faible résolution énergétique, puisque l'équivalent énergétique d'un bruit principalement capacitif est de plusieurs dizaines de kiloélectronvolts.

Le schéma de connexion du détecteur or-silicium est illustré à la Fig. 3.14.

Compteurs de silicium à barrière de surface Ils sont également utilisés pour enregistrer les neutrons rapides et lents. Un tel compteur (Fig. 3.15.) est constitué d'un disque de silicium 1 sur lequel sont appliqués deux disques d'or semi-circulaires. 2, auxquels sont rattachés les contacts 3. Ainsi, les deux moitiés représentent deux compteurs qui devraient donner la même lecture lors de la prise de vue de l'arrière-plan. Une couche de film plastique est appliquée sur l'une des moitiés 4, servant de source de protons de recul lorsque le compteur est irradié par des neutrons rapides. Lorsqu'un tel compteur est activé à l'aide d'un circuit différentiel, le nombre de protons de recul peut être déterminé.

Pour enregistrer les neutrons thermiques dans le compteur, la réaction nucléaire Li6(n, un )H3. Ce compteur est constitué de deux détecteurs au silicium séparés. Une fine couche d'or est appliquée sur la surface interne de l'un d'eux et du Li6F est appliqué sur l'autre (Fig. 3.16). Les neutrons sont enregistrés selon le schéma de coïncidence des protons avec le tritium. Les impulsions de deux compteurs sont additionnées et l'impulsion totale, après amplification, est transmise à un analyseur multicanal. L'efficacité d'un tel compteur est faible, car elle dépend largement de la section efficace de réaction et de l'épaisseur de la couche de Li6F.

Détecteurs s p - je - n- transition. Les propriétés du lithium noyé dans le germanium ou le silicium sont telles qu'elles permettent la création de régions suffisamment grandes (épaisseur supérieure à 1 cm) compensation presque complète, et donc une région avec une conductivité proche de la sienne. Cela est dû à la fois à la mobilité exceptionnellement élevée des ions lithium dans les cristaux tétravalents et à leur faible énergie d'ionisation (0,033 ev en Si et 0,0043 ev en Ge). Par exemple, la mobilité, et donc le coefficient de diffusion, du lithium en Allemagne est 107 fois supérieure à celle des donneurs classiques, car, en raison de son petit rayon, l'ion lithium peut être localisé non pas dans des sites de réseau, mais dans des interstices.

Compensation des atomes accepteurs dans R.-un matériau utilisant la dérive du lithium est réalisé comme suit. Tout d’abord, du lithium est pulvérisé sur R.-matériau, puis la température monte jusqu'à environ 400°C et le lithium diffuse dans l'échantillon. La diffusion se poursuit pendant plusieurs minutes et le lithium diffuse jusqu'à une profondeur d'environ 0,01 cm. Après cela à р–i–n-une polarisation inverse est appliquée à la jonction et les ions lithium, qui portent une charge positive, commencent à s'éloigner de P.- les côtés de la transition vers R.-côté où ils compensent les atomes accepteurs R.-matériel.

Détecteurs de silicium avec R- je -n - transition, l'épaisseur de la zone sensible dans laquelle atteint 0,5-1 cm, ont trouvé une application pour l'enregistrement de particules lourdes chargées d'énergies moyennes et d'électrons, dont la portée ne rentre pas dans la couche sensible des détecteurs à barrière de surface et à diffusion. Leur principal avantage est la possibilité de travailler sans refroidissement. L'équivalent énergétique du bruit de tels détecteurs est de plusieurs dizaines de kiloélectronvolts.

Détecteurs de germanium avec R- je - n -transition sont devenus très répandus dans g-spectrométrie en raison de sa haute résolution et de son efficacité. L'efficacité et la forme de la ligne d'un tel détecteur gamma dépendent plus clairement du volume de la région sensible que de sa largeur. Par conséquent, les détecteurs à dérive au germanium sont généralement caractérisés par le volume de la région sensible. Les détecteurs plats, ou comme on les appelle aussi planaires, ont un volume allant jusqu'à 10 à 15 cm3. Les détecteurs de type coaxial, dans la fabrication desquels le lithium dérive de la surface d'un échantillon cylindrique jusqu'à son axe, peuvent avoir un volume allant jusqu'à 100 cm3.

Détecteurs de germanium avec R-je– n- les transitions doivent être exploitées et stockées à basses températures, généralement à des températures d’azote liquide. Il est impossible de travailler avec eux à température ambiante en raison du courant d'obscurité élevé, et il est nécessaire de les stocker à basse température pour empêcher le processus irréversible de sortie du lithium du volume du détecteur. La libération de lithium à la surface est une conséquence du fait que lors de la dérive à haute température, plus de lithium est introduit dans le monocristal allemand qu'il ne devrait l'être dans une solution à l'équilibre de lithium dans le germanium, et à température ambiante le taux de lithium les précipitations de la solution sont inacceptablement élevées.

Le fonctionnement à basse température dans des conditions de faibles courants d'obscurité et de faible capacité de jonction détermine la résolution énergétique record des détecteurs au germanium avec p - je - p-transition.

Détecteurs de rayonnement au germanium. Dans les détecteurs de ce type, la région sensible est créée suite à la compensation des donneurs dans l'original. n-Allemagne par niveaux accepteurs de défauts de rayonnement qui y apparaissent sous l'influence g- radiation. Ces défauts sont stables à température ambiante. Cela implique le principal avantage de ces détecteurs par rapport aux détecteurs de dérive : ils peuvent être stockés à température ambiante. La résolution énergétique des détecteurs de rayonnement au germanium est pire que celle des détecteurs de dérive (leur propre bruit est environ 2 fois plus élevé) et l'épaisseur de la région sensible est également plus petite, atteignant au mieux 0,2-0,3 cm.

3.7.3. Spectrométrie de rayonnement

Une condition nécessaire pour utiliser des détecteurs pour mesurer l’énergie des particules est que le trajet des particules s’insère complètement dans le volume du détecteur. Les détecteurs à semi-conducteurs sont de taille relativement petite. Le champ d’application est donc limité aux moyennes et basses énergies. Les détecteurs à semi-conducteurs présentent un avantage particulièrement important lors de l'enregistrement des rayons X et g- radiation.

Pour mesurer les particules à courte portée (particules a, fragments de fission nucléaire, ions lourds), les détecteurs avec р–п transitions. Pour la spectrométrie à rayons X et g - le rayonnement est utilisé par des détecteurs avec R-je– n- une structure avec un volume utile nettement plus important.

Riz. 3.17. Spectres de rayons gamma mesurés avec un détecteur à semi-conducteur germanium-lithium (---) et un détecteur à scintillation avec un cristal de Csl(Na) ()

La résolution énergétique des détecteurs à semi-conducteurs dans la région des énergies moyennes (de l'ordre de centaines de kiloélectrons-volts) dépasse la résolution énergétique des autres détecteurs (Fig. 3.17). Selon l'efficacité de l'enregistrement des rayons X et g-rayonnement ils dépassent le rayonnement gazeux de plusieurs ordres de grandeur (avec le même volume utile).

Conférence 15

4. PROCÉDÉS OPTIQUES D'ENREGISTREMENT DES RAYONNEMENTS IONISANTS

4.1.Détecteurs à scintillation de rayonnements ionisants

La méthode de détection des particules par scintillation est l’une des méthodes les plus anciennes et les plus simples.

Les scintillateurs sont des substances qui, sous l'influence de particules chargées et d'un rayonnement électromagnétique, émettent des photons dans la partie visible ou ultraviolette du spectre.

Dans sa forme la plus simple, cette méthode a été mise en œuvre dans le spinthariscope de Crookes (Fig. 4.1).

À la pointe de l'aiguille (2) est placée une source de particules a - une quantité insignifiante de Ra. A l'extrémité inférieure du tube se trouve un tamis (1) en sulfure de zinc (ZnS). Lorsqu'une particule a frappe l'écran, un éclair de scintillation se produit, que le chercheur observe à travers la lentille (3). Cette méthode a été utilisée avec succès au début du développement de la physique nucléaire et a permis de découvrir et d'étudier les processus de transformation des noyaux sous l'influence des particules a.

Le nombre de scintillations ayant été compté visuellement, le résultat dépendra fortement de facteurs subjectifs : formation du chercheur, fatigue, etc. Bien entendu, seules les sources de faible intensité peuvent être étudiées avec un tel appareil. Au fur et à mesure du développement des compteurs à ionisation, la méthode visuelle de comptage par scintillation a été supplantée.

La méthode de scintillation s'est généralisée après la création des tubes photomultiplicateurs (PMT en 1948-49) - des dispositifs capables de détecter de faibles éclairs lumineux. Cela a donné à la méthode un caractère objectif. Un compteur à scintillation moderne se compose d'un scintillateur et d'un photomultiplicateur.

L'utilisation de scintillateurs à base de substances organiques (naphtalène, anthracène, etc.) et d'halogénures de métaux alcalins a été décisive pour le succès de cette méthode. Une caractéristique avantageuse de ces substances est qu'ils sont transparents à leur fluorescence (luminescence), excitée par une particule rapide en route à l’intérieur de l’écran. Dans un scintillateur, des éclairs de lumière apparaissent non seulement sous l'influence de particules chargées, mais également sous l'influence des g-quanta et des neutrons, puisque les g-quanta, interagissant avec les atomes, créent des électrons de recul lors de la diffusion, et des neutrons, interagissant avec les noyaux. , créer des noyaux de recul ou des particules chargées à la suite de réactions (n, a)-, (n, p), etc. Cela a permis d'appliquer cette méthode non seulement pour enregistrer le rayonnement a, mais aussi pour b - g -rayonnement, rayonnement neutronique.

Des films minces (7 à 9 mg/cm2) de sulfure de zinc activé avec de l'argent et du cuivre sont utilisés comme scintillateurs pour le rayonnement a.

Pour enregistrer le rayonnement b, des monocristaux activés de sels d'halogénure alcalins NaI, CsI, LiI, Ca ou Cd tungstates, ainsi que des cristaux organiques d'une épaisseur d'environ 1 mm sont utilisés.

Pour enregistrer le rayonnement g, vous pouvez utiliser les mêmes cristaux que pour l’enregistrement du rayonnement b, de seulement quelques centimètres d’épaisseur.

La principale caractéristique d'un scintillateur est l'efficacité de conversion, c'est-à-dire le rapport entre l'énergie du flash lumineux et l'énergie absorbée par le scintillateur.

Si de l'énergie est absorbée dans le scintillateur W, puis le nombre de photons émis ( n) avec une énergie moyenne ( hvÉpouser), est égal à

n = W ∙ k / h ∙ n Épouser (4.1),

Où k– coefficient caractérisant le rendement de conversion du scintillateur.

Efficacité de conversion - Il s'agit de l'efficacité de la conversion de l'énergie d'un rayonnement ionisant en énergie lumineuse d'un flash de luminescence dans un scintillateur.

Généralement, le spectre des photons scintillateurs se situe dans la partie visible du spectre, donc hvÉpouser» 3 ev. Valeurs k pour différents scintillateurs, ils sont différents, mais ne dépassent pas 0,3.

Efficacité physique – le rapport entre l’énergie photonique et l’énergie absorbée, ou la fraction de l’énergie absorbée qui est réellement convertie en énergie lumineuse photonique.

Efficacité technique – le rapport entre l'énergie des photons sortant du scintillateur et l'énergie absorbée – la fraction d'énergie correspondant à la lumière de luminescence émise (c'est-à-dire sortant du scintillateur).

Les scintillateurs (luminophores) à haute efficacité physique, mais peu transparents à leur propre rayonnement, ont une faible efficacité technique. Des exigences particulièrement strictes en matière de transparence sont imposées aux scintillateurs utilisés dans les spectromètres à scintillation. Pour les scintillateurs utilisés dans les spectromètres, il est important que le rendement de conversion ne dépende pas de l'énergie du rayonnement. Le spectre de luminescence doit correspondre à la région de sensibilité spectrale la plus élevée du photomultiplicateur. (pour photocathodes antimoine-césium 3 800–7 000 Å).

Dans les cristaux organiques, lors de l'enregistrement de particules à ionisation spécifique élevée (particules a), une diminution de k est observée. Ainsi, dans l'anthracène, lors de l'absorption d'une particule B avec une énergie de 5 MeV, 10 fois plus de photons sont formés que lors de l'absorption d'une particule A avec la même énergie.

Les principales caractéristiques de certains scintillateurs sont données dans le tableau 4.1.

Tableau 4.1

Principales caractéristiques de certains scintillateurs

Matériel	Type de rayonnement	Rendement lumineux par rapport à l'anthracène (par rayonnement b)	Efficacité de conversion, k, % %	Temps de clignotement (temps pour réduire la luminosité du flash de e fois), sec
Naphtaline Anthracène Trans-stilbène
Polystyrène

Le schéma d'un capteur à scintillation avec un photomultiplicateur est présenté sur la Fig. 4.2.

Le détecteur fonctionne comme suit : Une particule rapide entrant dans le scintillateur excite ses atomes, provoquant un éclair de scintillation. Les photons produits dans le scintillateur, frappant la photocathode du photomultiplicateur, y font tomber des électrons. Ces électrons entrent dans un champ électrique accélérateur à l’intérieur du photomultiplicateur. Un électron accéléré frappant la première dynode en élimine plusieurs électrons en raison d'une émission secondaire. Les électrons résultants sont à nouveau accélérés et frappent la deuxième dynode, où la même chose se produit, etc.

Gain global

K = Ln (4.2),

Où L – coefficient d'émission secondaire (multiplication par 1 étage) (à une tension de 100-120 volts par étage L = 3–4), n– nombre d'étages d'amplification.

Fig. 4.2 Schéma d'un détecteur à scintillation avec photomultiplicateur.

Les PMT utilisés dans les capteurs à scintillateurs comportent 9 à 13 dynodes et fournissent K =105-1010. Étant donné que le PMT fournit un gain élevé, l'impulsion de tension de la résistance de charge est transmise au multivibrateur, où elle est amplifiée, formée et change de polarité, et l'impulsion du circuit anodique du multivibrateur est transmise directement au circuit de conversion. La cascade de formation dans les anciens circuits était réalisée sur des lampes, dans les nouveaux - sur des transistors et des microcircuits.

La caractéristique de fonctionnement du compteur a présente un plateau de 100 à 300 volts, et lors de l'enregistrement des rayonnements b et g, il n'y a pas de plateau. (Le rôle de la constance de l'énergie des particules a et de son absorption complète dans le scintillateur, donc la même amplitude des impulsions).

La tension de fonctionnement des compteurs à scintillation b et g est au rapport maximum https://pandia.ru/text/78/242/images/image023_4.gif" alt="(!LANG : Signature :" align="left" width="324" height="282">!} déterminer la concentration d'éléments radioactifs à la surface,

par exemple, dans les grains minéraux microscopiques de roche.

L'échantillon radiographique doit avoir une surface plane sur laquelle la surface sensible de la plaque photographique est placée dans l'obscurité. Le temps d'exposition dépend de la sensibilité de l'émulsion et de l'intensité du rayonnement. Après exposition, la plaque est développée et une empreinte de la répartition des radioéléments est obtenue dessus. (Si le médicament peut avoir un effet chimique nocif sur l'émulsion, une fine pellicule de cellophane est alors placée entre le médicament et la plaque)

La radiographie de contraste permet d'examiner visuellement la répartition d'un radioélément sur une grande surface. Pour la détermination quantitative, diverses zones sont photométriques