détecteurs de rayonnements ionisants Gérard Maurel IFMEM 2005

détecteurs : plan I introduction II film III détecteurs à gaz IV détecteurs à scintillation V spectrométrie VI autres détecteurs VII paramètres caractéristiques VIII conclusion

détecteurs I introduction 1 objectif 2 principe 3 place des détecteurs dans un service de médecine nucléaire 4 techniques 5 choix du détecteur

I introduction 1 objectif nombre de particules : mesure globale ou individuelle - déterminer leur énergie

I introduction 1 objectif - nombre de particules : mesure globale ou individuelle déterminer leur énergie 2 principe interaction rayonnement - matière production : lumière, e-, énergie

I introduction 3 place des détecteurs de rayonnements dans un service de médecine nucléaire vestiaire dosimètre injections compteur gamma-caméra labo chaud activimètre mains sonde accueil salle d’attente médecin informatique

I introduction 4 techniques variées : chimique, gaz, solide, liquide

I introduction 5 le choix du détecteur dépend : a du type de particule : a b g b de son énergie c de l'objectif : - image - fixation - calibration dose - radioprotection

I introduction 5 le choix du détecteur dépend : a du type de particule : a b g b de son énergie c de l'objectif : - image - fixation - calibration dose - radioprotection d du paramètre à mesurer : - nombre de particules (total ou taux/sec) - activité volumique - énergie

détecteurs I introduction II film III détecteurs à gaz IV détecteurs à scintillation V spectrométrie VI autres détecteurs VII paramètres caractéristiques VIII conclusion

II film 1 Principe 2 applications

II film : activation chimique radioactivité naturelle : Radium P et M Curie

II film : activation chimique

II film : activation chimique 1 Principe : le rayonnement ionise les sels Ag+Br- la densité Ag+ présensibilisé proportionnelle à l'irradiation réduction des sels d'Ag+ en Ag métal élimination des Ag+ restant

II film : activation chimique 1 principe : le rayonnement ionise les sels Ag+Br- la densité Ag+ présensibilisé proportionnelle à l'irradiation réduction des sels d'Ag+ en Ag métal élimination des Ag+ restant - mesure cumulée, usage unique 2 applications : - film dosimètre obligation légale de radioprotection - film radio

détecteurs I introduction II film III détecteurs à gaz IV détecteurs à scintillation V spectrométrie VI autres détecteurs VII paramètres caractéristiques VIII conclusion

III détecteurs à gaz 1 principe 2 types de détecteurs à gaz a chambre d'ionisation b compteur proportionnel c Geiger-Müller d chambre à fil

III détecteurs à gaz 1 principe

III détecteurs à gaz 1 principe ionisation gaz rare par les particules "ionisantes" les e- libérés sont attirés par l'anode centrale impulsion négative

III détecteurs à gaz 2 types de détecteurs à gaz production de charges 1 principe ionisation gaz rare par les particules "ionisantes" les e- libérés sont attirés par l'anode centrale impulsion négative 2 types de détecteurs à gaz production de charges électriques : fonction de la HT

III détecteurs à gaz a chambre d'ionisation HT = 100 Volts gaz rare 2 types de détecteurs à gaz a chambre d'ionisation HT = 100 Volts gaz rare signal électrique mesurable à partir d'un grand nombre de particules incidentes application : activimètre calibrage des doses administrées

III détecteurs à gaz a chambre d'ionisation application : 2 types de détecteurs à gaz a chambre d'ionisation HT = 100 Volts gaz rare signal électrique mesurable à partir d'un grand nombre de particules incidentes application : activimètre calibrage des doses administrées

III détecteurs à gaz b compteur proportionnel HT = 2000 V 2 types de détecteurs à gaz b compteur proportionnel HT = 2000 V 1 particule ---> 1 impulsion amplitude de l'impulsion proportionnelle à l'énergie déposée par la particule

III détecteurs à gaz Babyline c Geiger-Müller HT 3000 V 2 types de détecteurs à gaz c Geiger-Müller HT 3000 V gaz rare + traces de vapeur organique 1 particule ---> 1 impulsion : tout ou rien signal indépendant de l'énergie de la particule applications : faibles activités recherche de contamination Babyline

III détecteurs à gaz d chambre à fil gaz rare sous 3 Atm 2 types de détecteurs à gaz d chambre à fil gaz rare sous 3 Atm multiples fils (anodes) localisation sur un axe résolution < 1 mm application radiographie

détecteurs I introduction II film III détecteurs à gaz IV détecteurs à scintillation V spectrométrie VI autres détecteurs VII paramètres caractéristiques VIII conclusion

IV détecteurs à scintillation 1 cristal 2 photomultiplicateur 3 propriétés 4 chaîne de comptage

IV détecteurs à scintillation

photomultiplicateur cristal

IV détecteurs à scintillation 1 cristal photon incident -> cristal INa(Tl) ---> excitation, ionisation ----> excitation du Thallium ----> désexcitation du Tl : fluorescence visible

IV détecteurs à scintillation 2 photomultiplicateur photons lumineux -> produit quelques électrons

IV détecteurs à scintillation 2 photomultiplicateur photons lumineux -> produit quelques électrons multiplication des électrons : entre chaque dynode une ddp accélératrice (100V) arrache n électrons coefficient multiplicateur = nnombre de dynode

IV détecteurs à scintillation 2 photomultiplicateur photons lumineux -> produit quelques électrons multiplication des électrons: entre chaque dynode une ddp accélératrice (100V) arrache n électrons coefficient multiplicateur = nnombre de dynodes 3 propriétés - 1 photon gamma ---> 1 impulsion - impulsion de sortie négative - impulsion proportionnelle à l'énergie déposée par le photon gamma incident dans le cristal

IV détecteurs à scintillation 4 chaîne de comptage

IV détecteurs à scintillation 4 chaîne de comptage a applications comptage externe spectrométrie

IV détecteurs à scintillation 4 chaîne de comptage b discriminateur

détecteurs I introduction II film III détecteurs à gaz IV détecteurs à scintillation V spectrométrie VI autres détecteurs VII paramètres caractéristiques VIII conclusion

détecteurs V spectrométrie 1 principe 2 spectromètre monocanal 3 convertisseur analogique-numérique 4 spectromètre multicanal

V spectrométrie 1principe détecteur à scintillation : 1 photon gamma ---> 1 impulsion impulsion proportionnelle à l'énergie déposée dans le cristal exemple: 99mTc: 140 keV dépose 140 keV

V spectrométrie 1 principe détecteur à scintillation : 1 photon gamma ---> 1 impulsion proportionnelle à l'énergie déposée dans le cristal a interactions 99mTc: 140 keV dépose 140 keV mais : photons diffusés

V spectrométrie 1 principe détecteur à scintillation : 1 photon gamma ---> 1 impulsion proportionnelle à l'énergie déposée dans le cristal a interactions 99mTc: 140 keV dépose 140 keV b histogramme : du nombre d'impulsions détectées en fonction de leur amplitude en mVolts

V spectrométrie 1 principe b histogramme histogramme du nombre d'impulsions détectées en fonction de leur amplitude en mVolts spectre théorique : nombre d’évènements Amplitude 100 200 mV

V spectrométrie 1 principe histogramme du nombre d'impulsions détectées en fonction de leur amplitude en mVolts spectre réel : nombre d’évènements Amplitude 100 200 mV

V spectrométrie 1 principe histogramme du nombre d'impulsions détectées en fonction de leur amplitude en mVolts spectre réel :

V spectrométrie 2 spectromètre monocanal principe : double comparateur sélectionne les impulsions d'amplitude comprise entre seuils inférieur et supérieur a < V1 V1 < b < V2 c > V2

- identification d'un spectre V spectrométrie 2 spectromètre monocanal principe : double comparateur sélectionne les impulsions d'amplitude comprise entre seuils inférieur et supérieur applications: - mesure de fixation non parasitée par un autre isotope d'énergie plus élevée - identification d'un spectre enregistrement du spectre en énergie d'un photon gamma, comparaison avec des spectres connus

V spectrométrie 3 convertisseur analogique-numérique a convertisseur flash

3 convertisseur analogique-numérique V spectrométrie 3 convertisseur analogique-numérique b convertisseur à rampe

3 convertisseur analogique-numérique V spectrométrie 3 convertisseur analogique-numérique b convertisseur à rampe 1

3 convertisseur analogique-numérique V spectrométrie 3 convertisseur analogique-numérique b convertisseur à rampe 1 2

3 convertisseur analogique-numérique V spectrométrie 3 convertisseur analogique-numérique b convertisseur à rampe 1 2 3

mesure de l'amplitude de chaque impulsion V spectrométrie 4 spectromètre multicanal principe: mesure de l'amplitude de chaque impulsion utilise un convertisseur analogique-numérique tension ---> valeur numérique Intérêt : rapide

V spectrométrie 4 spectromètre multicanal principe: mesure de l'amplitude de chaque impulsion utilise un convertisseur analogique-numérique tension ---> valeur numérique Intérêt : rapide applications: * contrôle des sources * réglage des gamma-caméras

V spectrométrie conclusion : intérêt de la spectrométrie : éliminer les impulsions indésirables : - bruit - rayonnement diffusé - autre isotope - autre source

détecteurs I introduction II film III détecteurs à gaz IV détecteurs à scintillation V spectrométrie VI autres détecteurs VII paramètres caractéristiques VIII conclusion

VI autres détecteurs 1 semi-conducteurs (jonction) le rayonnement incident mobilise les e- qui vont peupler les trous positifs > production de courant

- température ambiante : CdTe (tellure de cadmium) VI autres détecteurs 1 semi-conducteurs le rayonnement incident mobilise les e- qui vont peupler les trous positifs > production de courant - refroidi : Ge-Li germanium lithium haute résolution peu sensible - température ambiante : CdTe (tellure de cadmium)

VI autres détecteurs 2 scintillation liquide mesure rayonnement b qui serait sinon absorbés par le milieu

VI autres détecteurs 2 scintillation liquide mesure rayonnement b qui serait sinon absorbés par le milieu 3 thermoluminescence rayonnement sur fluorures provoque des défauts stables qui produisent de la lumière par chauffage

VI autres détecteurs 4 calorimètre mesure le dépôt d’énergie 2 scintillation liquide mesure rayonnement b qui serait sinon absorbés par le milieu 3 thermoluminescence rayonnement sur fluorures provoque des défauts stables qui produisent de la lumière par chauffage 4 calorimètre mesure le dépôt d’énergie

VI autres détecteurs 5 autres scintillateurs solides - CsI(Tl) (Iodure de césium) détection gamma - plastiques scintillants : détection béta - BGO : germanate de bismuth - LSO : oxy-orthosilicate de lutétium

détecteurs I introduction II film III détecteurs à gaz IV détecteurs à scintillation V spectrométrie VI autres détecteurs VII paramètres caractéristiques VIII conclusion

VII paramètres caractéristiques d’un détecteur 1 sensibilité fonction de : - type de particule : a,b,g - énergie des particules - épaisseur du détecteur - masse volumique du détecteur : dépôt d'énergie croit avec masse et épaisseur

VII paramètres caractéristiques d’un détecteur 1 sensibilité fonction de : - type de particule : a,b,g - énergie des particules - épaisseur du détecteur - masse volumique du détecteur : dépôt d'énergie croit avec masse et épaisseur 2 efficacité géométrique nombre de particules détectées nombre de particules émises

VII paramètres caractéristiques d’un détecteur 2 efficacité géométrique nombre de particules détectées nombre de particules émises fonction de la géométrie

VII paramètres caractéristiques d’un détecteur 3 temps mort durée impulsion

VII paramètres caractéristiques d’un détecteur 3 temps mort paralysie du comptage > non linéarité

VII paramètres caractéristiques d’un détecteur 4 résolution en énergie = Largeur à mi-hauteur hauteur du pic PE 15% pour INa

VII paramètres caractéristiques d’un détecteur 4 résolution en énergie Ge-Li : très bon INa : bon Cd-Te : médiocre INa

5 seuil de détection par rapport au bruit de fond : VII paramètres caractéristiques d’un détecteur 4 résolution en énergie Ge-Li : très bon INa : bon Cd-Te : médiocre 5 seuil de détection par rapport au bruit de fond : Cd-Te : médiocre :

détecteurs I introduction II film III détecteurs à gaz IV détecteurs à scintillation V spectrométrie VI autres détecteurs VII paramètres caractéristiques VIII conclusion

VIII CONCLUSION suivant le types de détecteurs: 1 activation chimique: film dosimètre

VIII CONCLUSION suivant le types de détecteurs : 1 activation chimique : film dosimètre 2 ionisation: a basse tension: peu sensible pour grand flux de particules chambre à ionisation b haute tension 1 impulsion par particule G-M --> comptage

1 impulsion par particule proportionnelle à l'énergie VIII CONCLUSION suivant le types de détecteurs : 1 activation chimique : film dosimètre 2 ionisation: a basse tension : peu sensible, grand flux de particules, chambre à ionisation b haute tension 1 impulsion par particule --> comptage 3 scintillation a solide NaI, BGO, LSO b liquide : détection b 1 impulsion par particule proportionnelle à l'énergie