Détection et mesure des rayonnements ionisants - 1 The topic of now discussion is “ ………………………..” Jour 3 – Leçon 3

Objectif Apprendre davantage sur les différents types de détecteurs de rayonnements utilisés en radioprotection

Contenu Détecteur Principe d’un détecteur Types de détecteurs

Détecteurs Le détecteur est une base fondamentale dans toute pratique mettant en œuvre des rayonnements ionisants La connaissance parfaite des instruments ainsi que leur limitation est essentielle pour une bonne interprétation des résultats de mesures

Matière du Détecteur Tout matériau qui présente des changements mesurables lorsqu’il est présenté aux rayonnements ionisants peut être utilisée comme détecteur de rayonnement ionisant. Changement de couleurs Les changements chimiques Émission de lumière visible La charge électrique Détecteurs actifs: mesure immédiate de la modification. Détecteurs passifs: le traitement avant la lecture Any material which shows measureable change when radiation fall/pass through it can be used as a radiation detector material. E.g. when radiation pass/on fall on the material may be its colour change, may some chemical changes take place, may be visible light emitts from the mateiral and may be electric charge produced in the material. So by using these behaviors of the materials against ionization radiations detectors may be fabricated to detect & measure the ionization radiations. Radiation detectors are of two type…………..

Principe d’un détecteur Détecteurs rempli de Gas Chambres d’ionisations Compteurs proportionels Geiger Müller (GM) - tubes Détecteurs à Scintillation solides liquides Autres détecteurs Semi conducteurs Films Détectors à Thermoluminescense (TLD) In some detectors Gas is used a detecting medium e.g. ……………….. And in some detectors scintillation is used as a detecting principle e.g ……….. scintillating. Some used semi conductor , film or TLD as detecting material. These are the some basic detector principles

Types de détecteurs Détecteurs thermoluminiscents 1) Compteurs Détecteur rempli de gaz Détecteurs à scintillations 2) Spéctromètres Détecteurs solides 3) Dosimètres Détecteurs thermoluminiscents Film There are three types of detectors called counters, spectrometers & dosimeters, Gas filled detectors & scintillation detectors may be used as a counter. And scintillation detectors & solid state detectors may be used as spectrometers and similarly, gas filled detectors, solid state detectors, scintillation detectors, thermoluminiscent detectors, films may used as a dosimeters. We see that some detectors may be used for multipurpose as a counter or spectrometers or dosimeters .

Types de détecteurs Effet Type d’ Instrument Détecteur Electrique Chambre d’ionisation Compteur proportionnel Tube GM Détecteur solide Gas Semiconducteur Chemique Film Dosimètre chimique Émulsion Photographique Solide ou Liquide Lumière Compteurs à scintillations Cristal ou Liquide Thermo- luminescent Dosimètre Thermo - luminescent Cristal Chaleur Calorimètre First column shows the behavior of detectors against ionization radiations. Either electric charge produced, chemical changes produced, visible light produced either thermoluminescense or heat produced when radiation pass/fall on the detecting material. 2nd column shows the types of instruments………….. And third column shows the detector medium used.

Détecteurs remplis de gaz Ces détecteurs consistent en: un tube rempli de gaz électrode positive (anode) et une électrode négative (cathode)

Régions des Opérations pour les détecteurs remplis de à Gaz Gas filled detectors are operated in the regions mentioned here. We plot a graph b/w the applied voltage V and the current produced due to the collection of ion pairs at the respective electrodes. when the incident radiation pass through the gas tube, it ionize the gas molecules and produces ion pairs. Initially when the applied current is zero or minimum, the produced ions will not move towards the respective electrodes rather they recombine to form again neutral molecule. When we further increase the voltage to the electordes the ion pairs start to collect at their respective electrodes and current will pass through the circuit and show the indication of radiation. When further increase the applied voltage to the electrodes the increase in the current will be very small about negligible and from the curve you see that it is about flat region and this region is called saturation region or Ionization Chamber Region. Ionization chambers are operated in this region at normal mode. When we further increase the applied voltage, the electron when are coming towards the anode get so much k.E that they produced further ionization on their way towards the anode and as a result current in the circuit sufficiently increased. As the voltage is increased still further, the threshold field at which gas multiplication begins is reached. The collected charge then begins to multiply, and the observed pulse amplitude will increase. Over some region of the electric field, the gas multiplication will be linear, and the collect-ed charge will be proportional to the number of original ion pairs created by the incident radiation. This is the region of true proportionality and represents the mode of operation of conventional proportional counters,

Chambres d’Ionisation Plus simple de tous les détecteurs de rayonnement remplis de gaz Un champ électrique (104 V / m) est utilisé pour collecter l'ensemble des ionisations produites par le rayonnement incident dans le volume de gaz Dans la plupart des chambres d'ionisation, le gaz entre les électrodes est de l'air. La chambre peut ou ne peut pas être scellée de l'atmosphère. Il existe de nombreuses conceptions différentes pour les électrodes dans une chambre d'ionisation, mais en général, elles sont constituées d'un fil à l'intérieur d'un cylindre, ou une paire de cylindres concentriques Here are some important points about ionization chambers..

Chambres d’Ionisation Ion négatif Ion Positif Electromètre + 1234 HV - La réponse est proportionelle au nombre d’ionisations (activité, débit d’exposition) Some genral properties of ionization chamber are....................... Propriétés générales des Chambres d’ionisations Haute précision Stable Sensibilité relativement faible

Exemples de chambre d’ionisations here are the snaps of different kinds of ion chambers.

Applications des chambres d’ionisations Mode courent Spectrométrie Alpha Surveillance radiologique Calibration de sources de rayonnements Mesure des gaz radioactifs Mode Pulsé Comptage Ion chambers may be operated into two modes…………………

Propriétés des chambres d’ionisations Haute précision Stables Sencibilité relativement basse

Problèmes des chambres d’ionisations Un problème de base avec des chambres d'ionisation, c'est qu'ils ne sont pas tout à fait efficaces comme détecteurs de rayons x et gamma. Seul un très faible pourcentage (moins de 1 pour cent) de rayons X ou gamma en passant par la chambre crée l’ionisation de l’air . Pour les rayons x et gamma, leur réponse varie avec l'énergie du photon, à cause de l'absorption des photons dans le volume de gaz L'efficacité de détection et de la pénétration relative des photons à travers les parois de la chambre sont deux processus dépendant de l'énergie There are some pro blems with the ion chambers especially for X-ray and gamma measurements …………………..

Compteurs Proportionnels Les compteurs proportionnels sont exploités à une tension de champ électrique de 106 V/m pour les gaz provoquant des avalanches Applications Basse énergie des rayons x Détection de Neutrons Spéctrosmétrie

Détecteurs Proportionnels Multiplication & Avalanche dans le gaz L'avalanche s'arrête une fois que le champ électrique est réduit à un seuil à cause de la charge d'ions positifs accumulés dans le gaz . anode un électron cathode

Propriétés des compteurs Proportionnels Ils peuvent être utilisés dans des situations dans lesquelles le nombre de paires d'ions générées par le rayonnement est trop faible pour permettre un fonctionnement satisfaisant dans les chambres d'ionisation de type pulsé. Une sensibilité un peu plus élevée que la chambre d'ionisation Utilisé pour les particules et les photons de basse énergie

Compteurs GM Lorsque l'intensité du champ électrique à travers un compteur proportionnel est augmentée (> 106 V / m), le dispositif entre dans une région de fonctionnement du compteur GM. Le compteur GM est un dispositif à ionisation de gaz dans lequel l'effet d'ionisation crée une réaction qui peut être convertie en un signal de sortie électrique. C'est un détecteur rempli de gaz conçu pour un effet d'amplification maximale de gaz.

Structure du tube GM Le fil central (anode) est maintenu à une tension positive élevée par rapport à l'électrode cylindrique extérieure (cathode). L'électrode externe peut être un cylindre en métal ou une couche de film métallique à l'intérieur d'un tube en verre ou en plastique. Des compteurs GM ont une fenêtre d'entrée de rayonnement mince à une extrémité du tube. Le cylindre ou le tube est scellé et rempli d'un mélange de gaz spécial, typiquement de l'argon ainsi qu'un gaz de trempe.

Gaz de remplissage Les gaz utilisés dans un tube GM doivent répondre à certaines exigences telles que celles des compteurs proportionnels. Les gaz rares sont largement utilisés pour le remplissage des tubes GM, avec de l'hélium et l'argon, les plus populaires. Un deuxième volet est normalement ajouté à la plupart des gaz GM à des fins de refroidissement, les avalanches d'électrons.

Usage des tubes GM Simple, peu coûteux, facile à utiliser Impulsion de type compteur qui enregistre le nombre d'événements de rayonnement Toutes les informations sur l'énergie sont perdues, n’ont pas la capacité de faire la spectrométrie Temps mort dépasse largement tout autre détecteur de rayonnement couramment utilisé Il a une sensibilité élevée, mais a une précision faible.

Types des tubes (GM)

Détecteurs à Scintillation Scintillation est un moyen de détection de la présence de rayonnements ionisants Le rayonnement ionisant interagit avec un scintillateur qui produit une impulsion de lumière Cette lumière interagit avec une photocathode qui se traduit par la production d'un électron L'électron est multiplié dans un tube photomultiplicateur ayant une série de dynodes ciblées avec l'augmentation de la tension qui résulte en un signal électrique,

Détecteurs à scintillation Le nombre de coups dépend de l'activité présente L'énergie de l'électron, et par conséquent, le courant associé est proportionnel à l'énergie du rayonnement ionisant incident En analysant l'énergie et le nombre de coups correspondant, le nucléide et l'activité peuvent être déterminés

Détecteurs à scintillation Il existe plusieurs types de détecteurs à scintillation: scintillateur NaI (iodure de sodium): limité à la détection des gamma; scintillateur plastique: solution de composés fluorescents inclus dans une matière plastique transparente (portiques); scintillateur ZnS (sulfure de zinc): utilisés pour la détection du rayonnement alpha

Détecteurs à scintillation (alpha) The alpha scintillator is typically zinc sulfide.

Détecteurs à scintillation (alpha) Le tube du photomultiplicateur se trouve dans le poigné.

Détecteurs à Scintillations (photons) This is a review of an earlier slide showing the photocathode and photomultiplier tube. This slide shows the use of the scintillation detector (typically this would be sodium-iodide, NaI) in a shielded counting system – this configuration is used in counting low levels of activity, such as environmental monitoring. In addition, it shows how lead X-rays end up creating a signal that is detected (although the graphic shows the lead X-ray heading for the PM tube). Lead x-ray interference may be reduced using a graded shield-the inside of the lead walls are shielded with cadmium (Cd), and next with a layer of copper (Cu). The cadmium absorbs the lead x-ray, while the copper absorbs any cadmium X-rays produced. The figure also shows how Compton backscattered photons are produced.

Analyse du spectre Des détecteurs à scintillation, lorsqu'ils sont utilisés avec un analyseur multi canal (MCA) fournissent des informations sur l'énergie d'un photon qui a interagi avec le détecteur, ainsi que l'activité présente Le spectre peut être analysé pour déterminer les isotopes qui sont présents

Dosimètres Thermolumniscents (TLD) Mécanismes de Thermoluminescence : Thermoluminescence est l'émission de lumière à partir d'un cristal en chauffage, après l'enlèvement d'excitation (c.-à rayonnement ionisant). La dose de rayonnement amène les électrons dans le cristal de passer d'états de faible énergie à des états d'énergie supérieurs. Thermoluminescence est l'émission de lumière à partir d'un cristal en chauffage, après l'enlèvement d'excitation (c.-à rayonnement ionisant). La dose de rayonnement amène les électrons dans le cristal de passer d'états de faible énergie à des états d'énergie supérieurs. Certains de ces électrons excités sont piégés dans des états métastables Ces photons peuvent être collectées avec un tube photomultiplicateur. Par un étalonnage approprié, la dose délivrée au cristal peut être mesurée.

Dosimètres Thermolumniscents (TLD) Certains de ces électrons excités sont piégés dans des états métastables Ces photons peuvent être collectées avec un tube photomultiplicateur. Par un étalonnage approprié, la dose délivrée au cristal peut être mesurée.

Processus Simplifié du TLD Thermoluminescence dosimeters (TLDs) are crystals that can store some of the energy deposited by ionising radiation in a retrievable form. The figure illustrates the principle of Thermo , (one applies heat) Luminescence (and the crystal emits light) and Dosimetry (of which the intensity is related to the dose of ionizing radiation absorbed by the crystal prior to heating",). While the emitted light is proportional to the absorbed radiation the proportionality constant varies with radiation energy, total dose, TLD material and - most difficult to account for - thermal history of the crystals. As such, TLD is mostly used as a relative dosimetric technique in which the dose to be determined is compared to a similar known dose given to the same or a similar TL detector. TLDs have the advantages of small physical size and that no cables are required during irradiation. As such they are particularly well suited for measurements within solid phantoms and in vivo dosimetry. The chief disadvantages are the delay between irradiation and the readout process and the complexity of the whole TLD set-up.

Thermoluminescence principe duTLD Chauffage du filament Émission de lumière photomultiplicateur matériau Thermo-luminescent

Courbes de lecture TLD Shown here is the fact that different trap depths lead to different temperatures required for freeing the electrons from the traps, leading to differnet glow peaks.

Dosimètres TL Ci-après quelques matériaux utilisés comme dosimètres TL . FLi Feldspars CaF2 Quartz CaSO4 Topaz Li2B4O7 Diamond KBr

TLD Pas d’enregistrement permanent Advantages: Petite taille Haute sensibilité Intégration Equivalent Tissus Inconvénients: Temps de réponse lent Pas d’enregistrement permanent

Détecteurs de Neutrons BF3 BF3 Construction du tube Dimensions et géométrie du tube Tube de grande taille à forte pression de gaz de remplissage Il est d’une géométrie cylindrique Cathode Al : Section efficace pour l’absorption des neutrons SS : Préféré par rapport aux autres car Al montre l’activité alpha

Détecteurs de Neutrons BF3 Effet du vieillissement Dégradation des performances après l’enregistrement de 1010 - 1011 coups Rendement de détection Efficacité diminue brusquement avec l'augmentation de l'énergie des neutrons Espaces morts pour la collecte de charge réduisent l'efficacité de détection Li have energy 0.84 MEV and Alpha have 1.47 MeV

Neutrons lents Détecteurs au Litium la réaction induite par les neutrons est détectée sur la base des scintillateurs au lithium La fonction du scintillateur LiI(Eu) comme le détecteur NaI(Tl) La taille des cristaux est plus grande que la gamme de production de réaction, la réaction de la hauteur d'impulsion est sans effet et une seule paroi est formée L'efficacité de scintillation est presque la même pour les particules chargées lourdes et les électrons secondaires H-3 has energy 2.73 MeV whereas Alpha has energy 2.05 MeV La taille des cristaux est plus grande que la gamme de production de réaction, la réaction de la hauteur d'impulsion est sans effet et une seule paroi est formée L'efficacité de scintillation est presque la même pour les particules chargées lourdes et les électrons secondaires

Le compteur Proportionnel à 3He Conception du tube à 3He Diamètre plus large que possible La Pression 3He est augmentée pour réduire la portée des particules chargées Ajouter une petite quantité d'un gaz plus lourd pour augmenter le pouvoir d’arrêt H-3 has energy 0.191 MeV and Proton has energy 0.573 MeV.

Détecteurs d’état solide Les détecteurs d’état solide sont appelés aussi des détecteurs Semi-conducteurs Dans ces détecteurs de rayonnement, un matériau semi-conducteur un cristal tel que le silicium (Si) ou germanium (Ge) constitue le moyen de détection. Dans le détecteur les paires d’électron-trou sont produites lorsqu’une particule du rayonnement ionisant le traverse En conséquence, une impulsion de courant généré est mesurée Le fonctionnement des détecteurs Ge(Hp)e nécessite l'azote liquide

Détecteurs d’état solide

Utilisation du Solide comme moyen de détection Dans de nombreuses applications de détection de rayonnement, l'utilisation de support solide est d'un grand avantage Pour les électrons de haute énergie et des gammas, des détecteurs à semi-conducteurs sont beaucoup plus petits que les détecteurs remplis de gaz La résolution en énergie peut être améliorée en augmentant le nombre de porteurs de charge - possible dans les semi-conducteurs Dans de nombreuses applications de détection de rayonnement, l'utilisation de support solide est d'un grand avantage Pour les électrons de haute énergie et des gammas, des détecteurs à semi-conducteurs sont beaucoup plus petits que les détecteurs remplis de gaz La résolution en énergie peut être améliorée en augmentant le nombre de porteurs de charge - possible dans les semi-conducteurs

Détecteurs Semi-conducteurs Les caractéristiques souhaitables de - (détecteurs à diode semi-conducteur) ou des détecteurs à l’état solide Taille compacte Résolution en énergie élevée Temps de réponse rapide Épaisseur efficace - peut varier en fonction de l'exigence matériaux semi-conducteurs Silicium - Utilisé pour la spectrométrie des particules chargées Germanium - Utilisé pour la spectrométrie gamma

Détecteurs Semi-conducteurs Lorsqu'une tension positive est appliquée sur le matériau de type-n et la tension négative au matériau de type-p, les électrons sont expulsés plus loin de la région en créant une région d'appauvrissement beaucoup plus épaisse La région d'appauvrissement agit comme le volume sensible du détecteur Le rayonnement ionisant en entrant dans cette région va créer des trous et des électrons en excès qui migrent et provoquent une impulsion électrique Lorsqu'une tension positive est appliquée sur le matériau de type-n et la tension négative au matériau de type-p, les électrons sont expulsés plus loin de la région en créant une région d'appauvrissement beaucoup plus épaisse La région d'appauvrissement agit comme le volume sensible du détecteur Le rayonnement ionisant en entrant dans cette région va créer des trous et des électrons en excès qui migrent et provoquent une impulsion électrique

Détecteurs Semi-conducteurs Polarisation inverse Intrinsèque/ Région d’épuisement Cathode (-) Anode (+) + + - -

Détecteurs Semi-conducteurs Les rayons gamma transfert l'énergie aux électrons (principalement par diffusion Compton) et ces électrons traversent la région intrinsèque du détecteur e (+) (-)

Film Dosimètre Filtre du Cu (0.05, 0.3 et 1.2 mm) Fenêtre ouverte 0.8 mm Filtre en Pb Filtre du Cu (0.05, 0.3 et 1.2 mm) Kodak Type 2 Film Radiographique

Film Dosimètre Les dosimètres films (communément connus par film badge) sont constitués d'un morceau de film photographique dans un support Le support est équipé d'une gamme de filtres qui nous permettent de distinguer entre les bêta, rayons X, gamma et les neutrons thermiques et permet également la détermination de l'équivalent de dose individuel pour Hp (10), Hp (0,07) et Hp (3)

Film Dosimètre En déterminant le degré de noircissement (densité optique) sur le film développé et en la comparant avec des films calibrés qui ont été exposés à des doses connues, il est possible de déterminer à la fois la dose totale reçue par l'utilisateur et également la contribution de la dose totale par l'type de rayonnement Les différents filtres utilisés dans les films badges permettent de déterminer les doses: corps Hp (10), la peau Hp (0,07) et les yeux Hp (3) qui sont présentées dans la figure et le tableau ci-dessous

Film Dosimètre Filtre Application Fenêtre béta et rayons x mous Plastique (50 mg cm-2)  et ray-x dose et énergie* Plastique (300 mg cm-2)  et ray-x dose et énergie* Dural (0.040”)  et ray-x dose et énergie * Sn + Pb (0.028” 0.012”)  et ray-x dose et énergie * Cd + Pb (0.028” 0.012”) neutrons lents** Plomb (0.012”) bord blindage+ Indium (0.4 g) suivi de l'accident de neutrons * détermination quantitative de ** par gamma émis après la capture par le cadmium + d'éviter le chevauchement d'un noircissement du film dû à l'angle d’incidence du rayonnement

Film Dosimètre A - Plastic B to E - Metallic filters O - Open window Package A - Plastic B to E - Metallic filters O - Open window A B C D E O Film Package A - Plastic filter B to E - Metallic filters O - Open window

Film Dosimètre La densité sur le film résulte de trois sources de base : Base+Fog Exposition Noir = exposé Blanc = non exposé Al Filter Pb Filter

Où trouver plus d’information Cember, H., Johnson, T. E, Introduction to Health Physics, 4th Edition, McGraw-Hill, New York (2009) International Atomic Energy Agency, Postgraduate Educational Course in Radiation Protection and the Safety of Radiation Sources (PGEC), Training Course Series 18, IAEA, Vienna (2002)