détecteurs méthodes - campusneo.mines-nantes.fr · ª basés sur l’interaction des rayonnements...
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Vincent Métivier 1 mars 2004
TECHNIQUES DE DÉTECTION ET ELECTRONIQUE NUCLÉAIRE
Que veut-on détecter ?
Type de particule ou rayonnement Grandeur physique à déterminer
Détecteurs à gaz
à semi-conducteur à scintillateur
Méthodes télescope
temps de vol déviation magnétique
+
Chaîne électronique
Vincent Métivier 2 mars 2004
RAPIDE REVUE DES DÉTECTEURS ...
basés sur l’interaction des rayonnements et particules avec la matière :
photons (effet photoélectrique, Compton, matérialisation)
particules chargées (ionisation, excitation)
neutrons (collisions, interaction forte)
trois principales familles :
à gaz
à semi-conducteur
à scintillateur
Vincent Métivier 3 mars 2004
Interaction photon-matière
• atténuation exponentielle :
• trois effets prépondérants :
L’atténuation est d’autant plus importante que
L’énergie du photon incident est faible et le numéro atomique de la cible est élevé.
Vincent Métivier 4 mars 2004
Interaction particules chargées - matière
• Transfert Linéique d’énergie : (formule de Bethe-bloch)
( )− = − − − −⎡
⎣⎢
⎤
⎦⎥
dEdx
z em v
NZm vI
CZ
K4 21
2 4
02
02
2 2πβ βln ln
Parcours et Courbe de Bragg
Vincent Métivier 5 mars 2004
Interaction neutrons - matière
Les neutrons interagissent très peu avec la matière
⎯→ réactions nucléaires
collisions (diffusion) : le neutron
incident est ralenti
capture : le neutron incident est absorbé par un noyau
(essentiellement pour les neutrons lents)
ex : Direct Radiative Capture ⎯⎯→
La caractérisation d’un neutron passe toujours par la détection des produits
(chargés ou photons) de son interaction...
Vincent Métivier 6 mars 2004
Principe de fonctionnement des détecteurs à gaz
Passage particule chargée ionise le gaz : une paire électron - ion est créée pour
environ 30 eV déposés.
collection grâce à un champ électrique E créé par une ddp :
• détecteur cylindrique : E en 1/r. • détecteur plan : E constant.
Le gaz utilisé est généralement de l’argon (gaz rare bon marché) mélangé avec un gaz polyatomique, ou
d’autres combinaisons plus exotiques...
Différents domaines de fonctionnement suivant la tension appliquée
Vincent Métivier 7 mars 2004
Chambres proportionnelles multifils (MWPC)
G.Charpak et al, Nucl. Instr. and Meth. 62, 235 (1968) G.Charpak et al, Nucl. Instr. and Meth. 80, 13 (1970)
Ce n’est pas un compteur plan : chaque fil se comporte comme un compteur proportionnel indépendant !
Vincent Métivier 8 mars 2004
Compteurs Geiger-Muller
En régime Geiger, la multiplication arrive à saturation : le signal est le même, quelque soit l’énergie déposée par la particule incidente. Le signal est lent (de l’ordre de la ms), mais suffisamment élevé pour être directement exploitable.
C’est un compteur (il ne fait que compter !) bon marché et de mise en œuvre facile.
On utilise une faible proportion de gaz dits de « quenching » (ex : CH4, Alcool,...) qui permet de tuer l’avalanche (ils n’émettent pas de photons)
pour éviter qu’elle n’amorce une décharge continue...
Vincent Métivier 9 mars 2004
Les Détecteurs à semi-conducteurs
Une particule « ionisante » en excitant des électrons de la Bande de Valence
va les faire passer dans la bade de conduction.
En moyenne, il faut 3 eV pour créer une paire électron-trou.
Utilisation de jonctions np polarisées :
La zone « déplétée » est la zone active
du détecteur.
On utilise du Si pour les particules chargées, du Ge (hyper-pur ou dopé Li) pour les photons γ et du Si(Li) pour les rayons X.
Avantages : .vitesse de collection des trous et électrons voisines .signal 20 fois plus grand par rapport à l’ionisation d’un gaz .très bonne résolution en énergie .réponse temporelle rapide (ns)
Inconvénients : .taille très réduite, ainsi que l’épaisseur (parfois un avantage !) . coût très élevé . zones mortes
Vincent Métivier 10 mars 2004
Les Détecteurs à Scintillation
Détecteurs de moindre performance, mais grandes tailles possibles
bonne efficacité.
Lors du passage d’une particule ou d’un rayonnement dans ces détecteurs, il y a excitation de ses atomes qui vont se désexciter par émission de « lumière ». on distingue :
• les scintillateurs organiques : (contiennent des atomes d’Hydrogène) : bonne efficacité aux neutrons et particules chargées (cristaux, plastiques, liquides, films,...)
• les scintillateurs inorganiques : (généralement numéro atomique élevé) : détection des rayons γ et particules chargées (NaI, CsI, BGO, BaF2)
Certains scintillateurs présentent une fluorescence retardée
qui permet une discrimination de forme du signal...
Vincent Métivier 11 mars 2004
Le Photomultiplicateur (PM)
Il transforme le signal lumineux issu du scintillateur en signal électrique.
Il se compose principalement :
• d’une photocathode qui effectue la conversion du flux de photons incidents en un flux d’électrons.
• d’une optique d’entrée constituée d’une ou de plusieurs électrodes de focalisation et d’une électrode accélératrice. L’optique d’entrée est destinée à concentrer tous les électrons issus de la photocathode sur la première électrode du multiplicateur.
• d’un multiplicateur d’électrons formé d’une succession d’électrodes appelées dynodes, lesquelles multiplient en cascade le nombre des électrons pénétrant dans le multiplicateur.
• d’une anode chargée de recueillir le flux d’électrons issu de la dernière dynode du multiplicateur et sur laquelle est prélevé le signal de sortie.
Vincent Métivier 12 mars 2004
Dynodes et diviseur de tension
gradient de potentiel réalisé
par un diviseur de tension à résistances.
Galette à
microcanaux
chaque canal se comporte comme une « dynode continue »
Vincent Métivier 13 mars 2004
Discrimination de forme (exemple ICs)
QL
QR
Vincent Métivier 14 mars 2004
Méthode ∆E - E
Utilisation de 2 (voire plusieurs) détecteurs en cascade :
télescope
Le choix des détecteurs dépend du type de noyaux à étudier.
Ε
∆Ε
Vincent Métivier 15 mars 2004
Spectromètres Magnétiques
Les aimants permettent de nombreuses mesures très précises
déviation de particules chargées.
Spectrométrie nucléaire :
Trajectographie de
particules :
... « Vue d’ensemble non exhaustive »
des techniques de détection ...
PARTICULE GRANDEUR MESUREE METHODES POSSIBLES AVANTAGES INCONVENIENTS
Particule chargée
Energie Chambres à gaz Grand angle solide Peu cher Pas de dégradation aux rayonnements
Lent Inadapté aux grands dépôts d’énergie
Détecteurs à barrière de surface (semi-conducteurs)
Bonne résolution (qques 10-3 à 10-2) Rapides
Onéreux Inadapté aux grands dépôts d’énergie
Scintillateurs plastiques Adaptés aux grandes énergies Peu onéreux Rapides
Résolution médiocre
Spectromètre magnétique Très bonne résolution ( < 10-4 ) Petit angle solide, très onéreux, plusieurs mesures nécessaires
Masse
par temps de vol
Plaques parallèles Très rapides Grande surface
Faibles épaisseurs Taux de pertes pour e-, p, α
Détecteurs à barrière de surface Rapides Très faibles épaisseurs impossibles Petites surfaces
Plastiques scintillateurs minces Faibles épaisseurs Assez grandes surfaces
Mal adaptés aux ions lourds
Galettes à microcanaux Très faibles épaisseurs Très rapides
Petites surfaces Taux de pertes pour e-, p, α
Spectromètre magnétique Permet de séparer des masses jusqu'à A≈100
Mesures longues, coûteuses Très faible efficacité
Numéro atomique E * ∆E avec barrière de surface Bonne précision Limité du côté des grands Z Coût élevé
E * ∆E gaz Bonne précision Moins limité du côté des hauts Z
Charge Aimant Toutes les charges peuvent être mesurées et séparées
Rayons γ Energie NaI Grand angle solide Grande efficacité
Résolution médiocre Résolution en temps médiocre
Ge(Li) Très bonne résolution Faible efficacité Faible angle solide Coût élevé Refroidissement nécessaire
Ge intrinsèque Idem Ge(Li), mais refroidissement non nécessaire
Coût très élevé Faible efficacité Faible angle solide
Rayon X électron
Energie Si(Li) Bonne épaisseur (=/ barrière de surface) Bonne résolution
Neutron Energie Scintillateur plastique Rapide Pas de discrimination de forme
(temps de vol) Scintillateur liquide Rapide Discrimination de forme possible