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Le rayonnement gamma
Le rayonnement gamma, mis en évidence par le physicien français Paul Villard en 1900, se trouve à l’extrémité du spectre des rayonnements électromagnétiques, a des énergies au-delà de10 𝑘𝑒𝑉. Le rayonnement gamma est moins ionisant que les particules alpha ou les électrons ; mais par contre, il est beaucoup plus pénétrant que ces derniers. On en conclut que pour pouvoir être détecté, le matériau constituant le volume du détecteur doit être suffisamment dense pour être capable d’arrêter le rayonnement gamma. De ce fait, on privilégie l’utilisation de détecteur solide. Son pouvoir ionisant et sa capacité à pénétrer profondément dans la matière font du rayonnement gamma un moyen d’irradiation de choix, utilisé à divers fins de traitement des tissus cancéreux en radiothérapie , stérilisation de certains produits dans des domaines pharmaceutique et cosmétique, ionisation des aliments pour leur conservation, amélioration des plastiques ou encore étude du vieillissement et de la tenue aux radiations de certains matériaux pour des applications militaires, spatiales ou nucléaires.
De manière similaire au scanner à rayons X, des systèmes d’imagerie gamma ont été développés actuellement et sont utilisés pour rechercher des anomalies et défauts dans les pièces métalliques ou encore pour contrôler les conteneurs. En imagerie médicale, la scintigraphie et, plus récemment, la tomographie par émission de positron, ou TEP, permettent d’analyser la structure des tissus d’un organe dans lequel un marqueur radioactif a été injecté au préalable .
Interaction de photon gamma avec la matière
En pénétrant dans la matière, les photons gamma peuvent interagir avec les atomes de différentes manières. Les interactions sont dues : Aux électrons atomiques, Au noyau, Au champ électromagnétique du noyau, Au champ électromagnétique des électrons.
Lorsqu’ils traversent la matière, les photons gamma sont absorbés essentiellement par trois effets en fonction de leur énergie et des caractéristiques du milieu en présence : l’effet photoélectrique, la diffusion Compton,la production de paires électron-positron.
L’effet photoélectrique et la matérialisation font disparaitre complètement le photon, alors que l’effet Compton est une diffusion suivie d’une cession d’énergie.
A ces trois effets principaux s’ajoute de nombreux autres effets qui ont d’autre importance dans d’autres points de vue. Ce sont :
La diffusion élastique d’un photon qui consiste en une collision avec la matière au cours de laquelle le photon ne perd pas d’énergie. La diffusion élastique comporte deux types de diffusion : la diffusion Thomson et la diffusion Rayleigh.
La diffusion Thomson est en fait la diffusion élastique d’un photon par une particule libre chargée, en général un électron. En pratique, la diffusion Thomson concerne les photons de faible énergie qui sont absorbés par un électron atomique, c’est un électron libre ou de valence. Cet électron est ainsi mis en oscillation forcée et réémet un photon de même énergie que le photon incident, avec une direction aléatoire.
A faible énergie, la longueur d’onde du photon incident est du même ordre de grandeur que la dimension de l’atome. Dans ce cas, au lieu d’interagir avec un seul électron, le photon incident interagit avec tous les électrons de l’atome qui se mettent à osciller en phase avant d’émettre un photon de même énergie que le photon incident. Ce type de diffusion élastique est connu sous le nom de diffusion Rayleigh ou diffusion cohérente.
Détecteur à semi-conducteur
Généralitéssur le semi-conducteur : On appelle semi-conducteur un matériau électriquement intermédiaire entre isolant et conducteur. On sait qu’au sein des structures cristallines de la matière, les électrons ont des énergies distinctes qui appartiennent à certains ensembles de valeurs appelées bandes d’énergies. Les bandes de faible énergie correspondent à des électrons participant au maintien de la structure cristalline, ce sont les électrons dits de Valence. Les bandes de hautes énergies correspondent à des électrons quasi « libres » de se détacher de la structure et qui par conséquent peuvent participer à une conduction électrique. On distingue isolants et conducteurs par la différence d’énergie qu’il existe entre ces bandes, appelée le « gap » (le fossé). Dans les isolants, les bandes d’énergie les plus faibles sont entièrement pleines. La hauteur de la bande interdite est grande supérieure ou égale à 7 eV. Il n’y a pas de niveaux d’énergie accessibles et pas de conduction. Par exemple, la résistivité du diamant est 𝜌 = 1.1012 Ω. 𝑚 et celle du mica varie entre 1010 Ω. 𝑚 et 1015 Ω. 𝑚. Dans les conducteurs, la dernière bande occupée est partiellement remplie : il existe beaucoup de niveaux disponibles et la conduction est grande. La conductivité diminue avec la température puisque l’agitation thermique pénalise le mouvement organisé des porteurs libres.
La spectrométrie gamma
Principe : La spectrométrie gamma a pour but de connaitre la distribution en énergie des rayonnements gamma émis par une source radioactive. Le spectre obtenu traduit les différentes interactions élémentaires du rayonnement dans le détecteur. L’interaction du rayonnement gamma avec le détecteur peut se faire sous deux grands types de dépôt d’énergie :
Toute l’énergie du photon est déposée dans la partie sensible du détecteur. Ce type d’événement créera dans le spectre le signal utilisé pour l’identification et la quantification des radionucléides : le pic d’absorption total ou pic photoélectrique. Seule cette information est utilisée dans les méthodes classiques d’analyse par spectrométrie gamma.
Seule une partie est déposée, par exemple suite à une diffusion Compton, le photon diffusé s’échappe du détecteur. Il laisse dans le détecteur une énergie variable sans contribuer aux pics d’absorption totale. Ces événements se traduisent dans le spectre par un fond continu, gênant car pouvant masquer d’autres pics d’absorption totale.
Dans les méthodes d’analyse classiques, on ne s’intéresse qu’aux pics d’absorption totale ou les pics photoélectriques. Autrement dit on n’utilise que le taux de comptage de ces pics permettant remonter à l’activité de l’isotope constituant la source radioactive.
Eléments constitutifs de la chaine de spectrométrie gamma
Le détecteur : Les détecteurs jouent un rôle très important en recherche, particulièrement aux techniques nucléaires. Ils rendent visible le phénomène de la radioactivité,les rayonnements qui ne sont pas détectable par nos cinq sens usuels. Ils sont conçus pour faire :
des comptages pour des mesures d’activité, de la spectrométrie, permettant ainsi d’identifier des radionucléides et d’avoir une mesure spécifique d’activité, de la dosimétrie par la mesure de la quantité d’énergie absorbée. Le rôle essentiel de l’électronique est d’assurer l’acquisition du signal délivré par le détecteur.
Préamplificateur : Pour diminuer le bruit électronique, le préamplificateur doit être placé le plus près possible du détecteur. Le préamplificateur est isolé de la haute tension par un condensateur. Le signal à l’entrée du préamplificateur n’est pas forcément proportionnel à l’énergie déposée dans le cristal. Par contre l’intégrale de ce signal est égale à la charge collectée qui dépend de l’énergie déposée. C’est pourquoi, dans la plupart des applications spectroscopiques sont utilisés des préamplificateurs sensibles à la charge. Il s’agit d’un montage intégrateur dont le signal de sortie est proportionnel à la charge en entrée de celui-ci et indépendant de la capacité du détecteur. Le temps de montée du signal de sortie est relié au temps de collection de charge alors que le temps de descente lui ne dépend que de la constante de temps RC du montage intégrateur. Le temps de monté peut varier de quelques ns à quelques µs. Le temps de descente est en général fixé à 50 µs. Ceci signifie que l’on a un temps de montée rapide et un temps de descente beaucoup plus lent. L’amplificateur : L’amplificateur réalise deux tâches essentielles : la mise en forme du signal et son amplification. Il s’agit de filtrer le signal de manière à avoir le meilleur rapport signal sur bruit. Le signal de sortie du préamplificateur étant assez lent, avant qu’il atteigne zéro volt, il est possible qu’un autre signal arrive. Pour éviter ceci, le signal de sortie du préamplificateur est différencié pour éliminer la composante lente. Cela a pour effet de préserver uniquement l’information relative aux caractéristiques du détecteur contenue dans la constante de temps du signal montant. Ensuite, le signal est intégré pour réduire le bruit et on obtient un signal quasiment gaussien. La largeur à mi-hauteur de la gaussienne obtenue s’exprime en terme de constante de temps que l’on peut régler. Si elle est choisie trop courte, le bruit est amplifié, si elle est trop longue, on peut assister à l’empilement de deux signaux électriques. En général, la constante de temps est choisie de 3 à 30 µs suivant le type de détecteur.
Table des matières
INTRODUCTION
Chapitre I : DETECTION DU RAYONNEMENT GAMMA
I.1 : Rayonnement gamma
I.1.1 : Caractéristiques
I.1.2 : Origines
I.2 : Interaction du photon gamma avec la matière
I.2.1 : effet photoélectrique
I.2.2 : diffusion ou effet Compton
I.2.3 : production de paire ou effet de matérialisation
I.3 : sections efficaces et domaines de prépondérance
I.4 : Atténuation du rayonnement
Chapitre II : CHAINE DE SPECTROMETRIE GAMMA
II.1 : Détecteur à semi-conducteur
II.1.1 : Généralités sur le semi-conducteur
II.1.2 : Quelques détecteurs à semi-conducteur
II.1.2.1 : Détecteurs au silicium compensé au lithium
II.1.2.2 : Détecteurs au germanium
II.1.2.3 : Détecteurs au tellure de cadmium (CdTe)
II.1.2.4 : Détecteurs au cadmium zinc tellure (CdZnTe)
II.2 : Spectrométrie gamma
II.2.1 : Principe
II.2.2 : Schéma de la chaine
II.3 : Eléments constitutifs d’une chaine de spectrométrie gamma
II.3.1 : Le détecteur
II.3.2 : L’électronique associée
II.3.2.1 : Préamplificateur
II.3.2.2 : L’amplificateur
II.3.2.3 : Convertisseur analogique-numérique et analyseur multicanaux
II.3.3 : Le logiciel de traitement et d’analyse de donnée
Chapitre III : ETALONNAGE EN ENERGIE DE LA CHAINE DE SPECTROMETRIE GAMMA
III.1 : Chaine de la spectrométrie gamma
III.1.1 : Schéma de la chaine
III.1.2 : Paramétrage de mesure
III.2 : Analyse de spectres d’énergie
III.2.1 : Etalonnage en énergie
III.2.1.1 : Présentation du problème
III.2.1.2 : Principe
III.2.1.2 : Repérage des pics du minerai
III.2.1.3 : Etalonnage sur spectre
III.2.1.4 : Vérification à l’aide de spectre du 𝐶𝑠137
III.2.2 : Analyse de spectre du 𝐶𝑠137
III.2.2.1 : Energie Compton maximale
III.2.2.2 : Energie du pic de rétrodiffusion
CONCLUSION
ANNEXE
REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES
