Interaction du photon gamma avec la matière

Rapport de stage interaction du photon gamma avec la matière, tutoriel & guide de travaux pratiques en pdf.

CHAINE DE SPECTROMETRIE GAMMA

Détecteur à semi-conducteur

Généralités sur 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 conductionélectrique. On distingue isolants et conducteurs par la différence d’énergie qu’il existe entre ces bandes, appelée le « gap » (le fossé). [5] 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 ? = 1.1012 Ω.? et celle du mica varie entre 1010 Ω.? et 1015 Ω.?.
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. Pour des métaux bons conducteurs, on obtient :
??? = 1,6 10−8 Ω? ;??? = 1,7 10−8 Ω? ;??? = 2,8 10−8 Ω?
Pour les semi-conducteurs, le gap assez faible permet à des porteurs de passer dans la bande de conduction simplement grâce à leur énergie d’agitation thermique, ainsi le semiconducteur « intrinsèque » en tant que mauvais conducteur ou mauvais isolant a lui une conductivité qui augmente avec la température…. Pour le silicium et le germanium, on mesure à 300 K : ??? = 2400 Ω? ;??? = 0,5 Ω?
Les matériaux semi-conducteurs naturels, dits « intrinsèques », sont en particuliers leSilicium (Si)et le Germanium (Ge).
La conduction du courant électrique est réalisée par les électrons de la bande de conduction ou par le déplacement des trous dans la bande de valence. Dans un semiconducteur intrinsèque la concentration en électrons est identique à la concentration en trous. La résistivité du cristal semi-conducteur s’écrit [6] :
? =1 ?(??? +???)
Avec ?: densité d’électrons dans le cristal ?: Densité de trous ??: Mobilité des électrons [cm2 V.s ] ?? : Mobilité des trous [cm2 V.s ] ? : Charge électrique = 1,609189.10−19 ? La résistivité est inversement proportionnelle à la concentration de porteurs ainsi qu’à leur mobilité. Ainsi si l’on veut augmenter la conductivité à l’intérieur d’un semi-conducteur, il faut introduire des impuretés, on dit alors que l’on a réalisé un dopage.
Il existe deux types de dopages :  Dopage de type N : Les impuretés introduites possèdent un électron périphérique de plus que les atomes composant le semi-conducteur, auquel cas il reste un électron qui n’est pas lié aux autres atomes du réseau. Cela modifie le schéma des bandes et il se crée un niveau énergétique ?? dans la bande interdite. Ce niveau est appelé le niveau donneur. Ainsi un électron occupant ce niveau peut facilement passer dans la bande de conduction du fait de la proximité des deux niveaux et participer à la conduction. Le cristal semi-conducteur obtenu est alors de type N. La figure II.2a illustre les deux bandes d’énergie dans le cas d’un dopage de type N.

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.

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