Spectrométrie gamma et modélisation par méthode Monte-Carlo

Spectrométrie gamma et modélisation par méthode
Monte-Carlo

Spectrométrie gamma

Principe physique

La spectrométrie gamma, tout particulièrement à l’aide de cristaux de GeHP, est l’une des techniques les plus puissantes d’analyse et de caractérisation nucléaire. Cette technique a, par ailleurs, l’avantage d »tre non destructive. Il s’agit de l’analyse de l’énergie et de l’intensité des rayonnements gamma émanant spontanément de l’objet radioactif à mesurer. Ces photons accompagnent la plupart des modes de désintégrations radioactives et ont des énergies précises, caractéristiques des transitions entre états nucléaires excités. Plusieurs transitions peuvent se produire dans un m’me noyau avec des probabilités différentes et conduire ainsi à l’émission de photons gamma d’énergies différentes. La mesure de ces photons au moyen d’un dispositif approprié permettant de les classer en fonction de leur énergie (raies gamma caractéristiques) et l’analyse du spectre obtenu permettent d’identiÖer et de quantiÖer les radionucléides présents dans l’objet mesuré. En effet, le nombre de photons émis à une énergie donnée est représentatif de la quantité de l’émetteur gamma. La détection des photons gamma met en jeu différents modes d’interaction. Le spectre des photons gamma allant d’environ 20 keV à quelques MeV, les principaux processus d’interaction avec la matière sont l’effet photoélectrique, l’effet Compton et la création de paires. Le spectre gamma ainsi obtenu sera donc divisé en plusieurs composantes (Ögure 2.1) : ñ pics d’absorption totale ; ñ fond Compton ; ñ fond des diffusions multiples ; ñ pics de simple et double échappement (respectivement lorsqu’un ou les deux photons d’annihilation sortent du détecteur sans interagir) ; ñ pic d’annihilation (électron, positron) à 511 keV ; ñ empilement ou Pile-Up (au-delà du pic d’absorption totale, cela provient de coÔncidences fortuites de plusieurs gamma arrivés en m’me temps sur le détecteur) ; ñ bremsstrahlung ou rayonnement de freinage (décélération d’un électron dans le détecteur ou son environnement). 

Interactions photon-matière

Les rayons gamma sont des photons émis au cours de transitions entre états excités des noyaux atomiques. ¿ la différence des particules comme les ions, les électrons ou les neutrons, les photons peuvent ‘tre absorbés par un atome et transférer leur énergie à l’un des électrons du système atomique qui sera excité ou ionisé si l’énergie est su¢ – sante : c’est l’effet photoélectrique. Ils peuvent aussi ‘tre diffusés élastiquement par les atomes du milieu ou bien perdre de l’énergie dans une collision avec les électrons de la matière sans ‘tre absorbés comme dans l’effet Compton. Si l’énergie des photons est su¢ sante, on peut observer la matérialisation de l’énergie, c’est-à-dire la transformation de l’énergie en matière qui résulte dans la création d’une paire électron-positron. L’importance des trois effets varie en fonction de l’énergie du photon incident et du numéro atomique Z de la matière. D’autres processus d’interaction moins importants peuvent se produire avec un photon, en l’occurrence la diffusion Rayleigh avec un électron lié, la diffusion Thomson avec un électron libre ou la diffusion Delbruck avec le champ coulombien du noyau. Effet photoélectrique C’est un mécanisme d’absorption totale o˘ le photon incident transfert totalement et rapidement son énergie et permet l’éjection d’un électron profond (électron fortement lié). Il y a donc disparition du photon, création d’un ion et apparition d’un photoélectron, qui est arraché à son orbite suivant le mecaisme [Grupen 2008] : + atom ! atom+ + e L’atome résiduel est dans un état ionisé avec une vacance de site qui sera comblée par un électron libre d’une autre couche. Ce réarrangement électronique s’accompagne d’émission de rayons X qui peuvent à leur tour, par effet photoélectrique, faire éjecter un nouvel électron du cortège électronique. On parle d’effet Auger, l’électron ainsi éjecté est appelé électron Auger (Ögure 2.2). L’émission d’électrons Auger est favorisée pour des matériaux à faible numéro atomique, o˘ les énergies de liaison sont faibles [Knoll 1999]. 

Effet Compton

La diffusion Compton représente l’interaction du photon avec les électrons des couches périphériques (électron faiblement lié). Le photon incident, d’énergie E cède une partie de son énergie à un électron de ces couche puis diffuse en un autre photon d’énergie inférieure, comme schématisé dans la Ögure 2.3. 

Effet de création de paires

La matérialisation d’un photon correspond à la disparition d’un photon et la création d’une paire électron-positron. Chaque particule créée a une énergie reliée à sa masse me qui vaut mec 2 et par conséquent la création d’une paire électronpositron présente un seuil en énergie égal à 2mec 2 (2mec 2 = 1; 02 MeV).