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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

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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

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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

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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.

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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

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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...

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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

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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 !

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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...

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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

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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...

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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.

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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 »

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Vincent Métivier 13 mars 2004

Discrimination de forme (exemple ICs)

QL

QR

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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

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Vincent Métivier 15 mars 2004

Spectromètres Magnétiques

Les aimants permettent de nombreuses mesures très précises

déviation de particules chargées.

Spectrométrie nucléaire :

Trajectographie de

particules :

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... « 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