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Principes de detection



Amplifier les traces du passage d'une particule ...

C'est le phénomène d'ionisation qui permet de détecter facilement le passage de particules dans la matière, mais pour ioniser il faut que la particule porte une charge électrique ou mette en mouvement des particules porteuses d'une charge électrique.

Alors que les particules chargées interagissent de façon continue avec le milieu, les particules neutres se manifestent lors d'évènements isolés : un photon arrachera l'électron d'un atome ; un neutron entrera en collision avec un noyau ou y provoquera une réaction nucléaire. Ce sera l'ionisation due à l'électron arraché, au noyau qui recule ou aux produits de la réaction nucléaire qui signalera la présence du photon ou du neutron. La particule neutre délègue à des particules secondaires le soin d'ioniser.

Pour ces raisons, il est facile de détecter une particule chargée qui laisse une trace directe de son passage. Par contre un photon ou un neutron pourra sortir d'un détecteur sans avoir laissé de traces, échappant alors à l'observation.

Détecter, c'est d'abord identifier la présence d'un rayonnement, ce que fait un compteur Geiger par exemple. Des détecteurs perfectionnés, utilisés dans des laboratoires ou des hôpitaux, vont plus loin en identifiant sa nature et en mesurant son énergie, sa vitesse, sa position.

Amplification par ionisation
Le long de son trajet dans la matière, une particule chargée arrache des milliers d’électrons laissant dans son sillage autant d’atomes positifs (ions). La présence d’un champ électrique permet de collecter ces nombreuses charges électriques négatives et positives sur une anode et une cathode. Cette collecte génère un signal électrique mesurable. Dans le cas d’une particule neutre comme un gamma (figure inférieure), la particule ne laisse pas de traces, jusqu’au moment où elle interagit pour mettre en mouvement un électron en (A), puis ici un second en (B), qui vont ioniser. On observera aussi un signal dus à ces électrons secondaires.
IN2P3

Les détecteurs utilisent la perturbation causée par le passage du rayonnement, ou les manifestations du retour à l'équilibre du milieu traversé. La matière ionisée est mal dans sa peau et s'efforce de retourner à l'équilibre. On cherche à observer ce retour à l'équilibre (ex. des scintillateurs) ou à le retarder en collectant les charges électriques (détecteurs d'ionisation).

La détection nécessite une double amplification. Une première amplification très importante est fournie par l'ionisation elle-même. Il faut 30 électronvolts pour arracher un électron d'un atome de gaz, et seulement 3 pour arracher un électron d'un cristal de silicium. Un alpha de 5 MeV arrache ainsi 170.000 électrons dans un gaz et 1,7 millions dans un détecteur au silicium.

L'énergie déposée dans le milieu, bien que très importante à l'échelle de l'atome, reste encore trop petite pour être observée. Il faut une seconde amplification qui est fournie par le système de détection. Par exemple, dans un compteur Geiger les électrons arrachés par l'ionisation sont attirés par un fil porté à haute tension. Quand ils approchent du fil, ils sont très fortement accélérés et arrachent à leur tour d'autres électrons. Il se produit un phénomène d'avalanche qui génère un signal électrique observable.

Un cas particulier est la mesure du tritium dans l'environnement. Cet isotope radioactif de l'hydrogène se retrouve incorporé au sein de molécules d'eau ou de molécules organiques. L'énergie des rayons bêta qu'il émet est trop faible pour qu'il puisse franchir la fenêtre d'entrée d'un détecteur. Pour contourner la difficulté, l'eau ou le liquide organique susceptible de contenir du tritium est mélangée à un liquide scintillant. La quantité des scintillations observée dans le liquide mesure la quantité de tritium !


Vidéo de l'IRSN (11 janvier 2016) : Naturellement présent dans l'environnement, le tritium est aussi l'un des principaux radionucléides rejetés par les activités nucléaires. Il importe d'être capable de mesurer cette présence pour la contrôler. La vidéo explique les techniques utilisées pour effectuer ces contrôles.