Expérience de laboratoire 9 : techniques de mesure par coïncidences de rayons gamma

Objectif :

1. Utiliser la technique de détection des coïncidences et démontrer les principes de base des mesures de coïncidence.

Équipement requis :

Aperçu théorique :

Les mesures de coïncidence sont un outil important dans la détection du rayonnement ionisant pour une large gamme d'applications. De nombreux processus nucléaires produisent deux photons simultanément, tandis que d'autres processus produisent deux photons ou plus en succession rapide. Dans ce cas, il est possible d'étudier les corrélations temporelles et angulaires entre les deux photons en mettant en place un système de détecteur de coïncidence. Ces émissions peuvent se produire simultanément ou dans une période de temps très courte par rapport à la résolution temporelle du système de détection. Par exemple, la désintégration par émission bêta en un noyau fille, qui se désintègre à son tour par émission gamma, produit la particule bêta et le rayon gamma presque simultanément. De même, un noyau peut émettre plusieurs rayons gamma en cascade, qui sont effectivement simultanés parce que le retard entre les événements est court. Des retards de 10 ^{à 9} secs sont courants.

Les systèmes de coïncidence sont utilisés dans les applications de physique nucléaire pour trouver et identifier les signaux de détection faibles ou pour distinguer un signal physique des signaux de bruit de fond, comme dans les systèmes de suppression Compton ou de veto cosmique. En physique des hautes énergies ou des particules, les systèmes de détection composés de milliers de détecteurs et de canaux électroniques sont tous exploités en coïncidence lorsque deux faisceaux accélérés entrent en collision pour rechercher des particules nouvellement formées ou de nouvelles voies de désintégration.

Mesures de coïncidence temporelle

En plus des caractéristiques du détecteur de rayonnements telles que l'efficacité ou la résolution de l'énergie, la résolution dans le temps est importante à mesurer. Cela est nécessaire pour déterminer la dépendance temporelle des désintégrations nucléaires comme discuté précédemment. Il reflète la capacité à mesurer le temps d'arrivée de la particule incidente ou le temps d'une interaction spécifique et de son signal associé. La résolution temporelle d'un détecteur spécifique dépend de plusieurs paramètres tels que la forme du signal appelée « détail relatif » et le bruit du signal appelé « gigue temporelle ».

Dans certaines situations, la différence de temps réelle entre les deux événements peut être mesurée, mais dans la plupart des cas, il suffit de déterminer que les deux événements sont réellement corrélés dans le temps.

Un système de coïncidence est utilisé pour déterminer que deux événements nucléaires se produisent simultanément. Cette unité fonctionne sur des impulsions standardisées et détermine si les événements se produisent dans un certain intervalle de temps, appelé temps de résolution. Les impulsions standard de n'importe quel analyseur à canal unique sont utilisées en entrée, avec une entrée pour chaque détecteur.

Le nombre de coïncidences réelles, et non aléatoires, est déterminé par la physique de la désintégration et par les angles solides et l'efficacité des détecteurs. Ce sont les vraies coïncidences.

Dans certaines expériences, le nombre de coïncidences est la seule information nécessaire. Cependant, le signal de coïncidence est souvent utilisé pour ouvrir la porte linéaire dans un analyseur multicanal de sorte qu'un spectre est acquis dans des états de coïncidence.

Cette expérience a trois parties distinctes qui utilisent la technique de coïncidence de différentes manières.

γγ Corrélations angulaires

La corrélation angulaire de deux rayons gamma, γ₁ et γ₂ peut être définie comme la probabilité d'émission de γ₂ à un angle par rapport à la direction de γ₁. Le rayonnement gamma des noyaux excités peut être comparé mathématiquement à la radiation classique de l'énergie électromagnétique d'un système chargé. Le champ électrique peut être étendu dans des harmoniques sphériques vectorielles, correspondant aux divers multipôles de la distribution de charge. La forme de la distribution angulaire de la radiation par rapport au système de rayonnement est déterminée de manière unique par l'ordre du multipole.

Dans les systèmes nucléaires, l'ordre du multipole dépend des nombres de moment angulaire et des parités des états initial et final impliqués dans la transition. Ainsi, si tous les noyaux d'un échantillon radioactif pouvaient être orientés de sorte que leur moment angulaire nucléaire soit aligné, la forme de la distribution angulaire des rayons gamma pourrait être utilisée pour déterminer la multipolarité de la transition.

Cependant, les noyaux sont orientés de manière aléatoire. Pour les cas où deux rayons gamma ou plus sont émis en cascade, une méthode plus simple est d'utiliser la technique de coïncidence, qui utilise des champs magnétiques très forts à basse température pour fournir une orientation. Le premier rayon gamma établit la direction de l'axe de spin du noyau ; de ce fait, le deuxième rayon gamma aura une distribution définie par rapport à cet axe. Il suffit de calculer la corrélation angulaire pour les deux rayons gamma et de la comparer aux valeurs tabulées pour différentes multipolarités.

Dans les expériences de physique nucléaire, la corrélation angulaire est mesurée entre deux rayons gamma, qui sont émis presque simultanément dans la cascade de la désintégration d'un noyau radioactif. Les rayons gamma sont détectés à l'aide de deux compteurs de scintillation NaI dans lesquels la hauteur des impulsions de sortie électroniques est proportionnelle aux énergies de rayon gamma incidentes. En optant pour la hauteur d'impulsion, dans le mode de l'analyseur à canal unique, un compteur sera utilisé pour enregistrer γ₁ et γ₂. Le taux de comptage de chaque compteur, R _i, pour détecter son rayon gamma sélectionné est donné par :

Où :

N ₀ est le nombre de désintégrations par seconde dans la source radioactive.
e _i est l'efficacité du détecteur.
O _i est l'angle solide de géométrie sous-tendu par le détecteur.
I _n est l'absence de corrélations angulaires, le taux réel de coïncidences de rayons gamma détectées est :

Le taux de coïncidence aléatoire entre un rayon gamma détecté dans le détecteur 1 et un rayon gamma détecté dans le détecteur 2 est :

Où Δt est le temps de résolution du système de mesure par coïncidences entre les deux détecteurs. Si les deux détecteurs sont réglés pour répondre aux deux rayons gamma, le taux de comptage dans chaque détecteur est la somme des taux de comptage pour différents rayons gamma.

Guide de l'expérience 9 :

Mesures de coïncidences de temps en utilisant le mode d’acquisition TLIST Coïncidences NaI-NaI

Calibration de l'énergie

1. Utilisez deux détecteurs NaI (l'un relié via une unité Osprey et l'autre au préamplificateur 2007P et DSA Lynx II) reliés au PC de mesure directement, ou via votre réseau local.

2. Ouvrez le logiciel de spectrométrie gamma ProSpect et reliez aux deux ACM.

3. Personnalisez les deux AMC comme recommandé dans l'expérience 1 pour la configuration aux détecteurs NaI.

4. Sélectionnez les paramètres de haute tension dans l'onglet Détecteur du logiciel ProSpect pour appliquer la haute tension recommandée aux deux détecteurs.

5. Placez la source ²² Na entre les deux détecteurs dans une géométrie proche.

6. Réglez le gain de conversion dans l'onglet de l'analyseur multicanal du logiciel ProSpect à 2048 canaux pour les deux ACM.

7. Ajustez les paramètres de gain grossier et fin dans l'onglet de l'analyseur multicanal du logiciel ProSpect sur les deux ACM de sorte que le pic d'énergie maximale de 1275 keV soit dans la partie supérieure de chaque spectre.

8. Cliquez sur Démarrer (en haut de chaque affichage spectral) pour commencer à accumuler les deux spectres. Utilisez une durée de comptage tel qu'il y ait au moins 10 000 comptages au pic d'énergie maximale.

9. Effectuez une calibration de l'énergie en utilisant les pics de 511,0 et 1274,5 keV de ²² Na, en référence à l'expérience 1 si nécessaire.

Spectres de désintégration

10. Dans l'onglet d'acquisition, définissez le mode d'acquisition en mode TLIST. Le mode TLIST permet l'acquisition de données d'événement qui fournissent l'énergie et le temps pour chaque événement.

11. Réglez les deux appareils vers le haut selon le tableau 9-1. Notez que le paramètre de synchronisation externe doit être appliqué en premier. Reliez le connecteur BNC de synchronisation sur le panneau arrière DSA Lynx II au canal d'entrée 1 du GPIO de l'unité Osprey. Voir la figure 9-1. (Si nécessaire, utilisez un terminateur de 50 ohms pour réduire les reflets.)

12. Appuyez sur Ctrl-Démarrer pour commencer l'acquisition simultanément sur les deux appareils.

Figure 9-1 : configuration du câble pour la synchronisation des DSA Lynx II et Osprey.

13. Assurez-vous que les deux détecteurs passent en mode d'attente (arrière-plans bleus sur les miniatures des sources de données). Changez rapidement la synchronisation externe du Lynx II DSA d'Esclave à Maître B (avant que le délai de 20 secondes n'expire).

14. Assurez-vous que les deux détecteurs commencent à acquérir des données (les données PHA apparaissent à l'écran et les deux arrière-plans deviennent verts dans la vignette de la source de données).

15. Acquérez des données pendant environ 5 minutes, appuyez sur l'analyse d'amplitude des impulsions pour arrêter les deux ACM d'acquérir des données et enregistrer les données de l'analyse d'amplitude des impulsions. Les données TLIST sont automatiquement sauvegardées pendant l'acquisition.

Tableau 9-1 : Paramètres de l'acquisition du mode TLIST synchronisée avec un DSA Osprey et Lynx II

Analyse

16. Pour analyser les données de mode TLIST et voir les résultats de la mesure de coïncidence, utilisez l'application appelée Scanner de données ProSpect (téléchargeable depuis le site Web de Mirion www.mirion.com). Suivez les étapes ci-dessous pour démarrer le scanner de données ProSpect.

17. Sélectionnez le dossier d'intérêt où les données sont stockées.

18. Sélectionnez l'option de pré-analyse pour trier les événements d'après l'horodatage. Notez que pour chaque fiche, le temps écoulé et le temps actif sont affichés. En outre, le nombre total d'événements dans les données de mode de l'analyse d'amplitude des impulsions et du mode TLIST et les temps réels et les temps actifs écoulés pour le ficher de données de mode TLIST sont affichés.

19. Entrez les équations de calibration de l'énergie pour les deux détecteurs que l'on trouve dans l'onglet de calibration de l'énergie. Sélectionnez l'analyse d'énergie pour recupérer les spectres d'énergie des deux appareils des événements TLIST.

20. Définissez une porte autour du pic d'énergie maximale de 511 keV pour garantir que les corrélations temporelles entre les événements peuvent être observées.

21. Créez le spectre de coïncidence temporelle en utilisant un balayage de temps. Le spectre d'affichage montrera la corrélation temporelle entre les événements enregistrés dans les deux détecteurs.

22. Commentez le spectre en corrélation temporelle.

Coïncidences NaI-HPGe

Calibration de l'énergie

1. Reliez le DSA Lynx II (avec le détecteur HPGe branché) au PC de mesure ou via votre réseau local à l'aide de la liaison Ethernet.

2. Reliez l'unité Osprey (avec le détecteur NaI (Tl) branché) au PC de mesure directement, ou via votre réseau local.

3. Ouvrez le logiciel de la spectrométrie gamma ProSpect et connectez-vous aux unités Lynx II et Osprey.

4. Personnalisez les détecteurs NaI comme recommandé dans l'expérience 1 et le détecteur HPGe comme recommandé dans l'expérience 7.

5. Sélectionnez les paramètres de haute tension dans l'onglet Détecteur du logiciel ProSpect pour appliquer la haute tension recommandée aux deux détecteurs.

6. Pour chaque détecteur, effectuez une calibration de l'énergie en utilisant les pics de 511,0 et 1274,5 keV du ²²Na, en vous référant à l'expérience 1 si nécessaire.

7. Enregistrez les deux spectres. Une fois que vous avez défini le gain et les coefficients de la calibration de l'énergie, ne les modifiez pas, sinon vous devrez refaire l'étalonnage.

Spectres de désintégration

8. Sur le logiciel ProSpect, définissez l'acquisition de données en mode TLIST. Le mode TLIST permet l'acquisition de données d'événement qui fournissent l'énergie et le temps pour chaque événement.

9. Pour acquérir des données en mode TLIST, définissez les deux détecteurs comme le montre le tableau 9-1.

10. Connectez le connecteur BNC Sync sur le panneau arrière du Lynx II DSA (ajoutez un terminateur de 50 ohms pour éviter les réflexions) au canal d'entrée GPIO 1 de l'unité Osprey après avoir configuré les deux appareils comme indiqué dans le Tableau 9-1.

11. Sélectionnez Contrôle-Démarrage pour lancer l'acquisition simultanément sur les deux appareils.

12. Assurez-vous que les deux détecteurs passent en mode d'attente (arrière-plans bleus sur les miniatures des sources de données). Commutez rapidement le Lynx II DSA de l'Esclave au Maître B (avant que les 20 secondes de temporisation d'attente ne se soient écoulées).

13. Assurez-vous que les deux détecteurs commencent à acquérir des données (les données de l'analyse d'amplitude des impulsions apparaissent à l'écran et les deux arrière-plans deviennent verts dans la vue miniature de la source de données).

14. Obtenez des données pendant environ 5 minutes et enregistrez-les.

Analyse

15. Pour analyser les données du mode TLIST et voir les résultats de la mesure de coïncidence, utilisez l'application ProSpect TLIST Data Scanner (téléchargeable sur le site Web de Mirion). Suivez les étapes ci-dessous pour lancer le scanner de données ProSpect TLIST.

16. Dans l'onglet Répertoires de recherche, identifiez le répertoire avec les données TLIST acquises. Appuyez sur le bouton de démarrage pour commencer l'analyse.

17. Dans l'onglet Résultats de la numérisation, sélectionnez les acquisitions appropriées et définissez l'heure de début avec la Gamme de -6000 ns, la plage de temps maximale avec la gamme de 6 000 ns et les Time bin de 1000.

18. Dans l'onglet Analysis, sélectionnez les deux acquisitions à l'aide des onglets Device et Acq Start. Tracez l'énergie sur l'axe X et le temps sur l'axe Y pour observer le nombre de comptes coïncidents. Fournissez des commentaires sur le graphique observé. Remarque : Vous pouvez copier le graphique dans votre presse-papiers pour une analyse plus approfondie.

19. Commentez le spectre de coïncidence temporelle et comparez avec le spectre acquis pour les deux unités Osprey ci-dessus.

Mesures de coïncidence temporelle à l'aide du matériel de synchronisation du lynx II

Cette section nécessite ce qui suit :
ProSpect Version 1.1

1. Assurez-vous que les détecteurs au germanium de haute pureté (HPGe) et au NaI sont calibrés en énergie.

2. Placez les sources ¹³⁷ Cs et ²² Na entre les deux détecteurs de compteur dans une géométrie fermée.

3. Reliez l'unité GPIO 1 de l'analyseur multicanal numérique Osprey à l'entrée de porte du DSA Lynx II.

4. Pour les détecteurs NaI, ouvrez la boîte de dialogue GPIO dans l'onglet de l'analyseur multicanal du logiciel ProSpect et définissez le GPIO sur l'analyse monocanale 1.

5. Pour les détecteurs NaI, accédez à l'analyseur multicanal sous l'onglet de l'analyse monocanale du logiciel Prospect et activez l'analyse monocanal.

6. Accédez à l'onglet Acquisition du logiciel Prospect pour l'unité Lynx II et définissez les paramètres de la porte de coïncidence comme suit :

Tableau 9-2 : Paramètres ProSpect pour l'étape 6.

7. Lancez l'oscilloscope numérique et regardez les traces du Lynx II. Réglez le déclencheur sur l'impulsion de stockage et assurez-vous que la porte externe chevauche l'impulsion de détection de pic. Augmentez le temps de propagation de sorte que le pic détecté chevauche le bord de la porte externe.

8. Acquérez un spectre à porte de l'énergie dans le détecteur HPGe. Utilisez une durée de comptage de sorte qu'il y ait au moins 10 000 comptages dans chaque photopic.

9. Sauvegardez le spectre.

10. Réglez les paramètres de la porte de coïncidence comme suit :

Tableau 9-3 : Paramètres ProSpect pour l'étape 10.

11. Acquérez un spectre à porte de l'énergie dans le détecteur HPGe. Utilisez une durée de comptage de sorte qu'il y ait au moins 10 000 comptages dans chaque photopic.

12. Sauvegardez le spectre.

13. Réglez les paramètres de la porte de coïncidence comme suit :

Tableau 9-4 : Paramètres ProSpect pour l'étape 13.

14. Acquérez un spectre à porte de l'énergie dans le détecteur HPGe. Utilisez une durée de comptage de sorte qu'il y ait au moins 10 000 comptages dans chaque photopic.

15. Sauvegardez le spectre.

16. Tracez les spectres d'énergie acquis avec différentes affections de porte de coïncidence et comparez le nombre de comptages dans les photopic pour les différentes conditions de porte.