Expérience de laboratoire 1 : détection de rayons gamma avec des scintillateurs
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Objectif :
- Démontrer l'utilisation d'un détecteur à scintillation NaI et sa réponse aux rayons gamma.
- Démontrer les trois principales interactions des rayons gamma avec la matière.
- Démontrer la calibration de l'énergie.
Équipement requis :
Aperçu théorique :
Comment les rayons gamma sont produits avec la désintégration des noyaux radioactifs en émettant des particules alpha ou bêta Souvent, la désintégration est à un état excité dans le noyau fille, qui se désintègre généralement par l'émission d'un rayon gamma. La séquence de niveau d'énergie et donc le spectre d'énergie à rayons gamma pour chaque noyau est unique et peut être utilisé pour identifier le noyau. Les niveaux d'énergie et le processus de désintégration de 22 Na, 60 Co et 137 Cs sont donnés dans la figure 1 - 1. Le terme de désintégration bêta signifie β- (électron), β+ (positron) l'émission ou la capture d'électrons par le noyau.
Figure 1-1 : Séquences de niveau d'énergie pour 137 Cs, 60 Co et 22 Na (niveaux d'énergie en MeV)
Détecteurs NaI(Tl)
Le détecteur d'iodure de sodium activé par le thallium, ou le détecteur NaI (Tl), répond au rayon gamma en produisant un petit flash de lumière ou une scintillation. La scintillation se produit lorsque les électrons du scintillateur, excités par l'énergie du photon, retournent à leur état fondamental. Le cristal de détecteur est monté sur un tube photomultiplicateur qui transforme la scintillation en une impulsion électrique. La première impulsion de la photocathode est très petite et est amplifiée en 10 étapes par une série de dynodes pour obtenir une grande impulsion. Elle est prise de l'anode du photomultiplicateur et est négative.
Le cristal NaI (Tl) est protégé de l'humidité dans l'air en l'enveloppant dans de l'aluminium, ce qui sert également de montage pratique pour l'ensemble de l'unité de cristal / photomultiplicateur. Un schéma est illustré dans la figure 1 - 2.
Figure 1 - 2 : lllustration d'un événement de scintillation dans un tube photomultiplicateur
Interactions de rayons gamma avec la matière
Il y a trois interactions de rayons gamma dominantes avec la matière :
- Effet photo-électrique
- Effet Compton
- Production de paires
L'effet photo-électrique est une interaction commune entre un rayon gamma de basse énergie et un matériau. Dans ce processus, le photon interagit avec un électron dans le matériau perdant toute son énergie. L'électron est éjecté avec une énergie égale à l'énergie de photon initiale moins l'énergie de liaison de l'électron. Il s'agit d'un processus utile pour la spectrométrie car une impulsion de sortie est produite dans un détecteur et est proportionnelle à l'énergie à rayons gamma, car toute l'énergie du rayon gamma est transférée au détecteur. Cela produit un pic d'énergie maximale caractéristique dans le spectre qui peut être utilisé dans le but d'identifier la substance radioactive.
Le photon peut se diffuser par un électron libre et transférer une quantité d'énergie qui dépend de l'angle de la diffusion. Ce processus est la diffusion Compton. L'énergie du photon diffusé E' est :
où E est l'énergie à rayons gamma incidente et θ est l'angle de diffusion. Le terme m0c2 est le reste de la masse de l'électron, égal à 511 keV. L'énergie donnée à l'électron est :
L'énergie maximale donnée à un électron dans la diffusion Compton se produit pour un angle de diffusion de 180 ˚ et la distribution d'énergie est permanente jusqu'à ce point (puisque tous les angles de diffusion jusqu'à 180 ˚ sont possibles). Cette énergie, appelée le front Compton, peut être calcuée à partir de l'énergie de rayon gamma incidente.
Pour θ = 180 ° :
Et :
Le spectre pour 137 Cs montre que si le rayon gamma diffuse et s'échappe du cristal, l'énergie déposée sera inférieure au pic d'énergie maximale (voir la figure 1 - 3).
L'énergie réelle déposée dépend de l'angle de la diffusion comme décrit dans les équations ci-dessus. Le spectre montre que de nombreuses impulsions ont des énergies dans une gamme sous le front Compton - appelée le Continuum Compton
Si le rayon gamma n'échappe pas au cristal et est rétrodiffusé en donnant à nouveau son énergie restante par l'effet photo-électrique, sa pleine énergie sera déposée dans le pic d'énergie maximale (à 662 keV pour 137 Cs). Cela est plus probable pour les cristaux plus grands.
La production de paires peut se produire lorsque l'énergie à rayons gamma est supérieure à 1,022 MeV. C'est est un processus significatif à des énergies supérieures à 2,5 MeV. Le processus produit une paire de positron et d'électron qui ralentit grâce aux interactions de diffusion dans la matière. Lorsque le positron s'arrête, il s'annihile avec un électron produisant une paire de rayons gamma de 511 keV qui sont produits dos à dos. Ceux-ci peuvent être absorbés par l'effet photo-électrique pour produire des pics d'énergie complète à 511 keV. Un composant dû à la diffusion Compton peut également être observé. Lorsqu'un photon interagit avec le cristal par la production de paires, un ou les deux photons d'annihilation peuvent s'échapper du cristal sans être détectés. Si l'un des photons s'échappe non détecté, cela se traduira par un pic dans le spectre à une énergie de 511 keV inférieure au pic d'énergie maximale. Ce phénomène est appelé le pic d'échappement unique. De même, si les deux photons s'échappent non détectés, un pic d'énergie maximale apparaîtra à 1022 keV sous le pic d'énergie maximale, appelé le pic de double échappement.
Figure 1 - 3 : exemple de spectre d'une source 137 Cs
Guide de l'expérience 1 :
Effet photo-électrique et diffusion Compton
1. Assurez-vous que l'Osprey (avec le détecteur NaI(Tl) branché) est relié au PC de mesure directement, ou via votre réseau local.
2. Placez la source 137 Cs devant le détecteur.
3. Ouvrez le logiciel de spectrométrie gamma ProSpect et connectez-vous à l'Osprey.
4. Ajustez les paramètres de l'analyseur multicanal pour correspondre à ceux répertoriés dans le tableau 1 - 1. Il est recommandé d'utiliser ces paramètres tout au long de ce manuel, sauf si spécifié autrement.
5. Utilisez le logiciel pour appliquer la polarisation recommandée du détecteur au détecteur NaI.
6. Réglez le gain de l'amplificateur de sorte que le photopic soit proche de 40 % de la gamme du spectre.
7. Acquérir un spectre (utilisez une durée de comptage de sorte qu'il y ait au moins 10 000 comptages dans le photopic).
8. Utilisez des annotations (à l'aide du menu du clic droit) pour identifier le Photopic, le Continuum Compton et le front Compton.
9. Copiez le spectre dans le presse-papiers et collez-le dans un document Word (donnez une légende appropriée au spectre).
10. Sauvegardez le spectre.
Tableau 1 - 1 : Paramètres de gain et de filtre standard pour NaI 2x2 avec Osprey ou Lynx II
Production de paires
11. Effacez le spectre.
12. Remplacez la source 137 Cs par une source 88 Y.
13. Acquérez un spectre (utilisez une durée de comptage de sorte qu'il y ait au moins 10 000 comptages dans le photopic).
14. Utilisez des annotations (à l'aide du menu du clic droit) pour identifier les pics d'énergie de 898 keV et 1836 keV. Identifiez également le pic d'échappement unique de 1836 keV, qui devrait avoir une énergie de 1836 - 511 = 1325 keV.
15. Copiez le spectre dans le presse-papiers et collez-le dans un document Word (fournissez une légende appropriée pour le spectre).
16. Sauvegardez le spectre.
Calibration de l'énergie
17. Chargez les spectres 137 Cs et 88 Y.
18. En faisant glisser une région d'intérêt sur chaque pic, déterminez le canal centroïde pour le pic d'énergie maximale de 662 keV, 836 keV et 1836 keV. Notez le canal centroïde et l'incertitude pour chaque pic comme présenté par l'info-bulle dans ProSpect.
19. À l'aide de Microsoft Excel ou d'un autre tableur ou d'une application graphique, entrez l'énergie, le canal et l'incertitude pour ce canal. Tracez l'énergie par rapport au canal (avec les incertitudes de canal affichées sous forme de barres d'erreur).
20. Utilisez le tableur pour calcuter les coefficients de calibration de l'énergie. Entrez ces derniers dans ProSpect à l'aide de l'onglet de Calibration pour ce détecteur.
21. Collectez un spectre 60 Co et identifiez les énergies des deux pics d'énergie de pleine capacité.
