Expérience de laboratoire 8 : étalonnage d'efficacité des rayons gamma
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Objectif :
- Démontrer la procédure de mesure de l'efficacité d'un détecteur NaI et d'un détecteur HPGe en fonction de l'énergie des rayons gamma.
- Introduire la notion de calibration de l'efficacité.
Équipement requis :
Aperçu théorique :
Une source radioactive émet un certain nombre de photons (rayonnement gamma) et le détecteur (par exemple, un détecteur de scintillation NaI ou un détecteur HPGe) est utilisé pour détecter ces photons. La quantité de photons que le détecteur observe ou détecte est toujours plus grande que la quantité de photons que la source radioactive émet. Le ratio du nombre de photons observés ou détectés par le détecteur sur le nombre de photons émis par la source est appelé efficacité de la détection. L'efficacité de la détection, ε peut être indiquée comme suit :
Où :
N meas est le nombre de comptages (photons) observés par le détecteur.
Nemit est le nombre de photons émis par la source.
Dans la majorité des applications, l'efficacité de pic d'énergie maximale est intéressante. Dans ce cas, le Nmeas est le nombre de comptages dans le pic d'énergie maximale et le Nemit est le nombre de photons émis pour une énergie spécifique.
Figure 8-1 : Schéma de désintégration du 137 Cs.
Le nombre de comptages observés dans le détecteur dépend en grande partie de ses caractéristiques telles que la taille, le numéro atomique et la densité. Le nombre de comptages observés dépend également de l'activité de la source, de la distance source-détecteur et des matériaux entre la source et le détecteur. L'activité de la source définit le taux de désintégration de la source. Cela est généralement exprimé en unités de becquerel ou de Curie. Un becquerel est équivalent à une désintégration par seconde tandis qu'un Curie est équivalent à 3,7 x 1010 désintégrations par seconde. Pour la plupart des noyaux, le nombre de photons émis par seconde pour une certaine énergie n'est généralement pas le même que le nombre de désintégrations par seconde. Il peut y avoir différentes voies de désintégration dans le noyau fils et la transition d'intérêt peut être contournée par d'autres transitions. Le nombre total de rayons gamma émis par une désintégration peut être plus grand qu'un. D'autres mécanismes de désintégration, tels que la conversion interne, entrent en concurrence avec l'émission de rayons gamma. L'intensité ou le rendement est le paramètre utilisé pour déterminer le nombre de gammas par désintégration pour une énergie à rayons gamma. Le nombre de comptages attendus peut être défini comme le montre l'équation 8-2.
Où :
A est l'activité de désintégration par seconde (ou Bq).
Y est le rendement de rayons gamma.
t est le temps en secondes.
L'activité de la source est généralement spécifiée par rapport à une certaine date. L'activité courante au moment de l'expérience doit être corrigée de la désintégration à l'aide de l'équation 8-3.
Où : A est
l'activité courante.
A0 est l'activité à la date de référence.
t est le temps écoulé depuis la date de référence.
t1/2 est la période radioactive du nucléide à l'étude.
Toutes les sources radioactives traçables ont des certificats de source, qui indiquent l'activité de la source à la date de mesure de l'activité en becquerel ou Curie. Cependant, certains certificats indiquent le taux d'émission en gammas par sec., ce qui implique que le rendement ou l'intensité a été factorisé dans les valeurs fournies. Cela est courant avec les sources gamma mixte, comme le montre le tableau 8-1.
Tableau 8-1 : Certificat de source typique pour une source gamma mixte.
Les efficacités peuvent être qualifiées d'absolues, d'intrinsèques ou de relatives. L'efficacité absolue est le rapport entre le nombre total de photons détectés et le nombre de photons émis par la source. L'efficacité intrinsèque est le rapport entre le nombre de photons détectés et le nombre de photons incidents sur la surface du détecteur. Les efficacités absolues et intrinsèques peuvent être exprimées comme l'efficacité de pic d'énergie maximale qui ne prend en compte que les photons qui entraînent des comptages dans les pics d'énergie maximale. La performance des détecteurs au germanium est souvent exprimée en efficacité. Il s'agit de l'efficacité par rapport à une source 60 Co (à l'aide du pic de 1332 keV) mesurée avec un détecteur NaI (Tl) de 3 "x 3" à une distance de 25 cm du détecteur.
Figure 8-2 : Spectre NaI typique pour une source gamma mixte.
Guide de l'expérience 8 :
Utilisation des détecteurs NaI 2" x 2"
1. Placez la norme de référence 152 Eu à une distance d'environ 20 cm de la surface d'un détecteur NaI de 2 "x 2".
2. Configurez les paramètres d'analyseur multicanal comme suggérés dans l'expérience 1.
3. Réglez le gain grossier et le gain fin de l'analyseur multicanal de manière à ce que le pic de 1408 keV soit visible dans la région de haute énergie du spectre.
4. Collectez des données, en veillant à ce qu'au moins 10 000 comptages soient réalisés dans plusieurs des pics principaux du spectre. En vous référant à l'expérience 2 si nécessaire, effectuez une calibration de l'énergie.
5. Mesurez la zone de pic nette et l'incertitude pour chacun des principaux pics répertoriés dans le dossier de certificat. Pour chaque pic de rayons gamma, utilisez l'équation 8-1 pour déterminer l'efficacité. Calculez également l'incertitude dans l'efficacité (utilisez la référence 4 de la page 77 si nécessaire). Notez que si des comptages (plutôt que des comptages par seconde) doivent être utilisés pour cette calculation (comme l'équation 8-1), les taux d'émission de rayons gamma dans le dossier de certificat doivent d'abord être convertis en nombre de rayons gamma émis pendant l'acquisition. Pour une utilisation pratique, le tableau 8-2 contient les intensités des photons.
Tableau 8-2 : Rapports de branchement pour les principaux rayons gamma de 152 Eu.
6. Tracez l'efficacité (et l'incertitude) par rapport à l'énergie dans Microsoft Excel ou un autre programme. Le résultat devrait être similaire à la figure 8-3. Commentez la forme de la courbe.
Figure 8-3 : Efficacité représentative des détecteurs NaI en fonction de l'énergie.
Utilisation du détecteur HPGe
La détermination des efficacités à l'aide des détecteurs HPGe est similaire à celle des détecteurs NaI de 2 "x 2".
La principale différence dans les résultats obtenus est que la résolution du détecteur HPGe est bien meilleure que celle d'un détecteur NaI. La résolution typique d'un détecteur HPGe est inférieure à 0,2 %, tandis qu'elle est d'environ 7,5 % pour des détecteurs NaI.
1. Assurez-vous que le DSA Lynx II (avec le détecteur HPGe branché) est relié au PC de mesure directement, ou via votre réseau local.
2. À l'aide du porte-source réglable, placez la norme de référence 152 Eu à une distance d'environ 20 cm du capuchon d'extrémité du détecteur de germanium haute pureté. Enregistrez cette distance. Retirez le capuchon en plastique du détecteur avant de compter.
3. Ouvrez le logiciel de spectrométrie gamma ProSpect et connectez au DSA Lynx II.
4. Personnalisez l'analyseur multicanal comme recommandé dans l'expérience 7 pour un détecteur HPGe.
5. Utilisez le logiciel pour appliquer l'alimentation recommandée au détecteur HPGe.
6. Réglez le gain de conversion de l'analyse d'amplitude des impulsions à 32 768 canaux
7. Ajustez le gain grossier et le gain fin de l'analyseur multicanal de manière à ce que le pic de 1408 keV soit visible dans la partie supérieure du spectre.
8. Collectez des données, en veillant à ce qu'au moins 10 000 comptages soient réalisés dans plusieurs des pics principaux du spectre. Calibrez l'énergie du système, en vous référant à l'expérience 1 si nécessaire.
9. Mesurez la zone de pic nette et l'incertitude pour chacun des principaux pics répertoriés dans le tableau 8-2. Pour chaque pic d'énergie maximale, utilisez l'équation 8-1 pour déterminer l'efficacité. Calculez également l'incertitude dans l'efficacité (utilisez la référence 4 de la page 77 si nécessaire). Notez que si des comptages (plutôt que des comptages par seconde) doivent être utilisés pour cette calculation (comme l'équation 8-1), les taux d'émission de rayons gamma dans le dossier de certificat doivent d'abord être convertis en nombre de rayons gamma émis pendant l'acquisition. Pour une utilisation pratique, le tableau 8-2 contient les intensités des photons.
10. Tracez l'efficacité (et l'incertitude) par rapport à l'énergie dans Microsoft Excel ou un autre programme. Comparez les résultats de l'efficacité déterminée à partir de la mesure NaI.
11. Retirez la norme de référence 152 Eu et remplacez-la par la source 60 Co à la même distance. Comptez jusqu'à ce qu'au moins 10 000 comptages soient dans chacun des deux pics primaires. Déterminez l'activité de la source 60 Co en utilisant les équations 8-2 et 8-3 et en interpolant à l'aide de la courbe d'efficacité calculée à l'étape 10. Comment cela pourrait-il être comparé au certificat de source 60 Co ?
12. Répétez l'étape 11 avec la source 137 Cs. Encore une fois, Comment cela pourrait-il être comparé au certificat de source ?
13. À l'aide de l'une des sources, placez la source en question à une distance de 10 cm et 25 cm. Pour chaque position, comptez jusqu'à ce qu'il y ait environ 10 000 comptages dans les pics primaires. Calculez la courbe d'efficacité pour chaque géométrie. Que donne la comparaison ? Est-ce que cela démontre que l'efficacité est inversement proportionnelle à la distance au carré ?
