Introduction aux détecteurs de radiation

Pour ceux qui travaillent dans le domaine de la radiation, l'un des facteurs les plus importants est la sensibilisation aux niveaux de radiation autour d'eux. Cela se fait principalement par l'utilisation de détecteurs de radiation de types variés. Une compréhension de base des différents types de détecteurs et de leur fonctionnement peut aider à la fois à trouver le meilleur détecteur pour la tâche requise et pour maximiser les avantages de ce détecteur.

NOTE : « COMPTEURS GEIGER »

En général, quand on pense à la détection des rayonnements, on a tendance à tout regrouper sous le terme « compteurs Geiger ». C'est une une idée fausse encouragée par les émissions de télévision et les films populaires. Bien que l'un des types de détecteur de radiation les plus courants soit en fait appelé « tube Geiger Mueller (G-M) », l'expression générique « compteur Geiger » n'est pas toujours la plus appropriée. Elle s'applique à un type de détecteur très spécifique, et généralement à une application spécifique de ce détecteur. Les dispositifs de détection des rayonnements sont généralement classés par type d'élément détecteur utilisé, ou par l'application impliquée. On fait référence aux instruments comme la chambre d'ionisation, le radiamètre, le compteur de contamination ou la sonde de Frisker. La culture populaire a tellement détourné l'expression « compteur Geiger » que l'utilisation de celle-ci ne fournit généralement pas suffisamment d'informations sur le dispositif en question.

PREMIERS DÉTECTEURS DE RADIATION

Depuis les premiers tests de radiation par Roentgen et Becquerel, les scientifiques ont cherché des moyens de mesurer et d'observer la radiation émise par les matériaux avec lesquels ils travaillaient. L'un des premiers moyens de capturer des données de radioactivité était une plaque photographique. Une plaque photographique était placée sur le chemin/à proximité d'un faisceau ou d'un matériau radioactif. Lorsque la plaque fut développée, elle présentait des taches ou de la buée suite à l'exposition à la radiation. Henri Becquerel a utilisé une méthode similaire à celle-ci pour démontrer l'existence de la radiation en 1896.

Un autre détecteur commun à l'époque était l'électroscope. Il utilisait une paire de feuilles d'or qui se chargeaient par l'ionisation causée par la radiation et qui se repoussaient mutuellement. Cela fournissait un moyen de mesurer la radiation avec une meilleure sensibilité que ce qui était possible avec des plaques photographiques. Selon l'appareil, elles pouvaient être configurées pour mesurer les particles alpha ou bêta et étaient un outil précieux pour les premières expériences impliquant la radioactivité.

Le spinthariscope est un ancien dispositif intéressant, né du désir de mesurer les particules ou les rayons individuels réels émis par une substance radioactive, par opposition à une mesure plus brute d'un champ radioactif. Développé par William Crookes, qui avait également inventé le tube de Crookes utilisé par Wilhelm Roentgen pour découvrir les rayons X, il utilisait un écran au sulfure de zinc à l'extrémité d'un tube, avec une lentille à l'autre extrémité, et une petite quantité de substance radioactive près de l'écran au sulfure de zinc. Le sulfure de zinc réagissait avec les particules alpha émises, et chaque interaction entraînait un petit flash de lumière. C'était l'un des premiers moyens de compter un taux de désintégration, bien que très fastidieux, car les scientifiques devaient travailler en équipes pour surveiller et de compter littéralement chaque flash de lumière. Le spinthariscope n'était pas très pratique en tant que solution à long terme pour la détection des rayonnements, bien qu'il ait subi une renaissance plus tard au 20^ème siècle en tant qu'outil éducatif. Cette tendance de certains matériaux à émettre de la lumière lorsqu'ils sont exposés à la radiation s'avérerait également utile dans les futures technologies de détection des rayonnements.

Ces premiers dispositifs, et beaucoup d'autres, tels que les chambres à nuage, étaient précieux pour développer une compréhension des principes de base de la radiation et mener des expériences importantes qui préparaient le terrain pour des développements ultérieurs. Cela comprenait le développement de nouveaux types de détecteurs de radiation, dont beaucoup sont encore utilisés aujourd'hui, tels que les tubes G-M, les chambres à ions et les scintillateurs.

OÙ/QUAND AVEZ-VOUS BESOIN DE DÉTECTEURS DE RADIATION ?

Pour connaître le type de détecteur dont on aura besoin, déterminer l'endroit où il sera utilisé est un bon départ. Différentes applications et paramètres nécessitent différents types de détecteurs, car chaque type de détecteur peut se spécialiser différemment pour s'adapter à un rôle donné. Les applications pour les instruments de détection des rayonnements peuvent être largement classées en tâches principales : mesure, protection et recherche.

Les tâches de mesure des rayonnements visent des situations où il y a une présence notoire de matériaux radioactifs qui doivent être surveillés. L'objectif de ce type de détection est la sensibilisation. Sensibilisation à l'intensité d'un champ radioactif établi, aux limites d'une zone radioactive ou simplement à la propagation de la contamination radioactive. Ce sont des paramètres où la présence de radiation est prévisible, ou au moins probable. Les exigences pour les détecteurs impliqués dans ces paramètres sont uniques, souvent avec des gammes de mesure relativement plus élevées ou avec des modifications nécessaires pour rechercher spécifiquement un type de radiation.

La protection contre le rayonnement est similaire aux applications de mesure de la radiation en ce sens qu'elle se déploie généralement dans un environnement où on s'attend à trouver de la radiation. Cependant, les objectifs sont différents. Avec les paramètres de mesure des rayonnements, l'objectif est de surveiller la radioactivité elle-même, pour être au courant des fluctuations, des limites, etc. Avec la protection contre le rayonnement, l'objectif est de surveiller les personnes. La dosimétrie de radiation en est l'exemple le plus courant, avec des badges de radiation portés par le personnel médical, les travailleurs de l'industrie nucléaire et de nombreux autres travailleurs exposés professionnellement dans le monde entier. L'important est qu'il fournit une protection contre les effets les plus nocifs de l'exposition aux rayonnements en sensibilisant le porteur qui peut ainsi se tenir informé de la quantité de radiation à laquelle il a été exposé et des effets potentiels sur sa santé, pour modifier son comportement, sa position ou son programme.

La recherche de radiation diffère des deux autres applications de base de la détection des rayonnements en ce qu'elle est basée sur le fait que la radiation n'est pas attendue dans la zone et que l'on cherche à maintenir cette situation La recherche de radiation pose un ensemble d'exigences qui reflètent les circumstances significativement différentes dans lesquelles elle a lieu, principalement pour le personnel de radioprotection, les primo-intervenants ou des groupes tels que les autorités des douanes et des frontières, Les détecteurs doivent être hautement sensibles et la priorité est la recherche de sources ou de matériaux radioactifs cachés, plus petits. La spectrométrie est souvent très utile, car il s'agit généralement d'un petit sous-ensemble d'isotopes radioactifs qui sont préoccupants, et il est important de pouvoir différencier ceux qui sont présents pour des raisons légitimes, telles que le traitement médical, de la simple accumulation de substance radioactive naturelle.

Ces trois catégories, et les différentes tâches qu'elles impliquent, aident à déterminer le meilleur type d'instrument ou de détecteur pour la tâche.

TYPES

Lorsqu'on parle d'instruments de détection des rayonnements, il y a trois types de détecteurs qui sont les plus couramment utilisés en fonction des besoins spécifiques de l'appareil. Il s'agit de détecteurs à gaz, de scintillateurs et de détecteurs solides. Chacun présente différents avantages et faiblesses qui leur confèrent des rôles bien spécifiques.

REMPLI DE GAZ

Le premier type de détecteur de radiation, à gaz, fait partie des détecteurs les plus couramment utilisés. Il y a plusieurs types de détecteurs à gaz et bien qu'ils présentent des différences dans leur fonctionnement, ils sont tous basés sur des principes similaires. Lorsque le gaz dans le détecteur est en présence de radiation, il réagit, le gaz s'ionise et la charge électronique qui en résulte est mesurée au compteur.

Les différents types de détecteurs à gaz sont : les chambres d'ionisation, les compteurs proportionnels et les tubes Geiger-Mueller (G-M). Le principal facteur de différenciation entre ces différents types est la tension appliquée à travers le détecteur, qui détermine le type de réponse que le détecteur enregistrera lors d'un événement d'ionisation.

CHAMBRE D'IONISATION

En bas de l'échelle de tension des détecteurs à gaz se trouvent les chambres d'ionisation ou chambres à ions. Elles fonctionnent à basse tension, ce qui signifie que le détecteur n'enregistre qu'une mesure à partir des ions « primaires» (en réalité paire d'ions créés : un ion chargé positivement et un électron libre) causée par une interaction avec un photon radioactif dans la chambre de réaction. Ainsi, la mesure que le détecteur enregistre est directement proportionnelle au nombre de paires d'ions créées. Il s'agit d'une mesure de dose absorbée dans le temps particulièrement utile. Elles sont également précieuses pour la mesure des rayons gamma de haute énergie, car elles n'ont pas de problèmes de temps mort comme d'autres types de détecteurs peuvent avoir.

Cependant, les chambres à ions ne peuvent pas différencier les types de radiation, ce qui signifie qu'elles ne peuvent pas être utilisées pour la spectrométrie. Elles ont également tendance à être plus chères que les autres solutions. Malgré cela, ce sont des détecteurs précieux pour les compteurs de mesure. Elles sont également largement utilisées dans les laboratoires pour établir des normes de référence pour les calibrations.

PROPORTIONNEL

L'étape suivante sur l'échelle de tension pour les détecteurs à gaz est le compteur proportionnel (ou proportionnel aux gaz). Ils sont généralement concçus pour couvrir une grande partie de la zone à l'intérieur de la chambre et fonctionnent de la même manière qu'une chambre à ions, en ce sens que les interactions avec la radiation créent des paires d'ions. Cependant, ils ont une tension suffisamment élevée pour que les ions « dérivent » vers l'anode du détecteur. À mesure que les ions s'approchent de l'anode du détecteur, la tension augmente, jusqu'à ce qu'ils atteignent un point où un effet d' « amplification gazeuse » se produit.

L'amplification gazeuse signifie que les ions d'origine créés par la réaction avec un photon de radiation provoquent d'autres réactions d'ionisation, qui multiplient la force de l'impulsion de sortie mesurée à travers le détecteur. L'impulsion résultante est proportionnelle au nombre de paires d'ions d'origine formées, ce qui se corrèle à l'énergie du champ radioactif avec lequel elle interagit.

Les compteurs proportionnels sont très utiles pour certaines applications de spectrométrie, car ils réagissent différemment à différentes énergies et sont donc capables de faire la différence entre les différents types de radiation avec lesquels ils interagissent. Ils sont également hautement sensibles, ce qui, couplé à leur efficacité à la détection et à la discrimination alpha et bêta, rend ce type de détecteur très précieux en tant que détecteur de contamination.

TUBE GM

Le dernière grande catégorie de détecteurs à gaz est le tube Geiger-Mueller, à l'origine du nom « compteur Geiger ». Fonctionnant à une tension beaucoup plus élevée que les autres types de détecteurs, ils diffèrent des autres types de détecteurs en ce que chaque réaction d'ionisation, qu'elle soit une interaction à particule unique ou un champ plus fort, provoque un effet d'amplification des gaz sur toute la longueur de l'anode du détecteur. Ainsi, ils ne peuvent vraiment fonctionner que comme de simples débits de dose, utilisés pour mesurer les taux de comptage ou, avec les bons algorithmes appliqués, les débits de dose.

Après chaque impulsion, un G-M doit être « réinitialisé » à son état d'origine. Cela est accompli par extinction. Cela peut être accompli électroniquement en abaissant temporairement la tension anode sur le détecteur après chaque impulsion, ce qui permet aux ions de se recombiner à leur état inerte. Cela peut également être accompli chimiquement avec un gaz d'extinction tel que l'halogène qui absorbe les photons supplémentaires créés par une avalanche d'ions sans devenir lui-même ionisé.

En raison de la vaste expérience des tubes G-M de réaction avec chaque impulsion de radiation, un « temps mort » peut survenir à des taux d'exposition plus élevés, ce qui signifie qu'il y a un décalage entre la cascade d'impulsions et le moment où le gaz est capable de revenir à son état d'origine pour détecter une autre impulsion. Cela peut être compensé par une calibration ou avec des algorithmes dans les instruments de détection eux-mêmes pour « calcuter » ce que les impulsions supplémentaires seraient en se basant sur les données de mesure existantes.

SCINTILLATEURS

Le deuxième type principal de détecteurs utilisé dans les instruments de détection des rayonnements est le détecteur à scintillation. La scintillation est l'acte de diffuser de la lumière, et pour la détection des rayonnements, c'est la capacité d'un certain matériau à scintiller lorsqu'il est exposé à la radiation, ce qui le rend utile en tant que détecteur. Chaque photon de radiation qui interagit avec le matériau du scintillateur entraînera un flash de lumière distinct, ce qui signifie qu'en plus d'être hautement sensibles, les détecteurs à scintillation sont capables de capturer des profils spectroscopiques spécifiques pour les matériaux radioactifs mesurés.

Les détecteurs à scintillation fonctionnent à travers la liaison d'un matériau scintillateur avec un tube photomultiplicateur (PM). Le tube PM utilise un matériau de photocathode pour transformer chaque impulsion de lumière en un électron, puis amplifie ce signal de manière significative afin de générer une impulsion de tension qui peut ensuite être lue et interprétée. Le nombre de ces impulsions mesurées dans le temps indiquait l'intensité de la source radioactive mesurée, tandis que les informations sur l'énergie spécifique de la radiation, comme indiqué par le nombre de photons de lumière capturés dans chaque impulsion, donnent des informations sur le type de substance radioactive présente.

En raison de leur sensibilité élevée et de leur capacité potentielle à « identifier » les sources radioactives, les détecteurs à scintillation sont notamment utiles pour les applications de sécurité radiologique. Ceux-ci peuvent prendre de nombreuses formes, des dispositifs portables utilisés dans les récipients pour détecter les substances radioactives cachées ou blindées, aux moniteurs mis en place pour filtrer de grandes zones ou populations, capables de différencier les sources de radiation naturelles ou médicales et les sources plus préoccupantes, telles que les substances nucléaires spéciales (SNM).

DÉTECTEUR SOLIDE

La dernière technologie de détecteur majeure utilisée dans les instruments de détection des rayonnements est le détecteur solide. Il utilise généralement un matériau à semi-conducteur tel que le silicium, ils fonctionnent beaucoup comme une chambre d'ionisation, simplement à une échelle beaucoup plus petite et à une tension beaucoup plus faible. Les semi-conducteurs sont des matériaux qui ont une résistance élevée au courant électronique, mais pas aussi élevée qu'un isolateur. Ils sont composés d'un réseau d'atomes qui comportent des « porteurs de charge », ceux-ci étant soit des électrons disponibles pour se fixer à un autre atome, soit des « trous » d'électrons, soit des atomes avec un endroit vide où pourrait se trouve un électron.

Les détecteurs solides au silicium sont composés de deux couches de matériau semi-conducteur au silicium, l'une « de type n », ce qui signifie qu'il comporte un plus grand nombre d'électrons par rapport aux trous, et l'autre « de type p », qui comporte un plus grand nombre de trous que le silicium. Les électrons de type n migrent à travers la jonction entre les deux couches pour remplir les trous dans le type p, créant ce qu'on appelle une zone de déplétion.

Cette zone de déplétion agit comme la zone de détection d'une chambre d'ionisation. La radiation interagissant avec les atomes à l'intérieur de la zone de déplétion les amène à se ré-ioniser et à créer une impulsion électronique qui peut être mesurée. La petite échelle du détecteur et de la zone de déplétion elle-même signifie que les paires d'ions peuvent être collectées rapidement, ce qui signifie que les instruments utilisant ce type de détecteur peuvent avoir un temps de réponse très rapide. Ceci associé à leur petite taille, rend ce type de détecteur solide très utile pour les applications de dosimétrie électronique. Ils sont également capables de supporter une quantité de radiation beaucoup plus élevée au cours de leur durée de vie que d'autres types de détecteurs tels que les tubes G-M, ce qui signifie qu'ils sont également utiles pour les instruments opérant dans des zones où les champs de radiation sont très forts.