Expérience de laboratoire 12 : sommation des vraies coïncidences

Objectif :

1. Pour démontrer la somme des vraies coïncidences.

Équipement requis :

Aperçu théorique :

Coïncidences gamma-gamma

De nombreux nucléides communs émettent deux ou plusieurs photons à partir de la même désintégration, souvent appelée une cascade. La désintégration initiale (il pourrait être α, β-, β+ ou la capture d'électrons) remplit un état excité dans le noyau fille. Cet état se désintègre par émission de photons ou par conversion interne vers un état moins excité dans le noyau (qui pourrait être l'état fondamental).

La figure 12-1 montre le schéma de désintégration du ⁶⁰Co, où l'on peut voir les désintégrations séquentielles à partir des états excités.

Figure 12-1 : Le schéma de la désintégration du ⁶⁰Co.

Figure 12-2 : une désintégration émettant deux photons déposant de l'énergie dans le détecteur.

Figure 12-3 : schéma de désintégration démontrant l'effet de « somme » pour l'énergie E_C.

Dans un noyau, les états excités ont généralement une durée de vie de l'ordre de la picoseconde. Le temps de réponse typique d'un détecteur est d'environ microsecondes, c'est-à-dire le temps minimum entre deux événements photoniques nécessaires pour que le détecteur identifie ces deux événements distincts. Il convient de noter que cette durée dépasse de plusieurs ordres de grandeur la durée de vie normale des états excités. Pour les désintégrations où plus d'un photon est émis, il existe une probabilité significative que plusieurs photons interagissent avec le détecteur et déposent de l'énergie dans le détecteur. Comme le temps entre les émissions de photons est beaucoup plus court que le temps de réponse du détecteur, il n'est pas possible pour le détecteur de distinguer les photons en tant qu'événements séparés et une seule impulsion est générée, ce qui correspond à la somme des énergies individuelles déposées. La figure 12-2 montre un exemple de désintégration émettant deux photons déposant de l'énergie dans le détecteur dans le temps de résolution du détecteur. Cet événement est appelé somme des coïncidences vraies ou sommation en cascade. Deux cas nécessitent une attention spéciale :

1. Sommation Dans cet événement, l'un des photons dépose toute son énergie dans le détecteur (par exemple le rayon gamma de 1173 keV dans la figure 12-1) et l'autre photon (par exemple le rayon gamma de 1332 keV) dépose tout ou partie de son énergie dans le détecteur. Cela déplacera un comptage du pic d'énergie maximale du premier photon (à 1173 keV dans cet exemple) à une énergie plus élevée dans le spectre. Il réduit le taux de comptage du premier photon par rapport à la détection d'un seul photon. Ce phénomène est appelé sommation.

2. Addition Cet effet est pertinent lorsque l'énergie gamma d'intérêt est égale à la somme de l'énergie de deux autres rayons gamma dans le schéma de désintégration comme dans l'exemple de la figure 12-3. Le taux de comptage du pic d'énergie E _C augmentera dans ce cas en raison de la somme des rayons gamma d'énergie E _A et E _B. C'est ce qu'on appelle l'addition.

Coïncidence de rayons gamma-X

Il y a deux façons de produire les rayons X de sorte qu'ils participent à la somme des vraies coïncidences.

1. Capture électronique Une vacance sur l'une des coquilles électroniques internes est créée ici par la capture d'un des électrons étroitement liés. Les électrons des enveloppes extérieures comblent le vide de la coquille interne et émettent des rayons X qui peuvent être détectés. Comme ces rayons X sont créés à partir de la désintégration initiale, chaque photon émis par le noyau fille peut être détecté en coïncidence avec les rayons X (y compris les cas où un seul photon est émis). Il s'agit d'un exemple de sommation.

2 Conversion interne La conversion interne est un processus électromagnétique et un mode de désexcitation nucléaire par lequel un électron, acquérant directement l'énergie d'excitation d'un noyau atomique, est expulsé de l'atome. Cela créera une vacance dans l'une des coupes d'électrons qui sera remplie par un électron externe et un rayon X sera émis, de manière similaire à la capture électronique décrite ci-dessus. Il s'agit également d'un exemple de sommation.

Coïncidence des photons par dématérialisation gamma

Il y a des cas où les photons créés par le processus de désintégration (comme dans la désintégration β+) peuvent entrer dans la sommation avec les photons du nucléide fille. Dans la désintégration β+, les positrons émis ralentissent dans le matériau environnant, trouvent un électron et annihilent l'émission de deux photons dos à dos avec une énergie de 511 keV. Par rapport au temps de réponse du détecteur, le positron met peu de temps à ralentir et à s'annihiler. Le comptage sera décalé par rapport au pic d'énergie total si au moins un photon d'annihilation dépose de l'énergie dans le détecteur en plus du photon détecté dans le noyau fils. Il s'agit d'un autre cas de sommation, comme décrit ci-dessus.

Probabilité de sommation des vraies coïncidences

Comme la sommation des vraies coïncidences nécessite la détection de deux photons de la même désintégration, elle dépend fortement de ce qui suit :

1. Efficacité de la détection des photons qui participent au processus de sommation. Cela est fonction du type de détecteur et de la géométrie de comptage utilisée. Par exemple, lorsque la taille du détecteur augmente et que la distance source-détecteur diminue, la probabilité de détecter deux photons en tant qu'événement sommé augmente.

2. Le nucléide mesuré. Plus précisément, le schéma de désintégration du nucléide. Nous avons vu plus tôt que la somme de l'entrée et de la sortie dépend du schéma de désintégration de rayons gamma (par exemple, la présence d'une cascade et le mode de désintégration, tel que la conversion interne ou la capture électronique). Certains noyaux ne sont pas affectés (comme le ¹³⁷Cs) et d'autres (comme le ⁶⁰Co et ⁸⁸Y) qui présentent des effets de sommation significatifs.

Conséquences pour les calibrations d'efficacité basées sur la source

La plupart des sources multigamma disponibles dans le commerce comprennent des nucléides qui présentent la somme des vraies coïncidences. Par exemple, il est courant d'utiliser ⁶⁰Co et ⁸⁸Y comme nucléides émetteurs de photons à haute énergie et ils souffrent tous deux de la sommation. L'utilisation de nucléides qui ont des effets d'écrêtage dans des géométries de voisinage entraînera des taux de comptage de pic plus faibles que ce qu'ils auraient été si le nucléide n'avait pas eu d'effets d'écrêtage. Cela signifie que l'efficacité de ces énergies semblera inférieure à son efficacité réelle. Si ces points d'efficacité sont utilisés sans correction, l'efficacité calculée sera faussée par rapport à l'efficacité réelle. En résultat, si l'efficacité est utilisée pour mesurer l'activité d'une mesure d'échantillon sans sommation, le résultat sera plus élevé que l'activité réelle.

Conséquences pour les comptages d'échantillon

Pour les comptages d'échantillon, les effets d'écrêtage entraînent une réduction des taux de comptage de pic mesurés ; les activités mesurées seront donc inférieures aux activités réelles. L'addition a l'effet inverse, les activités mesurées dépassant les activités réelles. Il est à noter que les effets de sommation sont les plus courants. C'est également l'effet le plus significatif, car la sous-estimation des activités de nucléide peut avoir des implications sur la sécurité.

Réduction de l'effet de sommation des vraies coïncidences

Comme la probabilité de la sommation de coïncidence réelle dépend de l'efficacité de la détection, l'effet peut être réduit en éloignant l'échantillon du détecteur. Cependant, l'impact de la réduction de l'efficacité globale du système de comptage peut entraîner une augmentation des temps de comptage (afin de maintenir les statistiques de comptage) et donc une productivité réduite pour le comptage d'échantillons.

Si la somme des coïncidences est principalement due aux rayons X (comme cela peut être le cas lorsque le noyau se désintègre par capture électronique), la somme des coïncidences peut être réduite en introduisant un atténuateur qui atténuera la plupart des photons de faible énergie. Le traitement optimal consiste à utiliser un logiciel, tel que les calculs LabSOCS, pour quantifier et corriger les effets de somme des vraies coïncidences. Cette approche est appliquée pour toutes les géométries de mesure et tous les nucléides couramment mesurés qui sont réputées être affectées.

Guide de l'expérience 12 :

Mesures

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. Placez la source ¹³⁷ Cs devant le détecteur.

3. Ouvrez le logiciel de spectrométrie gamma ProSpect et connectez au DSA Lynx II.

4. Personnalisez les paramètres de l'analyseur multicanal comme recommandé dans l'expérience 7.

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. Réglez le gain de l'amplificateur de sorte que le pic d'énergie maximale soit proche de 40 % du spectre.

8. Effectuez une calibration de l'énergie.

9. Positionnez la source ¹³⁷Cs sur le capuchon d'extrémité et acquérez un spectre (utilisez une durée de comptage de sorte qu'il y ait au moins 10 000 comptages dans le pic d'énergie maximale).

10. Enregistrez le nombre de comptages dans le(s) pic(s) de pleine énergie.

11. Positionnez la source ¹³⁷ Cs à 5 cm de la source et acquérez un spectre (utilisez une durée de comptage de sorte qu'il y ait au moins 10 000 comptages dans le pic d'énergie maximale).

12. Enregistrez le nombre de comptages dans le(s) pic(s) de pleine énergie.

13. Positionnez la source ¹³⁷ Cs à 30 cm de la source et acquérez un spectre (utilisez une durée de comptage de sorte qu'il y ait au moins 10 000 comptages dans le pic d'énergie maximale).

14. Enregistrez le nombre de comptages dans le(s) pic(s) d'énergie maximale.

15. Positionnez la source ¹³⁷ Cs sur une mince feuille de cuivre directement sur le capuchon d'extrémité et acquérez un spectre (utilisez une durée de comptage de sorte qu'il y ait au moins 10 000 comptages dans le pic d'énergie maximale).

16. Enregistrez le nombre de comptages dans le(s) pic(s) de pleine énergie.

17. Répétez l'étape 16 pour une source ⁶⁰ Co.

18. Répétez l'étape 16 pour une source ²² Na.

19. Répétez l'étape 16 pour une source de ¹⁵² Eu.

Analyse

1. Dans le compositeur de géométrie LabSOCS, créez un modèle de la source ponctuelle aux trois distances différentes, avec l'absorbeur de cuivre. Calculez les efficacités pour toutes les énergies pour lesquelles les zones de pic ont été calcutées.

2. Déterminer les efficacités pour toutes les sources et géométries à l'aide des zones de pic, des temps de comptage et du taux d'émission de photons connu pour toutes les sources et géométries (disponible sur le certificat de la source).

3. Calculez le facteur de somme des vraies coïncidences (défini comme l'efficacité mesurée divisée par l'efficacité calcue) pour toutes les sources et toutes les géométries. Un facteur proche de 1 indique qu'il n'y a pas de sommation de coïncidences vraies ou négligeables. Un facteur inférieur à 1 indique qu'il y a des coïncidences d'écrêtage et un facteur plus grand que 1 indique qu'il y a des coïncidences de sommation.

4. Pour chaque source et géométrie, expliquez la valeur du facteur de sommation des vraies coïncidences. Si nécessaire, recherchez le schéma de désintégration dans un livre ou en ligne, par exemple dans le Centre national de données nucléaires du laboratoire national de Brookhaven http://www.nndc.bnl.gov/nudat2/.