Comprendre les spécifications de performance pour les compteurs alpha bêta à fond à profil bas

Les comparaisons entre les systèmes de fournisseurs, souvent une tâche fastidieuse, peuvent entraîner de la frustration et de la confusion. Cette note d'application servira d'outil pour vous guider à travers le processus de comparaison de systèmes de fond à profil bas alpha bêta. Elle soulignera les erreurs de comparaison du chiffre de mérite potentiel (FOM) en démontrant les principes scientifiques fondamentaux et lorsqu'ils s'appliquent à la théorie et à la fonctionnalité du détecteur de base, et expliquera l'importance du design du détecteur. Alors, commençons.

FOM : de quoi s'agit-il et est-ce utile ?

De nombreuses personnes utilisent le calcul du chiffre de mérite (FOM) pour comparer les performances du débit d'échantillon entre des systèmes alpha bêta à fond à profil bas. Bien que le FOM puisse être un outil utile, il peut également entraîner des conditions erronées si elles ne sont pas utilisées correctement. Le FOM est une mesure de performance pour une machine : un paramètre ou une caractéristique d'une machine, d'un composant ou d'un instrument qui est utilisé comme mesure de ses performances.

FOM est généralement défini comme e²/b, où « e » est l'efficacité et « b » est le fond pour un instrument spécifique. Le FOM peut être utilisé pour déduire le débit d'échantillon pour différents systèmes. Cependant, l'utilisation de la définition ci-dessus fait fondamentalement du FOM un outil inutile lors de la comparaison des systèmes entre les fournisseurs. Voilà pourquoi.

Comme les valeurs utilisées pour calcuter le FOM sont l'efficacité et le fond, toutes les variables qui les affectent devraient être commandées et égales. Comme les fournisseurs publient des spécifications de fond et d'efficacité basées sur leurs propres tests uniques, les variables qui affectent le bruit de fond et l'efficacité peuvent produire des résultats très différents. Cela entraîne finalement des assomptions erronées sur le rendement d'échantillon. Comme la plupart des variables sont liées à l'efficacité, nous commencerons là.

Quelles sont les variables qui affectent l'efficacité ?

1. Géométrie
2. Rétrodiffusion
3. Atténuation
4. Auto-absorption

Nous n'aborderons pas l'auto-absorption ou l'atténuation dans cette note d'application. Nous aborderons uniquement la géométrie et la rétrodiffusion

1) Géométrie

2π c. 4π ?
Comme de nombreux fournisseurs ne révèlent pas si les efficacités publiées sont de 2π ou 4π, les assomptions sur les valeurs FOM peuvent être incorrectes d'ordres de grandeur si cette variable n'est pas bien définie lors des comparaisons.

Tout d'abord, discutons de la façon dont les calibrations de 2π et 4π sont dérivées. Imaginez qu'une source ponctuelle soit suspendue dans l'air. Nous estimons que la moitié des particules voyagera dans le plan au-dessus de la source et que l'autre moitié voyagera dans le plan au-dessous de la source. Si vous placez un détecteur au-dessus de la source, le maximum qu'un détecteur pourrait détecter est de la moitié du taux de désintégration de la source. Si nous ajustons les informations de calibration pour le détecteur pour détecter la moitié du taux de désintégration donné, le détecteur détectera en théorie 100 % des particules frappant la sonde – définie comme une calibration de 2π. Par exemple : les certificats de source donnent généralement un taux d'émission de 2π. Cela signifie simplement que la source a été calibrée uniquement sur la base des particules émises à partir d'une surface de la source. Si nous entrons le taux d'émission de 2π dans notre mise en place de calibration pour l'instrument, nous obtenons essentiellement une calibration de 2π pour ce détecteur. Une calibration d'efficacité de 2π de 74 % pour ⁹⁰Sr serait la même qu'une calibration d'efficacité de 4π de 37 % pour ⁹⁰Sr. Le FOM entre deux systèmes différents n'a pas la même signification si le type de calibration, 2π ou 4π, n'est pas bien défini.

Résolution du FOM comme e²/b et assumant un bruit de fond de 0,7 cpm dans chaque cas :

FOM = 74² ÷ 0,7 = 7822

comparé à :

FOM = 37² ÷ 0,7 = 1955

Dans cet exemple, il y a une différence de 400 % entre les valeurs FOM calculées. En résumé, le type de calibration d'efficacité publié de chaque fournisseur est critique lors de vos comparaisons entre différents systèmes.

Un autre aspect lié à la géométrie qui est également important lors de la comparaison des efficacités est la profondeur du planchet. La profondeur du planchet définit la distance de l'échantillon à la fenêtre du détecteur de flux de gaz. La distance échantillon-détecteur affectera l'efficacité mesurée avec un système de deux façons :

1. Les particules chargées (alphas et bêtas) ont des gammes différentes. La gamme est définie comme la profondeur de pénétration moyenne d'une particule chargée dans un absorbeur (air, plomb, gaz P-10, etc.) avant qu'elle ne perde toute son énergie et s'arrête. Par exemple, la gamme d'air pour une particule alpha ²¹⁰Po est seulement d'environ 2,5 cm ou un pouce. Les particules bêta ont une gamme d'air beaucoup plus grande, ou environ quatre mètres par MeV d'énergie bêta.
2. Si une source de diamètre de 4 mm est placée dans une position de sorte qu'il n'y a pas d'espace entre la source et la fenêtre d'un détecteur d'échantillon de diamètre de 2,25 po, le détecteur visualisera près de 50 % (près de 2 π) des désintégrations de la source. Les particules qui impactent le détecteur à des angles très faibles, presque parallèles à la fenêtre, ne généreront probablement pas suffisamment de charge, d'ionisation, dans le détecteur pour entraîner une impulsion de comptage. Comme la source est éloignée, le détecteur ne visualisera plus 50 % des désintégrations, mais un pourcentage de moins. Plus l'espacement est important, plus un pourcentage de 2 π est petit et plus l'efficacité du système de détection est faible.

À partir de ce qui précède, nous pouvons dire que la distance de la source de la zone de détecteur active aura un impact à la fois sur notre efficacité alpha et bêta. L'efficacité alpha sera impactée par les deux phénomènes décrits ci-dessus tandis que l'efficacité bêta, puisque les bêta ont une gamme beaucoup plus longue, sera principalement affectée par des facteurs angulaires.

À l'aide du graphique ci-dessous (figure 1), le comptage d'une source 90Sr positionnée aussi près du détecteur que possible produira une efficacité d'environ 55 % (rétrodiffusion incluse, voir ci-dessous). Comparez cette efficacité à celle obtenue à partir du comptage de la même source dans un planchet de 1/8 po, résultant en une efficacité de 47 % (rétrodiffusion incluse, voir ci-dessous).

Les valeurs FOM résultantes sont 4321 et 3155 respectivement basées sur un fond de 0,7 cpm – une différence de 137 % simplement due à la profondeur du planchet.

Dans un ensemble de mesures similaire, une source alpha de 241Am de diamètre de 4 mm a été placée de suite dans des inserts profonds de 1/8 po et 5/16 po. et l'efficacité a été mesurée. L'efficacité dans l'insert de 1/8 po. a été déterminée à 41,7 % tandis que l'efficacité dans l'insert de 5/16 po. a été mesurée à seulement 34,2 %.

En résumé, le FOM n'est qu'un outil valide si les facteurs de géométrie qui affectent l'efficacité sont identifiés, bien définis et égaux pour chaque valeur d'efficacité utilisée dans l'équation FOM.

2) Rétrodiffusion

Le prochain facteur affectant l'efficacité dont nous discuterons est appelé rétrodiffusion. La rétrodiffusion est le phénomène par lequel les particules qui se déplacent de la zone du détecteur sont « diffusées » vers la zone du détecteur, comme le montre l'illustration ci-dessous.

À la figure 2, certaines des particules chargées sur le fond de la source sont « diffusées » sur le planchet vers la zone du détecteur où elles sont détectées et enregistrées en tant que comptages.

À la figure 3, les particules chargées sur le fond de la source n'ont rien à « diffuser » et ne sont par la suite pas détectées.

La quantité de rétrodiffusion pour les particules chargées est une fonction du matériau utilisé pour le placement de la source, tels que les planchets en acier inoxydable. Comme un type de planchet est toujours utilisé pour positionner et maintenir la source ou l'échantillon en place tout en comptage, un effet de rétrodiffusion se produira toujours pendant l'acquisition. La figure 4 ci-dessous illustre l'effet de rétrodiffusion en fonction du Z du matériau de planchet utilisé. À partir de ce graphique, nous déterminons que différents matériaux de planchet et isotopes produiront des degrés variables d'effet de rétrodiffusion.

Les résultats d'efficacité publiés par les fournisseurs comprennent généralement un effet de rétrodiffusion, notamment pour les bêtas. Comme certains fournisseurs ne divulguent pas si la rétrodiffusion est incluse ou non dans les spécifications d'efficacité publiées, la comparaison FOM devient un outil invalide à moins que le facteur de rétrodiffusion exact soit déterminé (y compris le type de matériau de planchet utilisé pour le placement de la source ainsi que le matériau de montage de la source). Les efficacités peuvent différer de près de 17 % en raison de la rétrodiffusion seule.

Les valeurs FOM dans la figure 5 ont été obtenues à l'aide des spécifications de garantie publiées d'un fournisseur pour l'efficacité bêta et le bruit de fond à l'aide d'un seul instrument. La valeur FOM en bleu, 2382, est basée sur une efficacité qui n'incluait aucune rétrodiffusion. Le FOM en violet, 3958, est basé sur le même instrument, mais à l'aide d'une valeur d'efficacité qui comprend la rétrodiffusion. Il est donc facile de voir comment le FOM devient invalide si les données utilisées pour le calcuter ne sont pas bien définies.

« Garantie » par rapport aux spécifications « typiques »

Une autre observation importante est de noter la différence entre les valeurs FOM pour un système à l'aide des spécifications de garantie par rapport au FOM calculé sur la base de spécifications typiques. Certains fournisseurs comparent leurs spécifications typiques aux spécifications de garantie du compteur . Historiquement, une efficacité typique est une valeur de « meilleur cas » qui n'est pas toujours reproductible, mais généralement réalisable. Une efficacité de garantie est utilisée comme limite inférieure à des fins de test. En d'autres termes, les fournisseurs ne devraient pas expédier un détecteur qui présente une valeur d'efficacité en dessous des spécifications de garantie. La spécification de garantie peut être interprétée comme une valeur de « pire cas ». Les fournisseurs qui utilisent une valeur d'efficacité typique par rapport à une valeur d'efficacité de garantie dans l'équation FOM provoquent la confusion et amènent les clients à des assomptions incorrectes.

En résumé, il y a de nombreuses variables qui affectent le calcul FOM, ce qui en fait un outil utile uniquement si les conditions utilisées pour le calcul sont bien définies et bien connues. Si vous vous sentez toujours enclin à utiliser le FOM comme outil de comparaison, faites vos devoirs, et demandez toutes les données nécessaires à chaque fournisseur pour vous assurer de prendre la bonne décision. La liste ci-dessous fournit certaines des données nécessaires pour faire une comparaison FOM valide :

1. La valeur d'efficacité est-elle 2π ou 4π ?
2. Quelle profondeur de planchet a été utilisée pour compter la source ?
3. Quel type de matériau de planchet a été utilisé pour maintenir la source ?
4. La rétrodiffusion est-elle incluse dans la valeur d'efficacité publiée ?
5. Quelle source a été utilisée, c'est-à-dire, ⁹⁰Sr, ⁹⁹Tc ?
6. Les valeurs d'efficacité sont-elles des spécifications de garantie ou des spécifications typiques ?

Les réponses à ces questions devraient être exactement les mêmes pour chaque fournisseur pour garantir qu'une comparaison FOM valide est faite.

En tant qu'alternative, la meilleure mesure pour comparer deux systèmes similaires est de les tester simultanément dans un environnement de laboratoire réel. Il s'agit de la seule comparaison scientifique valide puisque les spécifications publiées sont souvent générées à partir de situations atypiques afin de produire les « meilleures » valeurs possibles. Bien que les spécifications soient nécessaires pour offrir des performances de base de l'instrument, la comparaison de ces spécifications sans connaissance d'une comparaison valide peut entraîner des observations ou des assomptions incorrectes.

Anode unique c. anode double – est-ce important ?

Le design du détecteur, omis par erreur lors des comparaisons entre les systèmes alpha / bêta des fournisseurs, est l'aspect le plus important lors de la comparaison de deux systèmes similaires. La deuxième partie de cette note d'application montrera pourquoi le design du détecteur est critique pour les mesures précises d'échantillons préparés et non identifiés.

Les spécifications d'efficacité publiées sont basées sur des sources de point uniformément distribuées centralement et comptées aussi près de la zone du détecteur que possible. Cela fournira la meilleure efficacité possible absolue pour n'importe quel système, mais est irréaliste lorsqu'il est appliqué aux performances d'efficacité d'échantillons non identifiés.

Les échantillons non identifiés ne sont pas intrinsèquement distribués uniformément en raison des méthodes de préparation d'échantillon. Les échantillons non identifiés sont des liquides évaporés ou des échantillons de filtre préparés par des individus à l'aide de méthodes dépendant de la technique. Cela se traduit généralement par une activité d'échantillon qui n'est pas aléatoire ou également distribuée dans le planchet ou le filtre. Les figures 6 et 7 illustrent un échantillon liquide évaporé et un échantillon de frottis typique. Remarquez la distribution non uniforme de l'activité potentielle autour des bords extérieurs des deux échantillons.

Le design du détecteur est critique pour les mesures précises de ces échantillons non uniformément distribués. Une comparaison de la réponse d'efficacité d'un seul détecteur d'anode par rapport à un détecteur à double anode démontrera l'importance du design du détecteur pour les échantillons non identifiés.

Tout d'abord, discutons d'une théorie de compteur proportionnel de gaz de base. Tous les compteurs proportionnels au gaz fonctionnent sur le principe d'ionisation. Le processus d'ionisation se produit lorsque les particules alpha et bêta chargées interagissent avec des atomes de gaz neutres et forment des paires d'ions. Les paires d'ions se composent d'un électron libre et d'un ion positif. Lorsqu'un potentiel électrique suffisant est appliqué au système, la force de Coulomb augmente, provoquant la migration des électrons libres vers le(s) fil(s) d'anode chargée positivement et les ions positifs pour migrer vers la cathode chargée négativement au lieu de la recombinaison. Le potentiel électrique ou la tension appliquée doit être suffisamment fort pour permettre la multiplication du gaz. La multiplication du gaz nécessite de grandes valeurs de champ électrique et est la base de la vraie proportionnalité.

Parce que la multiplication du gaz dépend de la force du champ électrique, les zones faibles de champ électrique dans un détecteur entraînent une perte d'efficacité dramatique.

Prenez l'équation ci-dessous :

Le champ électrique à un rayon r est :

E(r) = V ÷ (r ln (b/a))

où :
V = tension appliquée entre l'anode et la cathode
a = rayon de fil d'anode
b = rayon intérieur de la cathode

À partir de cette équation, nous pouvons extrapoler qu'un seul détecteur d'anode fera l'expérience d'une diminution du potentiel électrique le long des bords extérieurs du détecteur parce que b augmente, E, le champ électrique, diminue. Lorsque le champ électrique diminue, la multiplication du gaz ne se produit pas et la réponse d'efficacité du détecteur diminue.

Une étude d'un seul détecteur d'anode par rapport à un détecteur à double anode a été menée à une installation Canberra™ Tennelec™. Les résultats de cette étude prouvent que les détecteurs à anode unique subissent une perte d'efficacité drastique autour des bords extérieurs.

Un seul détecteur d'anode a été testé par rapport au détecteur à double anode de Tennelec. La figure 8 illustre un détecteur à anode unique de 2,25 po, similaire à ceux fournis par certains fournisseurs.

Les tests ont été effectués à l'aide d'une source de point collimatée montée sur un disque de 1 po de diamètre. Les mesures ont été prises avec la source collimatée positionnée à différents endroits, désignée sur le placement de la grille ci-dessus.

La figure 9 illustre les résultats d'efficacité relative pour les positions A1 à J1 mesurées avec un seul détecteur d'anode, la figure 8.

Les données de la figure 9 montrent que pour les positions J1 et E1, le détecteur subit une baisse d'efficacité de 70 %. J1 et E1 représentent des positions qui sont d'environ 1 po. de la position du fil d'anode centrale, A1. Par exemple, un échantillon qui a une activité déposée entre les emplacements H1 et J1, nous pouvons nous attendre à une diminution de la réponse d'efficacité de 20 % à 70 %.

Le même test de source collimatée exact décrit plus tôt a été effectué sur un Canberra / Tennelec standard de 2,25 po de diamètre, détecteur à double anode, montré à la figure 10. Les résultats de ces tests, ainsi que les résultats d'une seule anode précédemment illustrés, sont montrés à la figure 11.

Cette figure illustre clairement les performances supérieures obtenues avec un détecteur d'échantillon à double anode. Bien que le détecteur à double anode ne soit pas parfait, la perte d'efficacité aux positions J1 et E1 est d'environ 5 % par rapport à la perte de 70 % qu'un seul détecteur d'anode présente.

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