Compteur proportionnel à gaz

Un compteur proportionnel à gaz est un détecteur de particules conçu pour détecter les radiations ionisantes. Il a un très bon rendement pour les photons de faible énergie.



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Un compteur proportionnel à gaz est un détecteur de particules conçu pour détecter les radiations ionisantes. Il a un très bon rendement pour les photons de faible énergie.

Schéma de principe d'une chambre à ionisation

Il s'agit d'un détecteur à ionisation de gaz, comme le compteur Geiger-Müller mais fonctionnant avec une haute tension plus faible ; ainsi, au lieu d'être en saturation — chaque arrivée de photon ou de particule provoque une étincelle maximum —, on est dans le régime linéaire : l'intensité de l'arc électrique créé est proportionnelle à l'énergie du photon, d'où le nom du détecteur.

Le compteur se compose donc :

On peut distinguer :

Le gaz utilisé est généralement un mélange de 90 % d'argon et de 10 % de méthane pour les compteur à flux gazeux ; dans les compteurs scellés, le gaz amortisseur est généralement un halogène (dichlore ou dibrome).

Principe

Quand une particule ionisante — au sens large, particule matérielle ou photon — traverse la fenêtre, elle fait la connaissance de des molécules de gaz et les ionise par effet Compton. Ces ions sont alors attirés vers le filament ou le boîtier du fait de la haute tension, et provoquent un pic de tension quand ils les atteignent. Ces pics de tension sont comptabilisés. Dans les conditions parfaites d'utilisation, le «nombre de coups» (c'est-à-dire le nombre d'impulsions) est proportionnel au nombre de particules ayant traversé le détecteur (certaines particules provoquent plusieurs ionisations, d'autre le traversent sans interaction).

On utilise un gaz léger, l'argon, car il s'ionise aisément par effet Compton mais difficilement par effet photoélectrique.

La haute tension assez faible et la présence d'un gaz organique, le méthane, permet d'éviter l'avalanche de Townsend (ionisations en cascade). En effet, les électrons ionisés sont trop peu accélérés pour pouvoir à leur tour provoquer des ionisations, à l'exception de la région du fil ; les ions ainsi créés ayant une cœfficient de diffusion lent, ils «stagnent» autour du fil, créant une charge d'espace, ce qui permet «d'absorber» le «trop-plein» d'électrons et d'éviter l'avalanche dans cette région. Le gaz organique joue par conséquent le rôle «d'amortisseur» : il s'ionise aisément et ses molécules sont lourdes, par conséquent lentes à diffuser, c'est essentiellement lui qui va former cette charge d'espace.

Réglage du compteur

Il faut régler la haute tension du détecteur et le gain de la chaîne d'augmentcation afin d'être dans la partie linéaire. Pour cela, on soumet le compteur à un rayonnement «typique», afin d'avoir un signal.

La première opération consiste à tracer le nombre de coups par seconde détectés selon la haute tension (HV plot) . Ceci sert à repérer la zone de linéarité. La valeur typique, pour un mélange argon-méthane (10 %), est de l'ordre de 1 400 à 1 800 volts.

Par la suite, on trace la répartition des hauteurs d'impulsions (pulse height analysis, PHA). Si le détecteur ne reçoit des particules ayant toutes la même énergie, on aurait dans l'idéal un pic particulièrement fin, puisque la hauteur des impulsions dépend de l'énergie. Dans les faits, on a un pic large, l'élargissement étant surtout dû à l'effet Doppler-Fizeau (les molécules du gaz sont en mouvement). On a par conséquent un pic dont la largeur à mi-hauteur H est proportionnelle à l'inverse de la racine carrée de l'énergie E du photon :

H = \frac{38,8}{\sqrt{E}}

H étant en pourcentage (la position du sommet du pic représentant 100 %), E étant en keV. La résolution est de l'ordre de 15 à 20 %.

On ajuste la haute tension pour que le sommet de la courbe corresponde au maximum de rendement du détecteur, généralement 1 à 2 volts. La haute tension dépend par conséquent de l'énergie des particules qu'on veut détecter. Dans le cas d'une analyse dispersive en longueur d'onde, l'énergie est déterminée par l'angle de diffraction ; la haute tension est alors proportionnelle au sinus de l'angle (voir Loi de Bragg), on parle quelquefois «d'amplificateur sinusoïdal».

Les impulsions détectées peuvent être dues à d'autres phénomènes : particule d'énergie voisine, bruit de fond électronique… On filtre par conséquent les impulsions qui sont «trop hautes» ou «trop basses», tout en essayant de conserver l'ensemble des impulsions dues aux particules auxquelles on s'intéresse. C'est le rôle de la discrimination.

Enfin, le dernier paramètre important est le temps mort : si le flux de particules est trop élevé, le détecteur n'a pas le temps de se remettre au repos entre deux événements, il «perd» par conséquent du comptage. Quand le détecteur arrive à saturation, on peut atténuer le signal incident (en le filtrant, ou en diminuant l'intensité du tube à rayons X)  ; sinon, il faut corriger de cet écart à la linéarité.

Précautions

Le paramètre principal est la propreté du dispositif : les impuretés dans le gaz produisent des parasites qui empêchent l'utilisation effective. Quand il y a une impureté, on a fréquemment un profil typique à deux modes (deux pics) dans la répartition des hauteurs d'impulsions.

Dans le cas d'un compteur scellé, ceci est garanti par la qualité de la fabrication.

Dans le cas d'un compteur à flux gazeux, il faut employer un gaz de haute pureté, une tubulure particulièrement propre (cuivre ou inox sans graisse, polymère qui ne dégaze pas). Les points critiques sont le changement de la bouteille de gaz et les changements de la fenêtre et du filament, qui peuvent donner lieu à l'introduction d'impuretés. Si on constate la présence d'une impureté, il faut purger et nettoyer la tubulure, et changer la fenêtre et le filament.

Applications

En médecine nucléaire, les compteurs proportionnels ne sont plus utilisés fréquemment. Ils servaient principalement à compter les gammas et les β de basse énergie. Ils ont été remplacés depuis par la scintillation liquide.

En revanche, ils sont toujours particulièrement utilisés pour détecter les rayons X, surtout en spectrométrie de fluorescence X.

Voir aussi

Bibliographie

Liens externes

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La version présentée ici à été extraite depuis cette source le 07/04/2010.
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