UE 3A. Aspects fonctionnels et méthodes d étude. Dr Tristan Richard. L1 santé année universitaire 2009/10

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1 UE 3A Organisationdesappareilset appareils et dessystèmes systèmes : Aspects fonctionnels et méthodes d étude Dr Tristan Richard L1 santé année universitaire 2009/10

2 Rayons X et gamma Rayonnements particulaires Natures et propriétés des REM Principales caractéristiques des rayonnements α et β Interaction avec la matière: effet photo électrique, diffusions, matérialisation Détection Physique Nucléaires : Généralités La Radioactivité Interactions Rayonnements Matière Les Réactions Nucléaires Les Rayons X Les Détecteurs L1 santé UE 3A Module 5 2

3 Les détecteurs Horst Fra L1 santé UE 3A Module 5 3

4 Les Détecteurs 1. Les différents types de détecteurs 1.1 Détecteurs basés sur l ionisation gazeuse 1.2 Détecteurs à semi conducteurs 1.3 Détecteurs à scintillation 2. Mesures des rayonnements Performances d un détecteurt 2.2 Mesures quantitatives Horst Fra L1 santé UE 3A Module 5 4

5 1. Les différents types de détecteurs principe détection interactions rayonnements ionisants matière différents types de détecteurs performances et utilisations différentes type de détecteur plaque photographique calorimètre compteur proportionnel compteur Geiger Muller détecteur à semi conducteur phénomènes lumineux application radiographie dosimétrie phénomènes thermiques ionisation d un gaz ionisation d un solide détecteur à scintillation L1 santé UE 3A Module 5 5

6 1.1 Détecteurs basés sur l ionisation gazeuse Mécanismes ionisations primaires A A +(*) + e ionisations secondaires Gaz rares aesou de faible abeaffinité épour les éec électrons e + A A +(*) + e + e e primaire e secondaire Gaz de forte affinité pour les électrons recombinaisons i A + + e A (*) () e + A A (*) désexcitations des espèces formées (A (*), A +(*), A (*) ) L1 santé UE 3A Module 5 6

7 1.1.2 Action d un champ électrique application champ électrique accélération particules chargées création courant électrique accélération particule qe a = m particules lourdes accélération plus faible difficile récupérer ions lourds sur électrodes E F = q E q > 0 + récupération des e (légers) sur électrodes mesure du courant électrique correspondant utilisation i de gaz rares (ou à faible fibl affinité i électronique) limitation formation d ions lourds négatifs L1 santé UE 3A Module 5 7

8 1.1.3 Chambre d ionisation de courant circuit électrique amplificateur mesurede courant tube contenant un mélange gazeux sous faible pression anode (Argon Alcool, Argon Brome) cathode fenêtre dans un matériau perméable au radiation source radioactive + générateur haute tension U 1000 V intensité du champ électrique croissante lorsqu onon se rapproche de l anode Probabilité d ionisation secondaire identique dans tout le tube L1 santé UE 3A Module 5 8

9 1.1.4 Les différents régimes N : nombre d e de collectés à l anode log) énergie des rayonnements ionisants E 2 > E 1 E 1 (échelle l Tension U zone de recombinaisons (N augmente avec U) :de moins en moins de recombinaisons, de plus en plus de particules collectées aux électrodes toutes les particules (ions et électrons) formées par ionisation primaire sont collectées : chambre d ionisation ionisations secondaires deviennent possibles : compteur proportionnel ions formés écran autour de l anode : compteur semi proportionnel chaque ionisation initiale déclenche ionisations secondaires en avalanche : compteur Geiger Müller L1 santé UE 3A Module 5 9

10 Zone 2 fonctionnement en mode chambre d ionisation nombre d e collectés N = K K nombre d ionisations i primaires i N fonction énergie des particules ionisantes sensibilité insuffisante pour détecter un très petit nombre d ionisations ne peut pas fonctionner en compteur de particules spectrométrie intensité I I s Flux et énergie des radiations ionisantesi courant de saturation I = I s tension U zone de fonctionnement L1 santé UE 3A Module 5 10

11 ionisations secondaires à partir de la zone 3 avalanche de Townsend e primaire (produit par le rayonnement ionisant) choc avec un atome ou une molécule de gaz e secondaires choc choc U croissant etc... ion, généralement dans un état excité collisions avec les électrodes désexcitation avec émission d un photon e qui peut à son tour faire des ionisations effet photoélectrique U croissant photoélectron qui peut à son tour faire des ionisations L1 santé UE 3A Module 5 11

12 Zone 3 fonctionnement en mode compteur proportionnel p ionisations secondaires à proximité de l anode et peu nombreuses 1 ionisation primaire formation n e et n ions amplification ( 10 5 ) nombre d e collectés N = K n K nombre d ionisations primaires N fonction énergie des particules ionisantes tension accélératrice U 1 particule ionisante 1 impulsion électrique d amplitude détectable liée à l énergie de la particule applications compteur de particule spectrométrie L1 santé UE 3A Module 5 12

13 Zone 4 proportionalité p diminue zone non utilisée Zone 5 fonctionnement en mode compteur Geiger Müller ionisations secondaires dans tout l espace entre les électrodes ionisation primaire «avalanche» électronique amplification ( ) ions formés écran autour de l anode (modification champ électrique) arrêt «avalanche» électronique (temps de décharge ~ 10 7 s) application compteur de particule L1 santé UE 3A Module 5 13

14 Zone 5 fonctionnement en mode compteur Geiger Müller ionisations secondaires dans tout l espace entre les électrodes zone de fonctionnement Au delà de cette zone : la décharge électrique s auto entretient jusqu à atteindre la tension U disruptive (étincelle) tension U tension de travail au milieu du plateau compteur de particule inertie du système électronique d amplificationet d enregistrement temps mort caractéristique du compteur L1 santé UE 3A Module 5 14

15 1.2 Détecteurs à semi conducteurs semi conducteurs: s matériau aé auà conductivité éec électrique intermédiaire éda eentre e isolant et métal (conducteur) basse énergie: isolant Si haute énergie: conducteur semi conducteur intrinsèque (silicium) 2 types de porteurs de courant: électrons libres et trous semi conducteur dopés électron libre e de valence du Silicium Si apport énergie bande de conduction (BC) bande de valence (BV) impuretés qui modifient le nombre de porteurs trou (lacune e ) Dopage de type N (excès e négatif) Si dopé Arsenic Si As e atome donneur Dopage de type P (excès trous positif) Si dopé Gallium Si Ga trou atome accepteur L1 santé UE 3A Module 5 15

16 jonction PN: mise en contact matériau dopé N et matériau dopé P P P E zone de déplétion N N recombinaison e trou polarisation en sens inverse augmentation recombinaisons paires recombinaisons paires e trou création champ électrique (E) E 1 > E agrandissement zone déplétion (E 1 > E) + L1 santé UE 3A Module 5 16

17 jonction PN: mise en contact matériau dopé N et matériau dopé P action particules ionisantes idem polarisation particules ionisantes recombinaisons paires agrandissement zone déplétion (E 1 > E) rayonnement ionisant E 1 > E détection: ddp induite par variation E faible tension (qquesv) faible dimension bonne résolution énergétique L1 santé UE 3A Module 5 17

18 1.3 Détecteurs à scintillation Mécanisme photocathode rayonnement ionisant 1 2 e dynodes anode de sortie circuit électrique photons de fluorescence scintillateur 3 photomultiplicateur haute tension qques 1000 V 1 2 scintillation : les rayonnements ionisants excitent les atomes du matériau qui se désexcitent en émettant des photons effet photoélectrique : un photon arrache un e de la photocathode 3 multiplication des électrons puis recueil du signal électrique L1 santé UE 3A Module 5 18

19 caractéristiques d un scintillateur rendement lumineux nombre de photons de fluorescence émis par unité d énergie dénergie des radiations incidentes Durée de scintillation τ doit être la plus courte possible pour limiter les temps morts temps mort : durée minimale pour qu un autre rayonnement soit détecté. application spectrométrie le nombre de photons de fluorescence émis doit être proportionnel à l énergie des radiations incidentes (rendement lumineux stable) L1 santé UE 3A Module 5 19

20 1.3.2 Les différents types de scintillateurs scintillateurs solides à cristaux minéraux cristal dopé par impuretés émission rayonnement lumineux BC e transition non radiative rayonnement ionisant e niveaux du thallium e photon (UV bleu en général) BV e transition non radiative cristal iodure de sodium (NaI) dopé au thallium (Tl) (λ = 410 nm) particules α, β, protons (τ s) sulfure de zinc (ZnS) ou sulfure de cadmium (CdS) dopé à l argent (Ag) particules γ (τ s) rendement lumineux stable L1 santé UE 3A Module 5 20

21 scintillateurs solides à cristaux organiques scintillateurs molécule organique (anthracène, naphtalène, stilbène) moléculesfixées surunun filmplastique (scintillateur plastique) particules β, neutrons (τ s) rendement lumineux faible et non stable à haute énergie peu utilisés en médecine L1 santé UE 3A Module 5 21

22 scintillateurs liquides scintillateurs molécules organiques en solution possibilité de dissoudre l échantillon radioactif dans le solvant totalité de l émission dans le scintillateur rayonnement ionisant excitation du solvant vibrations excitation du scintillateur désexcitation radiative photon longueur d onde entre 300 et 350 nm soluté secondaire convertisseur de longueur d onde phénomène de «quenching»: impuretés («quenchers») qui absorbent les photons de fluorescence et se désexcitent ensuite par vibrations (sans émission de photons) exemple : oxygène (barbotage azote) excitation du soluté secondaire désexcitation radiative photon de plus grande λ L1 santé UE 3A Module 5 22

23 scintillateurs liquides solvants carbures, éther, toluène, dioxane, xylène solutés scintillateurs aromatiques PPO : 2,5 diphényloxazole soluté secondaire POPOP : 1,4 di(5 phenyl 2 oxazolyl)benzène très utilisé en biologie (bonne détection des β de 14 C et 3 H) particules β, neutrons (τ s) L1 santé UE 3A Module 5 23

24 scintillateurs gazeux même principe que les scintillateurs solides rendement faible mais stable peu utilisés en médecine utilisés surtouten spectrométrie L1 santé UE 3A Module 5 24

25 2. Mesure des rayonnements 21Performance 2.1 d un dun détecteur géométrie du compteur source émet dans toutes les directions de l espace = 4π sr Source Angle solide 4πR 2 détecteur recueille uniquement les particules émises dans l angle solide Ω Ω (sr) détect teur bruit de fond et mouvement propre basses fréquences (BF) mesurées en l absence de source radioactive rayonnement cosmique radioactivité ambiante contamination éventuelle du détecteur agitation thermique (pour les scintillateurs) L1 santé UE 3A Module 5 25

26 sensibilité de la détection plus faible activité détectable lié à bruit de fond seuil de détection ti S/B < 1 efficacité de la détection rapport entre le flux incident et le nombre d évènements détectés temps mort τ lié principalement à l énergie du rayonnement, type de particule, compteur durée minimale pour qu un autre rayonnement soit détecté linéarité compteurs actuels taux de comptages élevé (jusqu à 10 8 événements/seconde) détecteur linéaire si comptage proportionnel au flux incident L1 santé UE 3A Module 5 26

27 2.2 Mesures quantitatives taux de comptage nombre d impulsions par unité de temps par le compteur (imp.s 1 ) n net = n brut BF rendement du comptage R n A net = A activité de l échantillon R fonction plusieurs paramètres du type de désintégration de la géométrie du compteur de l efficacité du compteur L1 santé UE 3A Module 5 27

28 type de désintégration relation entre activité A et nombre de particules émises par unité de temps n Prise en compte des différents rapports d embranchements et probabilités de désexcitation des noyaux fils 5 géométrie du compteur Détecteur facteur géométrique G Fenêtre du détecteur Source Support 1 Émission hors de l angle solide de détection 2 Détection 3 Absorption par la source 4 Absorption par le milieu ambiant 5 Diffusion hors de l angle solide de détection par le milieu ambiant 6 Absorption par la fenêtre du détecteur 7 Détection après rétrodiffusion sur le support 8 Détection après diffusion par le milieu ambiant prise en compte de Ω (angle solide), de la géométrie de la source et de toutes ces possibilités nombre de particules qui pénètrent dans le détecteur par unité de temps n = G n nombre de particules émises par la source par unité de temps L1 santé UE 3A Module 5 28

29 mesures absolues R connu : la mesure de n net donne l activité lactivité A plus facilement : source étalon d activité A e connue pour une autre source du même radioélément A = A e n n net net e mesures relatives comparaison des taux de comptage (au cours du temps, avec différentes épaisseurs d écran,...) détermination de la période, de CDA,... L1 santé UE 3A Module 5 29

30 exemple source activité A Source Angle solide R détecteur recueille uniquement les particules émises dans l angle solide Ω Ω (sr) 2r détec cteur rendement r BF taux de comptage brut n brut = n net + BF R = n A net n brut = AR + BF = AGr + BF G fraction de rayonnement reçu G = πr 2 4πR 2 L1 santé UE 3A Module 5 30

31 fiches sécurités CNRS L1 santé UE 3A Module 5 31

32 La Radioprotection en laboratoire de recherche INSERM L1 santé UE 3A Module 5 32