Que veut-on détecter?

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1 TECHNIQUES DE DÉTECTION ET ELECTRONIQUE NUCLÉAIRE Que veut-on détecter? Type de particule ou rayonnement Grandeur physique à déterminer Détecteurs à gaz à semi-conducteur à scintillateur + Méthodes télescope temps de vol déviation magnétique Chaîne électronique Vincent Métivier 1 mars 2004

2 RAPIDE REVUE DES DÉTECTEURS... basés sur l interaction des rayonnements et particules avec la matière : photons (effet photoélectrique, Compton, matérialisation) particules chargées (ionisation, excitation) neutrons (collisions, interaction forte) trois principales familles : à gaz à semi-conducteur à scintillateur Vincent Métivier 2 mars 2004

3 Interaction photon-matière atténuation exponentielle : trois effets prépondérants : L atténuation est d autant plus importante que L énergie du photon incident est faible et le numéro atomique de la cible est élevé. Vincent Métivier 3 mars 2004

4 Interaction particules chargées - matière Transfert Linéique d énergie : de 4πze 2mv 2 2 = β dx mv 0 I 0 (formule de Bethe-bloch) 2 NZ ln ln ( 1 β ) CK Z Parcours et Courbe de Bragg Vincent Métivier 4 mars 2004

5 Interaction neutrons - matière Les neutrons interagissent très peu avec la matière réactions nucléaires collisions (diffusion) : le neutron incident est ralenti capture : le neutron incident est absorbé par un noyau (essentiellement pour les neutrons lents) ex : Direct Radiative Capture La caractérisation d un neutron passe toujours par la détection des produits (chargés ou photons) de son interaction... Vincent Métivier 5 mars 2004

6 Principe de fonctionnement des détecteurs à gaz Passage particule chargée ionise le gaz : une paire électron - ion est créée pour environ 30 ev déposés. collection grâce à un champ électrique E créé par une ddp : détecteur cylindrique : E en 1/r. détecteur plan : E constant. Le gaz utilisé est généralement de l argon (gaz rare bon marché) mélangé avec un gaz polyatomique, ou d autres combinaisons plus exotiques... Différents domaines de fonctionnement suivant la tension appliquée Vincent Métivier 6 mars 2004

7 Chambres proportionnelles multifils (MWPC) G.Charpak et al, Nucl. Instr. and Meth. 62, 235 (1968) G.Charpak et al, Nucl. Instr. and Meth. 80, 13 (1970) Ce n est pas un compteur plan : chaque fil se comporte comme un compteur proportionnel indépendant! Vincent Métivier 7 mars 2004

8 Compteurs Geiger-Muller En régime Geiger, la multiplication arrive à saturation : le signal est le même, quelque soit l énergie déposée par la particule incidente. Le signal est lent (de l ordre de la ms), mais suffisamment élevé pour être directement exploitable. C est un compteur (il ne fait que compter!) bon marché et de mise en œuvre facile. On utilise une faible proportion de gaz dits de «quenching» (ex : CH 4, Alcool,...) qui permet de tuer l avalanche (ils n émettent pas de photons) pour éviter qu elle n amorce une décharge continue... Vincent Métivier 8 mars 2004

9 Les Détecteurs à semi-conducteurs Utilisation de jonctions np polarisées : Une particule «ionisante» en excitant des électrons de la Bande de Valence va les faire passer dans la bade de conduction. En moyenne, il faut 3 ev pour créer une paire électron-trou. La zone «déplétée» est la zone active du détecteur. On utilise du Si pour les particules chargées, du Ge (hyper-pur ou dopé Li) pour les photons γ et du Si(Li) pour les rayons X. Avantages :.vitesse de collection des trous et électrons voisines.signal 20 fois plus grand par rapport à l ionisation d un gaz.très bonne résolution en énergie.réponse temporelle rapide (ns) Inconvénients :.taille très réduite, ainsi que l épaisseur (parfois un avantage!). coût très élevé. zones mortes Vincent Métivier 9 mars 2004

10 Les Détecteurs à Scintillation Détecteurs de moindre performance, mais grandes tailles possibles bonne efficacité. Lors du passage d une particule ou d un rayonnement dans ces détecteurs, il y a excitation de ses atomes qui vont se désexciter par émission de «lumière». on distingue : les scintillateurs organiques : (contiennent des atomes d Hydrogène) : bonne efficacité aux neutrons et particules chargées (cristaux, plastiques, liquides, films,...) les scintillateurs inorganiques : (généralement numéro atomique élevé) : détection des rayons γ et particules chargées (NaI, CsI, BGO, BaF 2 ) Certains scintillateurs présentent une fluorescence retardée qui permet une discrimination de forme du signal... Vincent Métivier 10 mars 2004

11 Le Photomultiplicateur (PM) Il transforme le signal lumineux issu du scintillateur en signal électrique. Il se compose principalement : d une photocathode qui effectue la conversion du flux de photons incidents en un flux d électrons. d une optique d entrée constituée d une ou de plusieurs électrodes de focalisation et d une électrode accélératrice. L optique d entrée est destinée à concentrer tous les électrons issus de la photocathode sur la première électrode du multiplicateur. d un multiplicateur d électrons formé d une succession d électrodes appelées dynodes, lesquelles multiplient en cascade le nombre des électrons pénétrant dans le multiplicateur. d une anode chargée de recueillir le flux d électrons issu de la dernière dynode du multiplicateur et sur laquelle est prélevé le signal de sortie. Vincent Métivier 11 mars 2004

12 Dynodes et diviseur de tension gradient de potentiel réalisé par un diviseur de tension à résistances. Galette à microcanaux chaque canal se comporte comme une «dynode continue» Vincent Métivier 12 mars 2004

13 Discrimination de forme (exemple ICs) Q R Q L Vincent Métivier 13 mars 2004

14 Méthode E - E Utilisation de 2 (voire plusieurs) détecteurs en cascade : télescope Ε Le choix des détecteurs dépend du type de noyaux à étudier. Ε Vincent Métivier 14 mars 2004

15 Spectromètres Magnétiques Les aimants permettent de nombreuses mesures très précises déviation de particules chargées. Spectrométrie nucléaire : Trajectographie de particules : Vincent Métivier 15 mars 2004

16 ... «Vue d ensemble non exhaustive» des techniques de détection... PARTICULE GRANDEUR MESUREE METHODES POSSIBLES AVANTAGES INCONVENIENTS Particule chargée Energie Chambres à gaz Grand angle solide Peu cher Pas de dégradation aux rayonnements Lent Inadapté aux grands dépôts d énergie Détecteurs à barrière de surface (semi-conducteurs) Scintillateurs plastiques Bonne résolution (qques 10-3 à 10-2 ) Rapides Adaptés aux grandes énergies Peu onéreux Rapides Onéreux Inadapté aux grands dépôts d énergie Résolution médiocre Spectromètre magnétique Très bonne résolution ( < 10-4 ) Petit angle solide, très onéreux, plusieurs mesures nécessaires Masse par temps de vol Plaques parallèles Très rapides Grande surface Faibles épaisseurs Taux de pertes pour e -, p, α Détecteurs à barrière de surface Rapides Très faibles épaisseurs impossibles Petites surfaces Plastiques scintillateurs minces Galettes à microcanaux Spectromètre magnétique Faibles épaisseurs Assez grandes surfaces Très faibles épaisseurs Très rapides Permet de séparer des masses jusqu'à A 100 Mal adaptés aux ions lourds Petites surfaces Taux de pertes pour e -, p, α Mesures longues, coûteuses Très faible efficacité Numéro atomique E * E avec barrière de surface Bonne précision Limité du côté des grands Z Coût élevé E * E gaz Bonne précision Moins limité du côté des hauts Z Charge Aimant Toutes les charges peuvent être mesurées et séparées Rayons γ Energie NaI Grand angle solide Grande efficacité Résolution médiocre Résolution en temps médiocre Ge(Li) Très bonne résolution Faible efficacité Faible angle solide Coût élevé Refroidissement nécessaire Ge intrinsèque Idem Ge(Li), mais refroidissement non nécessaire Coût très élevé Faible efficacité Faible angle solide Rayon X électron Energie Si(Li) Bonne épaisseur (=/ barrière de surface) Bonne résolution Neutron Energie Scintillateur plastique Rapide Pas de discrimination de forme (temps de vol) Scintillateur liquide Rapide Discrimination de forme possible