Physique pour la médecine

...la théorie!

Radioprotection

Chapitre II: Détection des   particules.

II.A Ionisation dans un gaz.

 

Soit un volume de gaz muni de deux électrodes, lesquelles sont soumises à une différence de potentiel V. L'élément positif est l'anode, le négatif est la cathode. Lorsqu'une particule passe entre les électrodes elle ionise le gaz sur son trajet, ce qui provoque l'apparition d'électrons libres et d'ions atomiques. Ces charges migrent vers l'électrode de signe opposé et, lorsqu'elles l'atteignent, provoquent une diminution momentanée de potentiel qui va se propager dans le circuit, ce qu'on appelle une impulsion.

 

Radioprot IIA_1 

 

La pression à l'intérieur du volume est un paramètre fixe mais important puisqu'il détermine la quantité de matière active, donc la probabilité d'interaction entre la particule et le gaz, donc l'efficacité du détecteur.

Dans une configuration très fréquente de ce type de détecteur, la forme est cylindrique, avec comme première électrode le cylindre extérieur relié à la terre et comme deuxième électrode un fil central porté au potentiel V. Certains dosimètres ont ainsi la forme d'un stylo, facile à porter, alors que certains compteurs prennent l'aspect d'une sorte de micro à balader là où doit se faire la mesure.

 

Radioprot IIA_2 

 

N.B.: Il y a parfois mésentente quant à la définition des notions d'anode et de cathode. La convention veut que la cathode soit le côté par lequel le courant sort de l'appareil, ce qui fait , et c'est là l'origine du problème, qu'elle n'a pas le même signe pour les éléments actifs, qui génèrent le courant, et pour les éléments passifs, par lesquels le courant ne fait que transiter. Pour les éléments actifs comme les piles le courant sort du pôle positif, qui est donc le signe de la cathode, alors que pour les éléments passifs comme dans le schéma ci-dessus le courant sort par l'électrode négative.

 

 

C'est la surface de l'impulsion qui mesure la quantité de charge récoltée. Mais la base est le temps de récolte, qui dépend essentiellement de V: Si le potentiel est faible, la migration des ions est lente, alors qu'elle est rapide pour un potentiel élevé. Autrement dit l'importance du signal peut se réduire à sa hauteur H.

L'impulsion est a priori porteuse de deux informations. Sa seule présence tout d'abord marque le passage de la particule (Les impulsions qui on vraiment pour origine les événements recherchés forment le signal, celles qui viennent d'autres sources et sont donc susceptibles de fausser la mesure forment le bruit). Ensuite, sa hauteur H peut en principe renseigner quant à l'énergie déposée dans le détecteur. C'est strictement vrai pour la quantité d'ions primaires générés sur la trajectoire de la particule, mais encore faut-il que le nombre de charges récoltées aux électrodes soit proportionnel à cette quantité d'ions, ce qui n'est pas évident et fera l'objet de ce qui suit.

Soit ainsi un faisceau de particules censées déposer dans la matière active en moyenne la même quantité d'énergie, et donc censées y créer en moyenne le même nombre d'ions: Quand on étudie la hauteur H des impulsions obtenues en fonction du potentiel V imposé aux électrodes, on obtient une courbe qui ressemble qualitativement au schéma suivant, où apparaissent plusieurs zones numérotées de 1 à 5.

 

Radioprot IIA_3 

 

Chacune de ces zones correspond à un mode de fonctionnement différent, associé chacun à un type de détecteur.

 

1)Zone de recombinaison (zone 1).

 

S'il n'y a pas de différence de potentiel entre les électrodes (V=0), les charges créées par le passage de la particule ont tendance à se recombiner, de par l'agitation thermique et l'attraction électrique entre ions positifs et électrons (et/ou ions négatifs). Si on applique un potentiel faible, la recombinaison ne sera plus totale. Quelques paires d'ions seront séparés avant d'avoir pu se rejoindre et formeront une petite impulsion. Si on augmente le potentiel, la séparation s'améliore en proportion et le signal augmente, ce qui explique l'allure de la zone 1 du schéma ci-dessus.

Certains détecteurs fonctionnent dans cette région. Le gaz est de l'argon ou du xénon à très haute pression. On les rattache souvent à la famille des chambres d'ionisation typiques de la région 2, beaucoup plus utilisée.

 

2)Chambres d'ionisation (zone 2).

 

Il existe une valeur de V pour laquelle toutes les paires d'ions formées par le passage de la particule se voient séparées et récoltées sur les électrodes. Au-delà de cette valeur, une augmentation de V ne peut plus modifier l'amplitude du signal, ce que marque le plateau typique de la zone 2.

Puisque toutes les charges primaires sont recueillies, le signal généré est une mesure de l'énergie déposée par la particule dans le volume actif. Par ailleurs ce mode de fonctionnement se prête peu à la détection événement par événement étant donné que V reste faible, que dès lors les charges migrent lentement et qu'il ne faut pas des taux élevés pour voir les impulsions se chevaucher. Il est par contre bien adapté aux applications qui supposent une mesure intégrée de l'énergie globale transportée par le rayonnement. Par exemple, un dosimètre fort simple et très répandu est une chambre d'ionisation de format stylo qui fonctionne comme un condensateur dont la charge de départ est progressivement neutralisée par les ions qui apparaissent dans le gaz (voir plus loin: dosimètres). En brachythérapie, des chambres d'ionisations en forme de puits permettent la calibration et la standardisation des sources radioactives. Les électromètres sont des chambres d'ionisation couplées à des amplis opérationnels et qui permettent la mesure des charges récoltées sur un intervalle de temps précis.

 

3)Compteurs proportionnels (zone 3).

 

La zone 3 est plus haute et plus large que ne le suggère le schéma ci-dessus, qui se veut purement qualitatif. Elle se caractérise par une nouvelle augmentation très régulière de la hauteur du signal, ce qui dans un premier temps peut paraître curieux puisque le plateau 2 correspond à la récolte de la totalité des charges primaires. Cela s'explique par l'apparition progressive de charges secondaires provenant du phénomène d'avalanche ("avalanche de Townsend"). Le fait est qu'on arrive là à des potentiels plus importants, qui accélèrent rapidement les ions primaires au point que ceux-ci deviennent à leur tour capables d'ioniser le gaz. La chose peut se développer en cascade puisque les ions secondaires peuvent eux-mêmes générer des charges, et ainsi de suite… en avalanche!

De façon remarquable, malgré l'apparition de ce nouveau phénomène le signal reste proportionnel à l'énergie déposée. Comme par ailleurs la récolte des charges se fait rapidement, les signaux se font étroits, ce qui permet de séparer les événements même pour des taux d'acquisition élevés. Chaque particule peut donc être prise individuellement avec évaluation de son énergie, ce qui est la condition pour envisager des mesures spectrométriques. De ce fait les compteurs proportionnels conviennent bien à la construction de spectres, même si la faible densité des milieux gazeux limite cette possibilité aux rayons X mous par exemple, ou encore au rayonnement bêta. Dans ce dernier cas, la paroi du détecteur doit être prévue suffisamment fine que pour laisser passer l'essentiel des électrons incidents.

La détection de neutrons thermiques peut utiliser un compteur proportionnel dont la paroi intérieure est tapissée d'un composé boraté, à moins que le gaz lui-même ne contienne du bore. Les neutrons thermiques interagissent avec le bore-10 par réaction (n,α), et ce sont les alphas qui ionisent le milieu. Pour les neutrons rapides, le détecteur est entouré d'une épaisse couche d'un matériau hydrogéné de façon à ralentir les particules avant qu'elles n'atteignent le volume actif.

 

4)Compteurs Geiger-Müller (zone 4).

 

Le phénomène d'avalanche atteint ses limites lorsque l'ionisation en cascade atteint l'entièreté du volume. Partant de là, les signaux saturent et garderont la même hauteur même si on augmente le potentiel, d'où le plateau formé par la zone 4, dite de Geiger-Müller. Selon la configuration on se trouve là dans des valeurs de V de l'ordre de 500V à 1000V.

Le lien avec l'énergie est perdu. Par contre l'importante amplification des charges confère au système une haute sensibilité aux événements de faible énergie, ce qui en fait un compteur très apprécié pour tout ce qui concerne les activités normales de la vie courante ou dans les professions peu exposées. Une limite importante vient du temps de récupération qui suit chaque impulsion et qui fait qu'en pratique ces appareils ne peuvent prétendre à une bonne précision pour des taux qui excèdent quelques centaines de coups par seconde.

 

5)Compteurs à étincelles (zone 5).

 

Au-delà de la région Geiger-Müller, on en arrive à des valeurs de potentiel telles que le gaz est proche du claquage. C'est le passage de la particule qui va provoquer la décharge, qu'il faut voir comme un paquet d'électrons qui se dirigent brutalement d'une électrode à l'autre. Les signaux obtenus sont très élevés et ne nécessitent pas d'amplification, ce qui constitue le principal avantage de ce mode de fonctionnement. Des variantes comme les chambres à étincelles permettent de plus la localisation des particules, mais c'est principalement la physique des hautes énergies qui trouve de l'intérêt dans ce type de détecteur.