SIMULATION DE LA DETECTION DE RAYONNEMENT GAMMA PAR UN DETECTEUR GERMANIUM AVEC LA PLATE-FORME G.A.T.E. BASEE SUR G.E.A.N.T.4

COURTINE Fabien, MIALLIER Didier, PILLEYRE Thierry, SANZELLE Serge

Équipe THERMOLUMINESCENCE (TL)-Laboratoire de Physique Corpusculaire (LPC)

IN2P3-CNRS-Université Blaise Pascal-63177 Aubière cedex

PROBLEMATIQUE

Objectif : déterminer l’activité de radio-émetteurs gamma dans un intervalle d’énergie [20 keV;1500 keV] pour différents milieux solides et liquides.

Dispositif expérimental : chaîne de spectrométrie gamma avec détecteur Ge intrinsèque coaxial (cf. figure n°1).

Problème : évaluer l’efficacité de comptage = nombre de photons mesurés/ nombre de photons émis par l’échantillon. différent de 1 parce que :

Effet de géométrie ( la détection ne se fait pas sur les 4 stéradian)

Effet de matrice (absorption partielle ou totale des photons dans l’échantillon étudié)

Absorption par les parois (capot, conteneur, etc. …)

Défaut de comptage dans le cristal de germanium lui-même (« zone morte » = région superficielle non sensible)

Figure n° 1 : schéma du détecteur au germanium

Le cristal est sous vide. La taille des zones mortes a été augmentée dans un souci de clarté (les zones mortes externes ne sont pas représentées).

Figure n° 2 : efficacité expérimentale et théorique ainsi que le rapport des deux, à 32 keV. Les barres d’erreur expérimentales sont à deux écart-types. L’erreur sur l’efficacité simulée est estimée à 2 %.

Eff

icac

ité

(%)

Position de la source à partir du fond du puits (mm)

Eff

icac

i té

( %)

BIBLIOGRAPHIE

[1] : Sunita Kamboj and Bernd Kahn, « Evaluation of Monte Carlo simulation of photon counting efficiency for germanium detectors », Health Physics-April 1996, Volume 70, Number 4, pp 512-519

RESUME

Dans le cadre d’un étalonnage en efficacité d’un spectromètre gamma dont le détecteur est un monocristal de germanium intrinsèque, nous avons été amenés à réaliser des modélisations à partir de la plate-forme de simulation G.A.T.E.. Nous avons réalisé ceci pour une configuration puits, avec une source ponctuelle, en ajustant efficacité expérimentale et efficacité simulée. L’originalité de notre travail repose sur le fait que nous n’avons pas travaillé avec une position fixe de la source mais au contraire nous l’avons déplacée à l’intérieur du puits ce qui nous a conduit à mettre en évidence une zone morte d’épaisseur variable dans les simulations. Moyennant quoi, nous obtenons un très bon accord entre la simulation et l’expérience : le rapport moyen des deux efficacités est de (0.97 +/- 0.01).

(2a) : zone morte négligée

(2b) : zone morte d’épaisseur variable

METHODE

Approche semi-expérimentale:

Étalonnage avec des milieux de composition et d’activité connue + simulation informatique sous G.E.A.N.T.4.

calculs des effets de matrice

extension à des énergies de gamma non disponibles

Le travail présenté ici n’ est qu’une première étape de la validation de la simulation :

Simulation avec une source ponctuelle de gamma de 32 keV déplacée verticalement dans le puits

Comparaison avec les résultats expérimentaux (photons de 32 keV d’une source ponctuelle de 137Cs)

RESULTATS

Simulation simplifiée

Hypothèse : les zones mortes sont comprises dans le volume de détection (leurs dimensions mal connues sont faibles ce qui permet dans un premier temps de les négliger), c’est-à-dire que le cristal de Ge est entièrement sensible (cf. figure n° 1).

Les courbes obtenues (cf. figure n° 2a) sont « semblables » mais il y a un mauvais accord : l’efficacité simulée est supérieure à l’efficacité expérimentale.

Interprétation : il faut prendre en compte le fait que les zones mortes ne sont pas sensibles et jouent un rôle significatif d’absorbeur.

Simulation avec les zones mortes non sensibles

Recherche de l’accord entre efficacité simulée et expérimentale par ajustement des dimensions des zones mortes dans la simulation.

Étape 1 : couche d’épaisseur constante pour toutes les zones mortes. On n’arrive pas à avoir un bon accord pour toutes les positions de la source.

Étape 2 : en introduisant un gradient d’épaisseur de zone morte, on arrive par ajustement à un très bon accord simulation/expérience : le rapport moyen obtenu est de 0.97 +/- 0.01 (cf. figure n° 2b).

Commentaire

Cette approche permet de mettre en évidence une variation de l’épaisseur des zones mortes, ce que n’avaient pas vu d’autres auteurs [1] en fixant la position de la source.

CONCLUSION

En se limitant à l’intérieur du puits, et aux faibles énergies, on peut utiliser les paramètres ajustés dans ce travail pour étendre les calculs d’efficacité à des sources non ponctuelles (milieux radioactifs, naturels ou artificiels).

efficacité expérimentale (%), efficacité simulée (%) rapport efficacité simulée/efficacité expérimentale

0

10

20

30

40

50

60

70

80

0 10 20 30 40 50

0

0.5

1

1.5

2

2.5

0

10

20

30

40

50

60

70

80

0 10 20 30 40 50

0

0.5

1

1.5

2

2.5

Rap

por

tR

app

ort

Haut du cristal de Ge

Fond du puits

cristal (Ge)

support (Cu)

zone morte du germanium

conteneur

échantillonphoton partiellement absorbé par le cristal

photon totalement absorbé par le cristal

photon non détecté

photon absorbé par la matricephoton absorbé par la zone morte

capot (Al)