t.d. détection - mesures n 1

T.D. détection - mesures n°1

Mise en situation

Problématique • Vous disposez des détecteurs suivants :

IRSN - ENSOSP TD ops 2012 V1 3

Catégorie Détecteurs BdF

Ictomètre Canberra SAB 100 0 c/s - 3 c/s

Ictomètre Canberra SAB 70 0 c/s - 3 c/s

Ictomètre Canberra SABG15 0,5 c/s

Ictomètre Canberra MCB 1 0,5 c/s

Ictomètre Canberra MCB 2 0,5 c/s

Ictomètre Canberra SMIBM 0,5 c/s

Ictomètre Canberra SBM 7311 0,5 c/s

Ictomètre Canberra DS 501 0,5 c/s

Ictomètre Canberra SG 2 R 225 c/s

Ictomètre Canberra SX 2 R 20 c/s

Ictomètre Saphymo Como 170 0 c/s - 20 c/s

Ictomère SPP 2 NF 90 c/s

Ictomètre / spectromètre Mirion HDS 100 200 c/s

Problématique • Vous devez, en travaillant en groupe, définir

les détecteurs les plus adaptés à la détection de chaque type de rayonnements / énergie en prenant en compte trois facteurs :

– Le détecteur

– La paroi du détecteur

– La distance entre la source / contamination et le détecteur

Problématique • Analyser la détection des alphas


Détection des alphas par les ictomètres

Lt Col D. Giordan - CMIR 68 - Version 1 - octobre 2009


Alpha

1 - traverser le matelas d’air

qui sépare la source du

détecteur

?

2 – traverser la ou les parois

qui entourent le détecteur

?

3 – interagir dans le

détecteur

?


Alpha

1 - traverser le matelas

d’air qui sépare la source

du détecteur

Les particules alpha sont arrêtées par 5 cm d’air ou 25 µm d'eau (la rosée du

matin)

2 – traverser la ou les

parois qui entourent le

détecteur

Les particules alpha sont arrêtées par tout : - humidité

- papier

- etc.

Plus la grille de protection est dense, moins les rayonnements passent


détecteur

Il ne pourra s’agir, pour une bonne efficacité, que d’une détection en surface.

% de transparence SAB 70 : 59 % de

SA70 : 89 % SAB 100 : 80 %


% de transparence Como 170 : %

Problématique • Analyser la détection des bétas


Détection des bétas par les ictomètres



Bêta



du détecteur

?



détecteur

?


détecteur

?


Bêta



du détecteur

Penser à rechercher, dans un abaque, le parcours dans l’air des bêtas pour être

sûr qu’il y en a à l’endroit de la mesure : par exemple, un bêta de 1 MeV a un

parcours d'ans l'air de 3,25 m et de 5 mm dans les tissus humains



détecteur

Les particules bêta sont facilement arrêtées surtout par les éléments à Z légers

Plus le matériau est dense, plus il y a création de rayonnements X de freinage

Plus la grille de protection est dense, moins les rayonnements passent


détecteur

Plus le détecteur est léger, moins les rayonnements de freinage induits par le

passage des bêtas sont nombreux, donc plus sont précises les mesures.


% de transparence

MCB1 50 %

SBM7311 60 % DS 501, SMIBM, SBM 75 %

SABG15 et MCB2 78 %

Problématique • Analyser la détection des photons


Détection des photons par les ictomètres



Photons gamma et X



du détecteur

?



détecteur

?


détecteur

?


Photons gamma et X



du détecteur

L’écran représenté par le matelas d’air est sans conséquence sur un flux de

photons.



détecteur

Les parois des détecteurs ne posent pas de réels problèmes aux photons d’énergie

moyenne à élevée (au-delà de 100 keV)

Les photons de basse énergie (quelques keV à quelques dizaines de keV) sont

arrêtés facilement par des parois métalliques


détecteur

Plus le détecteur est dense, plus les photons interagiront.

Si le détecteur est trop épais par rapport à l’énergie du photon, la lumière créée ne

pourra atteindre la photocathode (voir page suivante)


Photocathode

Dynodes

Scintillateur

Anode

g ou X forte E Rayons U.V.

Remarque : les photons interagissent dans le scintillateur à une profondeur variée qui est fonction de l’énergie.

Si le scintillateur est épais et que les photons de faible énergie crée des photons lumineux à une faible profondeur, la lumière ne pourra traverser tout le scintillateur pour atteindre la photocathode.

g ou X faible E


Quelles sont, pour les sondes gamma et X : Les seuils en énergie

Les bonnes plages d’efficacité Pourquoi ?


Exemple : NaI + photons

• Sonde gamma : – Seuil en énergie : 30

– bonne e : 100 keV < E < 1 500 keV

– Car paroi épaisse

et scintillateur épais


Exemple : NaI + photons

• Sonde X : – Seuil en énergie : 5 keV

– bonne e : 20 keV < E < 80 à 100 keV

– Car fenêtre mince

et scintillateur fin


Nature des

rayonnements

Ecrans adaptés Détecteurs

adaptés les plus

courants

Remarques Détection des autres

rayonnements

Photons

gammas et X

Eléments lourds,

denses

Iodure de sodium

(NaI)

Iodure de césium

(CsI)

La densité du scintillateur permet aux

photons d’y interagir. Plus il est épais,

plus les photons de forte énergie sont

mesurés.

Pour permettre aux photons les

moins énergétiques d’atteindre le

détecteur, il est nécessaire de

disposer d’une fenêtre mince dans

l’enveloppe de l’appareil.

Ces détecteurs, souvent

positionnés au cœur des

appareils, ne peuvent être

atteints par les alphas et les

bêtas qui ne peuvent traverser

la paroi d’acier ou de plastique.

Bêtas de faible

énergie

Eléments peu

denses

Geiger Müller à

fenêtre mince (dits

détecteur cloche

ou pancake)

La fenêtre mince permet aux bêtas de

faible énergie de pénétrer dans le

détecteur sans être arrêté, et donc d’y

interagir.

Les Geiger Müller sont des

détecteurs à gaz. La faible

densité de celui-ci ne permet

pas une bonne efficacité de

détection des photons.

Par ailleurs, la membrane de la

fenêtre mince représente un

obstacle à une bonne efficacité

de la détection des alphas.

Bêtas de forte

énergie

Eléments un peu

plus denses

Scintillateur

plastique

Le scintillateur plastique, du fait de sa

faible densité, est adapté aux bêtas

Le scintillateur plastique est

peu dense. Il faut, donc, une

bonne épaisseur de celui-ci

pour espérer arrêter des

photons.

Alphas

Tout élément

représente un

écran pour les

alphas

Scintillateur sulfure

de zinc

L’application du ZnS en surface de la

sonde permet aux alphas d’y interagir

sans avoir besoin de traverser la

paroi de l’appareil.

Le ZnS ne permet que la

détection des alphas.

Synthèse par détecteur


Questions supplémentaires



Pourquoi est ce que la sonde alphas bêtas (SAB 100 ou 70) ne peut détecter des photons alors que le Como 170 le peut ?

(pour les deux, il s’agit d’une couche de ZnS sur un scintillateur plastique)

Exemple : scintillateur plastique

• A même densité, c’est l’épaisseur qui fait la différence :

– SAB : scintillateur fin, donc sans interaction avec les photons

– Como : scintillateur épais suffisant pour interagir



Pourquoi est ce que porter un MCB 1 à la botte est une inénarrable con…rie ?

Exemple synthèse MCB1 à la botte

• Alpha : parcours trop faible pour atteindre le détecteur + grille à 50 % de transparence

• Bêta : écran représenté par paroi en plastique et acier + grille à 50 % de transparence

• Photons : milieu détecteur (gaz) pas assez dense pour interagir



Pourquoi est ce que les ictomètres à base de GM en verre sont en train de disparaître ?

Exemple GM en verre

• Les GM en verre présentent deux inconvénients majeurs :

– Parois difficile à passer pour les bêtas

– Densité du milieu détecteur trop faible pour les photons


Exemple GM en verre

• Par exemple, la sonde « haute sensibilité » de MGPI détectait

– Bêta > 250 keV

– Photons > 100 keV

• Quelle sensibilité !!!



Application opérationnelle



Quels détecteurs choisiriez vous en situation d’incertitude ?

Ictométrie

• principe de base : en situation d’incertitude, les contrôles de contamination doivent se faire des détecteurs les plus généraux vers les plus spécifiques.


Ictométrie

• Ainsi, les détecteurs qui semblent les plus adaptés, en absence de certitude sur le radioélément, sont :

– ceux qui ont la capacité à détecter les photons supérieurs à 5 keV avec une efficacité correcte (des NaI pour l’instant). Ils sont souvent dénommés sondes X. Ils permettent la détection des photons :


Ictométrie

• qu’ils soient directement produit par le radioélément

• ou produits indirectement lors de réarrangement du cortège électronique provoqué par le passage d’un rayonnement ionisant, même alpha

– les compteurs cloche à fenêtre mince à Geiger Müller (pancakes), généralement dénommé sonde b mous permettant une détection directe –parfois avec une faible efficacité - des rayonnements a, b et électromagnétiques


Ictométrie

• Puis, dès le type de rayonnements connus, le type de détecteur le plus adapté sera utilisé :

– alpha

– bêta

– gamma

• Levée de doute et mesures devront suivre ces différentes étapes


Remarque

• Il faut toujours avoir à l’esprit

– qu’il est plus facile de dire qu’un objet est radioactif s’il l’est vraiment ;

– en revanche, il est très difficile de dire qu’un objet n’est pas radioactif car c’est la limite de détection des appareils qui détermine la plus petite valeur de mesure.



Quels sont les détecteurs les plus intrinsèquement directionnels ?


Eurysis Sonde Gamma 2

en chocs/s

0

500

1000

1500

cobalt 60césium 137

Eurysis Sonde SMIX

en chocs/s

0

200

400

600


Eurysis Sonde X 2

en chocs/s

0

200

400

600


Saphymo SPP 2 NF

en chocs/s

0

500

1000

1500

2000

cobalt 60

césium 137


Paramètres à prendre en compte

• Blindage des côtés

• Rapport surface/épaisseur


Limites et fragilités des détecteurs



Quelles sont les fragilités et limites des scintillateurs NaI ?

Détecteur scintillateur NaI

• Le détecteur

– est sensible à l'humidité car l'iodure de sodium est très hydroscopique. Si l'iode s'hydrate, il devient opaque et jaune.

– ne supporte pas les températures sous 0°C, le gel risque de le fendiller.



• Le détecteur ou le PM

– risque de se fendre en deux si la température monte trop rapidement

– est fragile et sensible au choc



Quelles sont les fragilités et limites des GM fenêtre mince ?

Détecteur GM à fenêtre mince

• la membrane de la fenêtre mince est très fragile, tout objet piquant ou une simple variation importante de la pression atm. peut la faire rompre, entraînant la libération du gaz détecteur contenu dans le GM.


Détecteur GM à fenêtre mince • il faut se méfier des valeurs fortes : souvent

les détecteurs saturent alors même que l’écran ne le montre pas :

– ainsi, le Geiger Müller sature vers 1 000 c/s, au-delà, les mesures sont sujettes à caution (2 000 peut vouloir dire 20 000 c/s !) sauf pour ce qui concerne les émetteurs bêtas purs de faible énergie



Quelles sont les fragilités et limites des scintillateurs plastiques ?

Détecteur scintillateur plastique

• il faut se méfier des valeurs fortes : souvent les détecteurs saturent alors même que l’écran ne le montre pas :

– ainsi, le plastique sature à 8 ou 9 000 c/s

• le détecteur est sensible aux neutrons (réaction n,p) dont l’énergie est comprise entre quelques eV et 10 MeV



Quelles sont les fragilités et limites des scintillateurs ZnS ?

Détecteur scintillateur ZnS

• le dépôt de ZnS est très fragile, la moindre rayure créera une prise de lumière qui saturera le photomultiplicateur.

– Ainsi, 9 999 c/s en dirigeant l’appareil vers le soleil indique une rayure ou une fragilité plutôt qu’une forte radioactivité


Détecteur scintillateur ZnS

• il faut se méfier des valeurs fortes : souvent les détecteurs saturent alors même que l’écran ne le montre pas :

– ainsi, le ZnS sature à 8 à 9 000 c/s

• le ZnS est sensible aux neutrons dont l’énergie est comprise entre quelques eV et 10 MeV.


Détect. CdZnTe/CdTe appelé CZT

• un détecteur de nouvelle génération qui se comporte comme des semi-conducteurs à la température ambiante (spectrométrie). Il permet la construction d’appareils de petites dimensions.

• la taille des CZT reste limitée ce qui permet difficilement d’obtenir une bonne statistique.


t.d. détection - mesures n 1

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