Compteur proportionnel à gaz
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Les compteurs proportionnels à gaz sont des détecteurs de radiations ionisantes, qui ont un très bon rendement pour les photons de faible énergie.

Description

Il s'agit d'un détecteur à ionisation de gaz, comme le compteur Geiger-Müller mais fonctionnant avec une haute tension (La tension est une force d'extension.) plus faible ; ainsi, au lieu d'être en saturation — chaque arrivée de photon (En physique des particules, le photon est la particule élémentaire médiatrice de l'interaction électromagnétique. Autrement dit, lorsque deux particules chargées électriquement...) ou de particule provoque une étincelle maximum —, on est dans le régime linéaire : l'intensité de l'arc électrique (Un arc électrique est un courant électrique visible dans un milieu isolant (gaz, vide...). La découverte de ce phénomène est due au chimiste et physicien...) créé est proportionnelle à l'énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la chaleur, de la lumière, de produire un mouvement.) du photon (En physique des particules, le photon est la particule élémentaire médiatrice de l'interaction électromagnétique. Autrement dit, lorsque deux particules chargées...), d'où le nom du détecteur (Un détecteur est un dispositif technique (instrument, substance, matière) qui change d'état en présence de l'élément ou de la situation pour lequel il a été spécifiquement conçu.).

Le compteur se compose donc :

  • d'un boîtier métallique avec une fenêtre (En architecture et construction, une fenêtre est une baie, une ouverture dans un mur ou un pan incliné de toiture, avec ou sans vitres.) étanche à l'air (L'air est le mélange de gaz constituant l'atmosphère de la Terre. Il est inodore et incolore. Du fait de la diminution de la pression de l'air avec l'altitude, il est nécessaire de pressuriser les cabines des avions...), mais transparente aux rayonnements ; en général, il s'agit d'un polymère métallisé (afin d'évacuer les charges électriques qui se créent lors de l'utilisation) posée sur une grille ( Un grille-pain est un petit appareil électroménager. Une grille écran est un élément du tube de télévision. Une grille d'arrêt est un élément du tube de télévision. Une grille de contrôle est un...) de silicium (Le silicium est un élément chimique de la famille des cristallogènes, de symbole Si et de numéro atomique 14.) destinée à lui donner une bonne résistance mécanique ; le boîtier contient un gaz ;
  • d'un filament passant au centre du boîtier, et isolé de celui-ci ;
  • d'un générateur et régulateur de haute tension, qui crée une haute tension entre le boîtier et le filament ; le filament est chargé positivement, et le boîtier négativement ;
  • d'une chaîne (Le mot chaîne peut avoir plusieurs significations :) électronique d'amplification (On parle d'amplificateur de force pour tout une palette de systèmes qui amplifient les efforts : mécanique, hydraulique, pneumatique, électrique.), de filtrage et de comptage.

On distingue :

  • les compteurs à flux (Le mot flux (du latin fluxus, écoulement) désigne en général un ensemble d'éléments (informations / données, énergie, matière, ...) évoluant dans un sens commun. Plus précisément le terme est employé dans les domaines...) gazeux : le boîtier est connecté à une bouteille de gaz (Un gaz est un ensemble d'atomes ou de molécules très faiblement liés et quasi-indépendants. Dans l’état gazeux, la matière n'a pas de forme propre ni de volume propre :...), celui-ci est renouvellé en permanence ;
  • les compteurs scellés : le détecteur est clos, il faut le changer lorsque la qualité du gaz s'est dégradée.

Le gaz utilisé est en général un mélange (Un mélange est une association de deux ou plusieurs substances solides, liquides ou gazeuses qui n'interagissent pas chimiquement. Le résultat de l'opération est une préparation aussi appelée mélange. Les...) de 90 % d'argon et de 10 % de méthane (Le méthane est un hydrocarbure de formule brute CH4. C'est le plus simple composé de la famille des alcanes. C'est un gaz que l'on trouve à l'état...) pour les compteur à flux gazeux ; dans les compteurs scellés, le gaz amortisseur (Un amortisseur est un système destiné à limiter voire supprimer les oscillations d'un objet ou à isoler un objet de vibrations par dissipation d'énergie....) est en général un halogène (dichlore ou dibrome).

Principe

Lorsqu'une particule ionisante — au sens (SENS (Strategies for Engineered Negligible Senescence) est un projet scientifique qui a pour but l'extension radicale de l'espérance de vie humaine. Par une évolution progressive allant du ralentissement du vieillissement, suivi de son...) large, particule matérielle ou photon — traverse (Une traverse est un élément fondamental de la voie ferrée. C'est une pièce posée en travers de la voie, sous les rails, pour en maintenir l'écartement et l'inclinaison, et transmettre au ballast les charges des...) la fenêtre, elle rencontre des molécules de gaz et les ionise par effet Compton. Ces ions sont alors attirés vers le filament ou le boîtier du fait de la haute tension, et provoquent un pic de tension lorsqu'ils les atteignent. Ces pics de tension sont comptabilisés. Dans les conditions idéales d'utilisation, le " nombre de coups " (c'est-à-dire le nombre (La notion de nombre en linguistique est traitée à l’article « Nombre grammatical ».) d'impulsions) est proportionnel au nombre de particules ayant traversé le détecteur (certaines particules provoquent plusieurs ionisations, d'autre le traversent sans interaction).

On utilise un gaz léger, l'argon, car il s'ionise facilement par effet Compton mais difficilement par effet photoélectrique (L'effet photoélectrique désigne l'ensemble des phénomènes électriques d'un matériau provoqués par l'action de la lumière. On distingue deux cas : des...).

La haute tension relativement faible et la présence d'un gaz organique (La chimie organique est une branche de la chimie concernant la description et l'étude d'une grande classe de molécules à base de carbone : les composés organiques.), le méthane, permet d'éviter l'avalanche de Townsend (ionisations en cascade). En effet, les électrons ionisés sont trop peu accélérés pour pouvoir à leur tour provoquer des ionisations, à l'exception de la région du fil ; les ions ainsi créés ayant une coefficient (En mathématiques un coefficient est un facteur multiplicatif qui dépend d'un certain objet, comme une variable (par exemple, les coefficients d'un polynôme), un espace vectoriel, une fonction...) de diffusion (Dans le langage courant, le terme diffusion fait référence à une notion de « distribution », de « mise à disposition » (diffusion d'un produit, d'une information), voire de « vaporisation »...) lent, ils " stagnent " autour (Autour est le nom que la nomenclature aviaire en langue française (mise à jour) donne à 31 espèces d'oiseaux qui, soit appartiennent au genre Accipiter,...) du fil, créant une charge (La charge utile (payload en anglais ; la charge payante) représente ce qui est effectivement transporté par un moyen de transport donné, et qui donne lieu à un paiement...) d'espace, ce qui permet " d'absorber " le " trop-plein " d'électrons et d'éviter l'avalanche dans cette région. Le gaz organique joue (La joue est la partie du visage qui recouvre la cavité buccale, fermée par les mâchoires. On appelle aussi joue le muscle qui sert principalement à ouvrir et fermer la bouche et à mastiquer.) donc le rôle " d'amortisseur " : il s'ionise facilement et ses molécules sont lourdes, donc lentes à diffuser, c'est principalement lui qui va former cette charge d'espace.

Réglage du compteur

Il faut régler la haute tension du détecteur et le gain de la chaîne d'amplification afin d'être dans la partie linéaire. Pour cela, on soumet le compteur à un rayonnement (Le rayonnement, synonyme de radiation en physique, désigne le processus d'émission ou de transmission d'énergie impliquant une particule porteuse.) " typique ", afin d'avoir un signal ( Termes généraux Un signal est un message simplifié et généralement codé. Il existe sous forme d'objets ayant des formes particulières. Les signaux lumineux sont...).

La première opération consiste à tracer le nombre de coups par seconde ( Seconde est le féminin de l'adjectif second, qui vient immédiatement après le premier ou qui s'ajoute à quelque chose de nature identique. La seconde est une unité de mesure du...) détectés en fonction de la haute tension (HV plot). Ceci permet de repérer la zone de linéarité. La valeur typique, pour un mélange argon-méthane (10 %), est de l'ordre de 1 400 à 1 800 volts.

Ensuite, on trace (TRACE est un télescope spatial de la NASA conçu pour étudier la connexion entre le champ magnétique à petite échelle du Soleil et la géométrie du plasma...) la répartition des hauteurs de impulsions (pulse height analysis, PHA). Si le détecteur ne reçoit des particules ayant toutes la même énergie, on aurait dans l'idéal (En mathématiques, un idéal est une structure algébrique définie dans un anneau. Les idéaux généralisent de façon féconde l'étude de la divisibilité pour les entiers. Il est ainsi...) un pic très fin, puisque la hauteur (La hauteur a plusieurs significations suivant le domaine abordé.) des impulsions dépend de l'énergie. Dans les faits, on a un pic large, l'élergissement étant notamment dû à l'effet Doppler-Fizeau (L'effet Doppler-Fizeau est le décalage entre la fréquence de l'onde émise et de l'onde reçue lorsque l'émetteur et le récepteur sont en mouvement l'un par rapport à l'autre ; il apparaît aussi lorsque l'onde se réfléchit sur un...) (les molécules du gaz sont en mouvement). On a donc un pic dont la largeur (La largeur d’un objet représente sa dimension perpendiculaire à sa longueur, soit la mesure la plus étroite de sa face. En...) à mi-hauteur H est proportionnelle à l'inverse (En mathématiques, l'inverse d'un élément x d'un ensemble muni d'une loi de composition interne · notée multiplicativement, est un élément y tel que x·y = y·x = 1, si 1 désigne...) de la racine carrée (La racine carrée d’un nombre réel positif x est le nombre positif dont le carré vaut x. On le note ou x½; dans cette expression, x est appelé le radicande.) de l'énergie E du photon :

H = \frac{38,8}{\sqrt{E}}

H étant en pourcents (la position du sommet du pic représentant 100 %), E étant en keV. La résolution est de l'ordre de 15 à 20 %.

On ajuste la haute tension afin que le sommet de la courbe (En géométrie, le mot courbe, ou ligne courbe désigne certains sous-ensembles du plan, de l'espace usuels. Par exemple, les droites, les segments, les lignes...) corresponde au maximum de rendement du détecteur, en général 1 à 2 volts. La haute tension dépend donc de l'énergie des particules que l'on veut détecter. Dans le cas d'une analyse dispersive en longueur (La longueur d’un objet est la distance entre ses deux extrémités les plus éloignées. Lorsque l’objet est filiforme ou en forme de lacet, sa longueur est celle de l’objet...) d'onde (Une onde est la propagation d'une perturbation produisant sur son passage une variation réversible des propriétés physiques locales. Elle transporte de l'énergie sans transporter de...), l'énergie est déterminée par l'angle (En géométrie, la notion générale d'angle se décline en plusieurs concepts apparentés.) de diffraction ; la haute tension est alors proportionnelle au sinus (En mathématiques, les fonctions trigonométriques sont des fonctions d'angle importantes pour étudier les triangles et modéliser des phénomènes périodiques. Elles peuvent être définies comme...) de l'angle (voir Loi de Bragg), on parle parfois " d'amplificateur (On parle d'amplificateur de force pour tout une palette de systèmes qui amplifient les efforts : mécanique, hydraulique, pneumatique, électrique.) sinusoïdal ".

Les impulsions détectées peuvent être dues à d'autres phénomènes : particule d'énergie voisine, bruit de fond (Dans son sens courant, le mot de bruit se rapproche de la signification principale du mot son. C'est-à-dire vibration de l'air pouvant donner lieu à la...) électronique… On filtre (Un filtre est un système servant à séparer des éléments dans un flux.) donc les impulsions qui sont " trop hautes " ou " trop basses ", tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou l'univers.) en essayant de conserver toutes les impulsions dues aux particules auxquelles on s'intéresse. C'est le rôle de la discrimination.

Enfin, le dernier paramètre (Un paramètre est au sens large un élément d'information à prendre en compte pour prendre une décision ou pour effectuer un calcul.) important est le temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le changement dans le monde.) mort : si le flux de particules est trop élevé, le détecteur n'a pas le temps de se remettre au repos entre deux événements, il " perd " donc du comptage. Lorsque le détecteur arrive à saturation, on peut atténuer le signal incident (en le filtrant, ou en diminuant l'intensité du tube à rayons X) ; sinon, il faut corriger de cet écart à la linéarité.

Précautions

Le paramètre le plus important est la propreté du système : les impuretés dans le gaz produisent des parasites qui empêchent l'utilisation effective. Lorsqu'il y a une impureté, on a souvent un profil typique à deux modes (deux pics) dans la répartition des hauteurs d'impulsions.

Dans le cas d'un compteur scellé, ceci est garanti par la qualité de la fabrication.

Dans le cas d'un compteur à flux gazeux, il faut employer un gaz de haute pureté, une tubulure très propre (cuivre ou inox sans graisse (La graisse est un corps gras se présentant à l'état solide à température ordinaire. Le terme s'oppose aux huiles qui se présentent sous forme...), polymère qui ne dégaze pas). Les points critiques sont le changement de la bouteille de gaz et les changements de la fenêtre et du filament, qui peuvent donner lieu à l'introduction d'impuretés. Si l'on constate la présence d'une impureté, il faut purger et nettoyer la tubulure, et changer la fenêtre et le filament.

Applications

En médecine nucléaire (La médecine nucléaire est l'ensemble des applications médicales des radiotraceurs, ou sources radioactives non scellées.), les compteurs proportionnels ne sont plus utilisés couramment. Ils servaient essentiellement à compter les gammas et les β de basse énergie. Ils ont été remplacés depuis par la scintillation liquide (La phase liquide est un état de la matière. Sous cette forme, la matière est facilement déformable mais difficilement compressible.).

En revanche, ils sont encore très utilisés pour détecter les rayons X, notamment en spectrométrie de fluorescence X (La spectrométrie de fluorescence X (SFX ou FX, ou en anglais XRF pour X-ray fluorescence) est une méthode d'analyse chimique élémentaire utilisant une propriété physique de la...).

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