INSTRUMENTATION NUCLÉAIRES

Introduction

Un rayonnement peut être défini comme l'émission ou la propagation d'un ensemble de radiations avec transport d'énergie et émission de corpuscules, Il existe plusieurs types de rayonnements :

les électrons, les protons, les alphas, les pions, les muons les neutrinos
les noyaux lourds et fragments de fissions
les neutrons et les photons.

Les principales caractéristiques des rayonnement

Son origine : moléculaire, atomique ou nucléaire.
Sa nature : photons, particule élémentaire ou noyau lourd.
Sa charge : négative, nulle, positive.
Son énergie : basse, intermédiaire, haute.
Sa période : courte, moyenne, longue.
Son intensité : faible, moyenne, forte.
Le type de réactions potentiel avec atome, noyau, nucléon.
Sa probabilité d'interaction faible, moyenne, élevée.

La détection d'une particule ou d'un rayonnement donné est liée à ses interaction avec la matière, on va distinguer deux grandes familles :

les particules chargées
les particules non chargées

Les particules chargées

Elles se subdivisent en deux familles : les particules chargées lourdes (ions lourds et noyaux lourds) et les particules chargées légères (les électrons, les protons, l'alpha et les deutons)

Les particules non chargées ou neutres

Comme leur nom l'indique, il s'agit de particules électriquement : les photons et les neutrons.

Les photons

Appelées aussi rayonnements électromagnétiques, les photons ont:

Une masse nulle
une énergie E proportionnelle à leur fréquence: $E = h ν$
$h$ est appelée constante de Planck : $h = 6.626 1 0^{- 43} j s^{-1}$
$ν$ est la fréquence en $s^{-1}$

$E_{γ}$ du photon est reliée à sa fréquence $ν$ et à sa Longueur par: $E_{γ} = h ν$ $E_{γ} = h ν = \frac{h c}{λ} \to E_{γ_{e v}} = \frac{1240}{λ _{nm}}$

Nom		énergie
Basses fréquences	à
Moyennes fréquences	à
Hautes fréquences	à
Micro-ondes	à
Infrarouge	à	$e V$	à	$e V$
Visible	à	$e V$	à	$e V$
Ultraviolet	à	$e V$	à	$e V$
Rayon X	à	$e V$	à	$k e V$
Rayon γ	à	$M e V$	à	$M e V$
Rayon cosmiques	à	$M e V$	à	$M e V$

Les neutrons

Le neutron est un nucléon de charge électriquement nulle et de masse égale à 1838 fois la masse de l'électron ( $m_{n} = 1.008665 u$ ).

Rappel sur la probabilité d'interaction

Elle est notée σ et s'exprime en barns: $1 ba r n = 1 0^{- 24} c m^{2}$ .
La notion de section efficace est liée :

au type de particules incidentes (photon, neutron, proton, électron.) à l'énergie des particules incidentes,
au noyau de l'isotope concerné ( $^{235} U$ , $^{2} 38 U$ , $^{239} P u$ , $^{3} He$ , $^{1 O} B$ ).
au type de réaction mis en jeu (absorption, diffusion, fission. ).

Les sources rayonnements nucléaires :

accélérateurs:
- Générateurs de neutrons(Linéaires)
- Van de graaff
- Synchrotrons ou cyclotron
les réacteurs nucléaires
les sources radio-isotopiques

accélérateurs

Les accélérateurs de particules, type:

Générateurs de neutrons(Linéaires)
van de Graaff
Synchrotrons ou cyclotrons

Peuvent fournir des neutrons résultants du bombardement d'une cible appropriée par des deutons, protons, alphas, etc.
On peut encore utiliser le rayonnement de freinage d'un faisceau electrons, qui produit des réactions (γ, n) telles : ^{9}B_{e}~~(γ,n)~~^{8}B_{e} \quad or\quad ^{2}H~(γ,n)^{1}H Des accélérateurs de deutons de 100 à 200 $k e V$ sont très utilisés pour constituer des générateurs de neutrons. Les réactions mise en jeu sont : $d (d, n)^{3} H_{e}, qui donne des neutrons de 2.6 M e V$ ^{3}H(d,n)~~^{4}H_{e}, \text{qui donne des neutrons de}~~\num{14}~\text{$MeV$} Les neutrons de 14 $M e V$ sont très utilisés pour produire des actions (n, p), (n, α) et (n, 2n).

Fonctionnement

Le deutérium, contenu dans un réservoir, diffuse à travers une paroi en palladium dont la perméabilité augmente avec la température. Puis il rentre dans une ampoule de quartz appelée source d'ions où il est ionisé par un oscillateur de 100 M avec un rendement de 80 %.
Ce pourcentage élevé, d'ions monoatomiques, permet de produire des neutrons de 14 $M e V$ , lorsque les deutons accélérés par la haute tension de 300 $k e V$ frappent une cible de tritium.
La réaction nucléaire qui se produit est de type: $T (d, n) α$ .
Le tube permet de régler la focalisation du faisceau vers la cible qui est au potentiel de la terre.
Il est maintenu sous vide grâce à une pompe primaire à palettes et une pompe secondaire a diffusion d'huile, pour que les deutons ne soient pas freinés par l'air.
La cible est un disque de cuivre de 28,5 mm de diamètre, recouvert d'un dépôt constitué de titane et de deutérium.

- cible
2- Piège
3- Trappe escamotable
4- Tableau de commande
5- Tube accélérateur
6- Groupe de masse
7- électrode HT (contenant la source d'ions)
8- Résistance d'amortissement $10 M Ω$ , $10 m A$
9- Générateur HT $300 kV$ , $3 m A$ .

Réacteur nucléaire

les réacteurs sont des les sources neutronique très intense.
Les neutrons bombardant l'échantillon dans un réacteur nucléaire sont isotropes
résultat une irradiation homogène dans toute la masse de l'échantillon irradié
Les positions d'irradiation dans ces réacteurs déterminent le flux neutronique disponible pour les irradiations.
Les flux utilisables vont en général de 1012 à plus de 1014 n.cm-2s-1. Selon le type de réacteur, les neutrons sont parfaitement

Thermique	épithermique	rapids
environs	enter et	>>

Sources isotopiques.

Les sources isotopiques sont portables et donnent un flux très stable de neutrons mais le flux neutronique obtenu est beaucoup moins intense que celui d'un réacteur nucléaire. L'émission neutronique de ces sources est exprimée en neutrons par seconde dans un angle solide de $4 π$ stéradians. Les sources sont de forme cylindrique sont en capsulées dans une enceinte anche. L'incertitude sur l'émission neutronique est estimée pour un intervalle de inn fiance de 99,7 % Les neutrons sont obtenus par réactions du type (,n) ou (y,n) sur des noyaux légers. Les tableaux ci-dessous indiquent les caractéristiques de ces sources. En plus de ces sources, on utilise le californium 252, de période 26 ans, qui produit des neutrons par fission spontanée : 1 ma de Cf donne 2,3.10 ns avec une énergie de 2,3 $M e V$ .

Radionucléide	Cibl	Période	$E_{n}$ en $k e V$	ϕ en $n c m^{- 2}$	ϵ en %
$^{124} S_{b}$	$B_{e}$	60 j	25	à	à
$^{126} R_{a}$	$B_{e}$	1620 ans	700	à	à

$ϵ$ = l'incertitude maximale en
$ϕ$ = le flux de neutrons produit en neutron/surface/4π
$E_{n}$ = l'énergie maximale approximative des neutrons produits par la source.

Introduction

La détection de rayonnements nucléaires passe obligatoirement par leur interaction avec le milieu détecteur.
Ces interactions génèrent directement ou indirectement des charges électriques lesquelles, une fois collectées sont amplifiées et converties en signaux électriques.
Cette opération est rendue possible grâce à la polarisation électrique du détecteur conduisant à l'établissement d'un champ électrique responsable du mouvement des charges produites et de leur collection.
La détection et la mesure de rayonnements est un processus à plusieurs étapes.
Il s'agit dans un premier temps de faire interagir le rayonnement incident utile avec le milieu détecteur après qu'il ait franchi l'espace source-détecteur.
Ces interactions sont ensuite converties en impulsions électriques qui sont traitées électriquement et acheminées vers une unité d'acquisition et d'analyse
Faire l'image de la répartition de la radioactivité dans une source/un volume:

Principe de l'imagerie scintigraphie quand ce volume source est un patient chez qui on a injecté un produit rradioactif.

La détection et la mesure de rayonnements nucléaires est une thématique pluridisciplinaire faisant appel à des connaissances en :

Physique nucléaire et atomique
Interaction rayonnement-matière
Électronique
Acquisition, traitement et analyse du signal
Statistiques et interprétation des résultats.

Le taux de comptage, ne permet l'accès à l'activité de la source qu'au moyen d'un traitement approprié prenant en compte :

L'efficacité de détection
la sensibilité de détection
la distance source-détecteur
le bruit de fond.'

Constitution d'un détecteur

Capteur : lieu d'interaction RI - matière
Système d'amplification du signal
Traitement signal: discriminâteur d'amplitude
Système d'affichage: fournit donnée mesure
- flux de particules : compteur
- Énergie particules: spectremètre
- Dose absorbée dans milieu: dosimètre ou débitmètre

Caractéristiques générales des détecteurs

Différents paramètres:

Efficacité de détection
Temps mort
Mouvement propre
Résolution en énergie
Caractéristiques géométriques

Classification des détecteurs

Détecteur mettant en jeu l'ionisation des gaz
Détecteur à scintillations
Détecteur utilisant le noircissement des films photographiques
Détecteur à semi-conducteurs'
Détecteur thermoluminescents
Les autres:
- Dosimètres par résonance paramagnétique électronique
- Dosimètres chimiques
- Appareils mettant en jeu les méthodes calorimétriques…

Caractéristiques générales des détecteurs

Efficacité de détection $E . D$ :

dépend de la nature et de l'énergie du RI

$E . D = \frac{Nombre particules re c ¸ us par d e ˊ tecteur}{Nombre particules d e ˊ tect e ˊ es}$

Résolution en énergie

Caractérise la qualité du détecteur à séparer 2 énergies proches.

Le temps mort $τ$ :

Plus petit intervalle de temps qui doit séparer deux informations pour être prises en compte individuellement par le système.
Dépend des caractéristiques du détecteur
Si τ court → taux de comptage TC $↗↗$

Le mouvement propre

Il correspond au T.C enregistré en l'absence de toute source*. Origine du M.P :

Le Bruit de Fond BF naturel:
- radioactivité ambiante
- rayonnements cosmiques
La radioactivité propre des matériaux du détecteur
Le bruit de l'électronique associée'

Introduction

Ces détecteurs détectent le passage d'une particule chargée en mesurant la charge totale des électrons et les ions produits dans l'ionisation du milieu par la particule (formule de Bethe-Bloch). Le milieu peut être de gaz, liquide ou solide.

Pour récupérer les électrons et les ions avant qu'ils ne se recombinent en atomes, il faut la présence d'un champ électrique qui les séparent et les font dériver vers les électrodes respectifs.

Les charges (électrons et ions) induisent des courants sur les électrodes (figure suivante). Ces courants sont détectés par un amplificateur qui produit un signal électronique.

Le nombre moyen de paires d'électron-ion produit dans un passage d'une particule chargée est proportionnel à l'énergie perdue, il est donné par la formule de Bethe-Bloch:

Détecteurs mettant en jeu l'ionisation des gaz

production d'un grand nombre d'électrons

Normalement , en l'absence de tout RI , quelque soit la différence de potentiel ddp appliquée, aucun courant ne traverse la chambre, mais si une particule ionisante pénètre dans l'enceinte :

L'étude de l'impulsion en fonction de la tension permet

Les 5 régions des détecteurs à gaz

TRPM