Détecteur à ionisation gazeuse - Gaseous ionization detector
Les détecteurs à ionisation gazeuse sont des instruments de détection de rayonnement utilisés en physique des particules pour détecter la présence de particules ionisantes et dans les applications de radioprotection pour mesurer les rayonnements ionisants .
Ils utilisent l'effet ionisant du rayonnement sur un capteur rempli de gaz. Si une particule a suffisamment d'énergie pour ioniser un atome ou une molécule de gaz , les électrons et les ions qui en résultent provoquent un flux de courant qui peut être mesuré.
Les détecteurs à ionisation gazeuse constituent un groupe important d'instruments utilisés pour la détection et la mesure des rayonnements. Cet article donne un aperçu rapide des principaux types, et des informations plus détaillées peuvent être trouvées dans les articles sur chaque instrument. Le graphique ci-joint montre la variation de la génération de paires d'ions avec une tension appliquée variable pour un rayonnement incident constant. Il existe trois principales régions de fonctionnement pratiques, dont une est utilisée par chaque type.
Les types
Les trois types de base de détecteurs à ionisation gazeuse sont 1) les chambres d'ionisation , 2) les compteurs proportionnels et 3) les tubes Geiger – Müller
Tous ont la même conception de base de deux électrodes séparées par de l'air ou un gaz de remplissage spécial, mais chacun utilise une méthode différente pour mesurer le nombre total de paires d'ions qui sont collectées. La force du champ électrique entre les électrodes et le type et la pression du gaz de remplissage déterminent la réponse du détecteur aux rayonnements ionisants .
Chambre d'ionisation
Les chambres d'ionisation fonctionnent à une faible intensité de champ électrique, choisie de telle sorte qu'aucune multiplication de gaz n'ait lieu. Le courant ionique est généré par la création de "paires d'ions", constituées d'un ion et d'un électron. Les ions dérivent vers la cathode tandis que les électrons libres dérivent vers l'anode sous l'influence du champ électrique. Ce courant est indépendant de la tension appliquée si le dispositif fonctionne dans la "région de la chambre ionique". Les chambres à ions sont préférées pour les débits de dose de rayonnement élevés car elles n'ont pas de «temps mort»; un phénomène qui affecte la précision du tube Geiger – Müller à des débits de dose élevés.
Les avantages sont une bonne réponse uniforme au rayonnement gamma et une lecture précise de la dose globale, capable de mesurer des taux de rayonnement très élevés, des niveaux de rayonnement élevés soutenus ne dégradent pas le gaz de remplissage.
Les inconvénients sont 1) un faible rendement nécessitant un circuit d'électromètre sophistiqué et 2) un fonctionnement et une précision facilement affectés par l'humidité.
Compteur proportionnel
Les compteurs proportionnels fonctionnent à une tension légèrement plus élevée, sélectionnée de manière à générer des avalanches discrètes . Chaque paire d'ions produit une seule avalanche de sorte qu'une impulsion de courant de sortie est générée qui est proportionnelle à l'énergie déposée par le rayonnement. C'est dans la région du «comptage proportionnel». Le terme «détecteur proportionnel au gaz» (GPD) est généralement utilisé dans la pratique radiométrique, et la propriété de pouvoir détecter l'énergie des particules est particulièrement utile lors de l'utilisation de réseaux plats de grande surface pour la détection et la discrimination des particules alpha et bêta, comme dans le personnel installé. équipement de surveillance.
La chambre de fil est une forme multi-électrode de compteur proportionnel utilisé comme outil de recherche.
Les avantages sont la capacité de mesurer l'énergie du rayonnement et de fournir des informations spectrographiques, de faire la distinction entre les particules alpha et bêta, et que des détecteurs de grande surface peuvent être construits.
Les inconvénients sont que les fils d'anode sont délicats et peuvent perdre en efficacité dans les détecteurs de débit de gaz en raison du dépôt, de l'efficacité et du fonctionnement affectés par l'entrée d'oxygène dans le gaz de remplissage et des fenêtres de mesure facilement endommagées dans les détecteurs de grande surface.
Les détecteurs gazeux à micro-motifs (MPGD) sont des détecteurs gazeux à granularité élevée avec des distances submillimétriques entre les électrodes anodique et cathodique. Les principaux avantages de ces structures microélectroniques par rapport aux chambres à fil traditionnelles comprennent: la capacité de taux de comptage, la résolution en temps et en position, la granularité, la stabilité et la dureté du rayonnement. Des exemples de MPGD sont la chambre à gaz microruban , le multiplicateur d'électrons gazeux et le détecteur micromégas .
Tube Geiger – Müller
Les tubes Geiger – Müller sont les principaux composants des compteurs Geiger . Ils fonctionnent à une tension encore plus élevée, sélectionnée de telle sorte que chaque paire d'ions crée une avalanche, mais par l'émission de photons UV, de multiples avalanches sont créées qui se propagent le long du fil d'anode, et le volume de gaz adjacent s'ionise à partir d'aussi peu qu'un seul ion. événement de paire. C'est la "région Geiger" de l'opération. Les impulsions de courant produites par les événements ionisants sont transmises à l'électronique de traitement qui peut dériver un affichage visuel du taux de comptage ou de la dose de rayonnement, et généralement dans le cas d'instruments portatifs, un dispositif audio produisant des clics.
Les avantages sont qu'il s'agit d'un détecteur bon marché et robuste avec une grande variété de tailles et d'applications, un signal de sortie important est produit à partir d'un tube qui nécessite un traitement électronique minimal pour un comptage simple, et il peut mesurer la dose gamma globale lors de l'utilisation d'un tube à énergie compensée .
Les inconvénients sont qu'il ne peut pas mesurer l'énergie du rayonnement (aucune information spectrographique), il ne mesurera pas les taux de rayonnement élevés en raison du temps mort, et des niveaux de rayonnement élevés soutenus dégraderont le gaz de remplissage.
Conseils sur l'utilisation du type de détecteur
Le Health and Safety Executive du Royaume-Uni a publié une note d'orientation sur l'instrument portable approprié pour l'application concernée. Cela couvre toutes les technologies d'instruments à rayonnement et est utile pour sélectionner la technologie de détecteur à ionisation gazeuse appropriée pour une application de mesure.
Utilisation quotidienne
Les détecteurs de fumée de type à ionisation sont des détecteurs à ionisation gazeuse largement utilisés. Une petite source d' américium radioactif est placée de manière à maintenir un courant entre deux plaques qui forment effectivement une chambre d'ionisation. Si de la fumée pénètre entre les plaques où l'ionisation a lieu, le gaz ionisé peut être neutralisé, conduisant à un courant réduit. La diminution du courant déclenche une alarme incendie.