Chambre d'ionisation - Ionization chamber
La chambre d'ionisation est le plus simple de tous les détecteurs de rayonnement à gaz et est largement utilisée pour la détection et la mesure de certains types de rayonnement ionisant ; Rayons X , rayons gamma et particules bêta . Classiquement, le terme "chambre d'ionisation" est utilisé exclusivement pour décrire les détecteurs qui collectent toutes les charges créées par ionisation directe dans le gaz par l'application d'un champ électrique. Il n'utilise que les charges discrètes créées par chaque interaction entre le rayonnement incident et le gaz, et n'implique pas les mécanismes de multiplication de gaz utilisés par d'autres instruments de rayonnement, tels que le compteur Geiger ou le compteur proportionnel .
Les chambres ioniques ont une bonne réponse uniforme au rayonnement sur une large gamme d'énergies et sont le moyen préféré de mesurer des niveaux élevés de rayonnement gamma. Ils sont largement utilisés dans l'industrie de l'énergie nucléaire, les laboratoires de recherche, la radiographie, la radiobiologie et la surveillance environnementale.
Principe d'opération
Une chambre d'ionisation mesure la charge à partir du nombre de paires d'ions créées dans un gaz causé par un rayonnement incident. Il se compose d'une chambre remplie de gaz avec deux électrodes ; connu sous le nom d' anode et de cathode . Les électrodes peuvent être sous la forme de plaques parallèles (Parallel Plate Ionization Chambers : PPIC), ou d'un arrangement cylindrique avec un fil d'anode interne situé de manière coaxiale.
Un potentiel de tension est appliqué entre les électrodes pour créer un champ électrique dans le gaz de remplissage. Lorsque le gaz entre les électrodes est ionisé par un rayonnement ionisant incident , des paires d'ions sont créées et les ions positifs résultants et les électrons dissociés se déplacent vers les électrodes de polarité opposée sous l'influence du champ électrique. Cela génère un courant d'ionisation qui est mesuré par un circuit électromètre . L'électromètre doit être capable de mesurer le très faible courant de sortie qui se situe entre femtoampères et picoampères , selon la conception de la chambre, la dose de rayonnement et la tension appliquée.
Chaque paire d'ions créée dépose ou supprime une petite charge électrique vers ou depuis une électrode, de sorte que la charge accumulée est proportionnelle au nombre de paires d'ions créées, et donc à la dose de rayonnement. Cette génération continue de charge produit un courant d'ionisation, qui est une mesure de la dose ionisante totale entrant dans la chambre.
Le champ électrique est suffisamment fort pour permettre à l'appareil de fonctionner en continu en épongeant toutes les paires d'ions, empêchant la recombinaison de paires d'ions qui diminuerait le courant ionique. Ce mode de fonctionnement est appelé mode « courant », ce qui signifie que le signal de sortie est un courant continu, et non une sortie d'impulsion comme dans le cas du tube Geiger-Müller ou du compteur proportionnel. Le nombre de paires d'ions produites étant proportionnel à l'énergie du rayonnement incident, ce courant mesuré en continu est proportionnel au débit de dose (énergie déposée par unité de temps) dans la chambre d'ionisation.
En se référant au graphique de collecte de paires d'ions qui l'accompagne, on peut voir que dans la région de fonctionnement de la chambre ionique, la charge d'une paire ionique collectée est effectivement constante sur une plage de tension appliquée, car en raison de son intensité de champ électrique relativement faible, la chambre ionique ne pas d'effet multiplicateur. Ceci est différent du tube Geiger-Müller ou du compteur proportionnel par lequel les électrons secondaires, et finalement les avalanches multiples, amplifient considérablement la charge de courant ionique d'origine.
Types de chambres et construction
Les types de chambres suivants sont couramment utilisés.
Chambre à air libre
Il s'agit d'une enceinte ouverte librement sur l'atmosphère, où le gaz de remplissage est l'air ambiant. Le détecteur de fumée domestique en est un bon exemple, où un flux d'air naturel à travers la chambre est nécessaire pour que les particules de fumée puissent être détectées par le changement de courant ionique. D'autres exemples sont des applications où les ions sont créés à l'extérieur de la chambre mais sont transportés par un flux forcé d'air ou de gaz.
Pression de la chambre
Chambre ventilée
Ces chambres sont normalement cylindriques et fonctionnent à la pression atmosphérique, mais pour empêcher la pénétration d'humidité, un filtre contenant un dessiccateur est installé dans la conduite de ventilation. Il s'agit d'empêcher l'accumulation d'humidité à l'intérieur de la chambre, qui serait autrement introduite par l'effet « pompe » de la modification de la pression atmosphérique atmosphérique. Ces chambres ont un corps cylindrique en aluminium ou en plastique de quelques millimètres d'épaisseur. Le matériau est sélectionné pour avoir un numéro atomique similaire à celui de l'air, de sorte que la paroi est dite "équivalente à l'air" sur une gamme d'énergies de faisceau de rayonnement. Cela a pour effet de garantir que le gaz dans la chambre agit comme s'il s'agissait d'une partie d'un volume de gaz infiniment grand, et augmente la précision en réduisant les interactions de gamma avec le matériau de la paroi. Plus le numéro atomique du matériau de la paroi est élevé, plus les chances d'interaction sont grandes. L'épaisseur de paroi est un compromis entre le maintien de l'effet d'air avec une paroi plus épaisse et l'augmentation de la sensibilité en utilisant une paroi plus fine. Ces chambres ont souvent une fenêtre d'extrémité en matériau suffisamment mince, tel que le mylar, pour que les particules bêta puissent pénétrer dans le volume de gaz. Le rayonnement gamma pénètre à la fois par la fenêtre d'extrémité et par les parois latérales. Pour les instruments portatifs, l'épaisseur de la paroi est rendue aussi uniforme que possible pour réduire la directionnalité des photons, bien que toute réponse de fenêtre bêta soit évidemment hautement directionnelle. Les chambres ventilées sont sensibles à de petits changements d'efficacité avec la pression d'air et des facteurs de correction peuvent être appliqués pour des applications de mesure très précises.
Chambre basse pression étanche
Ceux-ci sont de construction similaire à la chambre ventilée mais sont scellés et fonctionnent à ou autour de la pression atmosphérique. Ils contiennent un gaz de remplissage spécial pour améliorer l'efficacité de la détection car les électrons libres sont facilement capturés dans des chambres ventilées remplies d'air par l'oxygène neutre qui est électronégatif , pour former des ions négatifs. Ces chambres présentent également l'avantage de ne pas nécessiter d'évent et de dessiccateur. La fenêtre d'extrémité bêta limite la pression différentielle par rapport à la pression atmosphérique qui peut être tolérée, et les matériaux courants sont l'acier inoxydable ou le titane avec une épaisseur typique de 25 µm.
Chambre haute pression
L'efficacité de la chambre peut être encore augmentée par l'utilisation d'un gaz à haute pression. Typiquement, une pression de 8 à 10 atmosphères peut être utilisée et divers gaz nobles sont employés. La pression plus élevée entraîne une plus grande densité de gaz et ainsi une plus grande chance de collision avec le gaz de remplissage et la création de paires d'ions par rayonnement incident. En raison de l'épaisseur de paroi accrue requise pour résister à cette pression élevée, seul le rayonnement gamma peut être détecté. Ces détecteurs sont utilisés dans les radiamètres et pour la surveillance de l'environnement.
Forme de la chambre
Chambre à dé
Le plus couramment utilisé pour les mesures de radiothérapie est une chambre cylindrique ou "dé à coudre". Le volume actif est logé dans une cavité en forme de dé à coudre avec une surface conductrice interne (cathode) et une anode centrale. Une tension de polarisation appliquée à travers la cavité recueille les ions et produit un courant qui peut être mesuré avec un électromètre.
Chambres à plaques parallèles
Les chambres à plaques parallèles ont la forme d'un petit disque, avec des électrodes collectrices circulaires séparées par un petit espace, généralement de 2 mm ou moins. Le disque supérieur est extrêmement fin, ce qui permet des mesures de dose près de la surface beaucoup plus précises qu'avec une chambre cylindrique.
Chambres de surveillance
Les chambres de contrôle sont généralement des chambres à ions à plaques parallèles qui sont placées dans des faisceaux de rayonnement pour mesurer en continu l'intensité du faisceau. Par exemple, dans la tête des accélérateurs linéaires utilisés pour la radiothérapie , des chambres d'ionisation à cavités multiples peuvent mesurer l'intensité du faisceau de rayonnement dans plusieurs régions différentes, fournissant des informations sur la symétrie et la planéité du faisceau.
Chambres de recherche et d'étalonnage
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Les premières versions de la chambre à ions ont été utilisées par Marie et Pierre Curie dans leurs travaux originaux d'isolement de matières radioactives. Depuis lors, la chambre à ions est un outil largement utilisé en laboratoire à des fins de recherche et d'étalonnage. Pour ces utilisations, une variété de chambres personnalisées, certaines utilisant des liquides comme milieu ionisé, ont été utilisées. Les chambres ioniques sont utilisées par les laboratoires nationaux pour étalonner les étalons primaires et également pour transférer ces étalons vers d'autres installations d'étalonnage.
Chambres historiques
Chambre du condenseur
La chambre du condenseur a une cavité secondaire à l'intérieur de la tige qui agit comme un condensateur . Lorsque ce condensateur est complètement chargé, toute ionisation dans le dé à coudre contrecarre cette charge, et le changement de charge peut être mesuré. Ils ne sont pratiques que pour les faisceaux d'une énergie de 2 MeV ou moins, et les fuites de tige élevées les rendent inadaptés à une dosimétrie précise.
Chambre d'extrapolation
De conception similaire à une chambre à plaques parallèles, la plaque supérieure d'une chambre d'extrapolation peut être abaissée à l'aide de vis micrométriques. Les mesures peuvent être prises avec différents espacements de plaques et extrapolées à un espacement de plaques de zéro, c'est-à-dire la dose sans la chambre.
Types d'instruments
À main
Les chambres ioniques sont largement utilisées dans les radiamètres portables pour mesurer les rayonnements bêta et gamma. Ils sont particulièrement préférés pour les mesures de débits de dose élevés et pour les rayonnements gamma, ils donnent une bonne précision pour les énergies supérieures à 50-100 keV.
Il existe deux configurations de base ; l'unité "intégrale" avec la chambre et l'électronique dans le même boîtier, et l'instrument "en deux parties" qui a une sonde de chambre à ions séparée attachée au module électronique par un câble flexible.
La chambre de l'instrument intégré est généralement à l'avant du boîtier tournée vers le bas, et pour les instruments bêta/gamma, il y a une fenêtre dans le fond du boîtier. Celui-ci a généralement un écran coulissant qui permet la discrimination entre les rayonnements gamma et bêta. L'opérateur ferme le bouclier pour exclure le bêta et peut ainsi calculer le taux de chaque type de rayonnement.
Certains instruments portatifs génèrent des clics audibles similaires à ceux produits par un compteur GM pour aider les opérateurs, qui utilisent le retour audio dans les enquêtes sur les rayonnements et les contrôles de contamination. Comme la chambre à ions fonctionne en mode courant, et non en mode impulsion, cela est synthétisé à partir du taux de rayonnement.
installée
Pour les mesures de processus industriels et les verrouillages avec des niveaux de rayonnement élevés soutenus, la chambre ionique est le détecteur préféré. Dans ces applications, seule la chambre est située dans la zone de mesure, et l'électronique est située à distance pour les protéger du rayonnement et reliée par un câble. Les instruments installés peuvent être utilisés pour mesurer le gamma ambiant pour la protection du personnel et déclencher normalement une alarme au-dessus d'un taux prédéfini, bien que l'instrument à tube Geiger-Müller soit généralement préféré lorsque des niveaux élevés de précision ne sont pas requis.
Précautions générales d'utilisation
L'humidité est le principal problème qui affecte la précision des chambres ioniques. Le volume interne de la chambre doit être maintenu complètement sec, et le type ventilé utilise un dessiccateur pour aider à cela. En raison des très faibles courants générés, tout courant de fuite parasite doit être réduit au minimum afin de préserver la précision. L'humidité hygroscopique invisible à la surface des diélectriques des câbles et des connecteurs peut être suffisante pour provoquer un courant de fuite qui submergera tout courant ionique induit par rayonnement. Cela nécessite un nettoyage scrupuleux de la chambre, de ses terminaisons et de ses câbles, et un séchage ultérieur dans un four. Les "anneaux de garde" sont généralement utilisés comme élément de conception sur les tubes à haute tension pour réduire les fuites à travers ou le long de la surface des isolateurs de connexion de tube, ce qui peut nécessiter une résistance de l'ordre de 10 13 Ω.
Pour les applications industrielles avec électronique à distance, la chambre à ions est logée dans un boîtier séparé qui offre une protection mécanique et contient un dessiccateur pour éliminer l'humidité qui pourrait affecter la résistance de terminaison.
Dans les installations où la chambre est éloignée de l'électronique de mesure, les lectures peuvent être affectées par le rayonnement électromagnétique externe agissant sur le câble. Pour surmonter cela, un module convertisseur local est souvent utilisé pour traduire les très faibles courants de la chambre ionique en un train d'impulsions ou un signal de données lié au rayonnement incident. Ceux-ci sont immunisés contre les effets électromagnétiques.
Applications
Industrie nucléaire
Chambres d' ionisation sont largement utilisés dans l'industrie nucléaire car ils fournissent une sortie qui est proportionnelle à rayonnement dose Ils trouvent une large utilisation dans les situations où un débit de dose élevée et constante est mesurée comme ils ont une durée de vie supérieure de fonctionnement que les tubes standards Geiger-Müller, qui souffrent d'une panne de gaz et sont généralement limités à une durée de vie d'environ 10 11 événements de comptage. En outre, le tube Geiger-Müller ne peut pas fonctionner au- dessus d' environ 10 4 coups par seconde, en raison des effets temps mort, alors qu'il n'y a pas de limitation similaire à la chambre d'ionisation.
Détecteur de fumée
La chambre d'ionisation a trouvé une utilisation large et avantageuse dans les détecteurs de fumée . Dans un détecteur de fumée à ionisation, l'air ambiant peut entrer librement dans la chambre d'ionisation. La chambre contient une petite quantité d' américium-241 , qui est un émetteur de particules alpha qui produisent un courant ionique constant. Si de la fumée pénètre dans le détecteur, elle perturbe ce courant car les ions frappent les particules de fumée et sont neutralisés. Cette baisse de courant déclenche l'alarme. Le détecteur possède également une chambre de référence qui est étanche mais ionisée de la même manière. La comparaison des courants ioniques dans les deux chambres permet de compenser les changements dus à la pression de l'air, à la température ou au vieillissement de la source.
Mesure des rayonnements médicaux
En physique médicale et en radiothérapie , les chambres d'ionisation sont utilisées pour s'assurer que la dose délivrée par une unité de thérapie ou un produit radiopharmaceutique est ce qui est prévu. Les appareils utilisés pour la radiothérapie sont appelés « dosimètres de référence », tandis que ceux utilisés pour les produits radiopharmaceutiques sont appelés étalonneurs de dose radio-isotopique - un nom inexact pour les étalonneurs de radioactivité des radionucléides , qui sont utilisés pour mesurer la radioactivité mais pas la dose absorbée. Une chambre aura un facteur d'étalonnage établi par un laboratoire d'étalonnage national tel que l'ARPANSA en Australie ou le NPL au Royaume-Uni, ou aura un facteur déterminé par comparaison avec une chambre d'étalon de transfert traçable aux normes nationales sur le site de l'utilisateur.
Guide d'utilisation de l'application
Au Royaume-Uni, le HSE a publié un guide de l'utilisateur sur la sélection de l'instrument de mesure du rayonnement approprié pour l'application particulière concernée. Cela couvre toutes les technologies d'instruments à rayonnement et constitue un guide comparatif utile pour l'utilisation des instruments à chambre ionique.
Voir également
- Dose absorbée
- Théorie de la cavité de Bragg-Gray
- Dosimétrie
- Chambre Sievert
- Pouvoir d'arrêt (rayonnement des particules)