Qu’est-ce qu’un détecteur de radiations ?
Un détecteur de radiations est un appareil qui détecte et mesure les radiations de manière indirecte, en utilisant les réactions physiques et chimiques causées par l’interaction entre les radiations et la matière.
L’homme ne peut pas percevoir directement les rayonnements avec ses sens. C’est pourquoi l’ionisation et l’excitation provoquées par le rayonnement sont utilisées pour la détection et la mesure. Par exemple, des ions et des électrons libres sont générés, ou des ondes électromagnétiques telles que la fluorescence, puis convertis en signaux de courant. Sur la base de ce signal de courant, la dose de rayonnement peut être affichée sur un compteur ou rendue audible.
Les autres utilisations sont nombreuses, notamment celles basées sur l’émission d’électrons, celles utilisant la production de chaleur, l’utilisation pratique de l’activation des matériaux neutroniques et les détecteurs basés sur la détection du rayonnement Cherenkov.
Utilisations des détecteurs de radiations
Les détecteurs de radiations sont largement utilisés dans les sites de décontamination des radiations, les chantiers navals et les usines. Comme il existe différents types de radiations – alpha, gamma, bêta et rayons X – et que les doses qu’elles émettent vont de fortes à faibles, les détecteurs eux-mêmes doivent être soigneusement sélectionnés en fonction de la situation.
La mesure des débits de dose dans l’air donne une vue d’ensemble de la quantité de rayonnements qui circulent dans l’espace. La détection des rayonnements émis par la surface d’un objet permet également de savoir si l’objet est contaminé et d’identifier la source de contamination. Les détecteurs de rayonnements sont également utilisés pour mesurer la dose de rayonnements à laquelle une personne a été exposée.
Principe des détecteurs de radiations
Il existe deux grands types de détecteurs de rayonnements : ceux qui utilisent l’effet ionisant des rayonnements sur les molécules de gaz et ceux qui utilisent l’excitation des électrons dans les matériaux, principalement les solides et les liquides.
Les premiers sont appelés détecteurs de gaz et les seconds détecteurs de scintillation.
1. Détecteurs de gaz
Dans les détecteurs de gaz, le détecteur est rempli d’un gaz, tel qu’un gaz inerte ou de l’air. Lorsque le rayonnement le traverse, les molécules s’ionisent pour produire des cations et des électrons. L’ionisation de ces molécules de gaz est utilisée pour mesurer la quantité de rayonnement. Il existe différents types de détecteurs d’attente, tels que les boîtes d’ionisation, les compteurs GM et les compteurs proportionnels.
Chambre d’ionisation
Dans une chambre d’ionisation, les cations et les électrons sont attirés respectivement par les électrodes et convertis en signaux électriques pour la mesure. Le nombre de cations et d’électrons ionisés par l’énergie du rayonnement est directement converti en un signal électrique. L’intensité du signal est presque proportionnelle à l’énergie du rayonnement. En d’autres termes, il est possible de déterminer l’énergie du rayonnement. Cependant, l’inconvénient est que la sensibilité est faible car l’ionisation est directement observée.
Compteurs GM
Dans un compteur GM, un gaz est chargé de la même manière que dans une chambre d’ionisation, mais une haute tension est appliquée entre les électrodes de sorte que les électrons produits par l’ionisation se déplacent à grande vitesse et ionisent d’autres molécules de gaz. Cela permet d’obtenir un signal fort.
Par conséquent, une impulsion est passée entre les électrodes pour chaque ionisation. Un signal fort est obtenu, mais l’inconvénient est qu’aucune information sur l’énergie du rayonnement n’est disponible car le signal est une impulsion.
Compteurs proportionnels
Dans un détecteur rempli de gaz, si la tension appliquée entre les électrodes est modérément ajustée, l’ionisation par les radiations est suivie par l’ionisation d’autres molécules de gaz, produisant un signal fort, qui est également proportionnel au nombre de molécules initialement ionisées. Les compteurs proportionnels sont utilisés pour effectuer des mesures dans ces conditions.
2. Détecteur à scintillation
Les détecteurs à scintillation utilisent l’effet des radiations sur les électrons en orbite autour du noyau, ensuite transférés vers une orbite extérieure, ce que l’on appelle l’excitation. Un exemple d’instrument est le radiomètre à scintillation.
Un matériau qui a la propriété d’émettre de la lumière par excitation du rayonnement est appelé scintillateur. Les cristaux d’iodure de sodium (NaI) sont utilisés comme scintillateurs à cristaux solides. Lorsque le rayonnement est absorbé par un scintillateur, l’excitation électronique rend les atomes instables, puis les ramène à leur état stable d’origine. Au cours de ce processus, les atomes émettent de l’énergie sous forme de lumière.
Cette faible lumière est amplifiée par un tube photomultiplicateur et convertie en courant électrique pour la mesure. Le nombre de photons émis étant proportionnel à l’énergie du rayonnement, les détecteurs à scintillation peuvent déterminer l’énergie du rayonnement.
Les cristaux de NaI étant hygroscopiques, ils sont scellés pour éviter qu’ils ne soient exposés à l’air. D’autre part, une fenêtre d’incidence est prévue à l’endroit où le rayonnement pénètre dans le détecteur. La fenêtre incidente est constituée d’un métal très fin à très faible numéro atomique, comme le béryllium ou l’aluminium, d’une épaisseur d’environ 100 µm.
Comment choisir un détecteur de radiations
Lors du choix d’un détecteur de radiations, il est important de vérifier les points suivants :
1. Type de rayonnement
Il existe différents types de rayonnements : alpha, bêta, neutron, gamma et rayons X. La structure et le principe d’un détecteur de radiations déterminent le type de radiations qui peut être détecté et la sensibilité attendue, il est donc important de choisir un détecteur en connaissant ces facteurs.
2. Valeur affichée
Le choix doit reposer sur la question de savoir si la valeur affichée (par exemple, s’il s’agit d’un simple comptage ou d’un équivalent de dose de 1 cm) est adaptée à l’utilisation prévue.
3. Perméabilité aux rayonnements
La compréhension de la perméabilité du rayonnement permet de travailler en toute confiance, car le rayonnement doit atteindre le site d’ionisation (scintillateur gazeux ou solide) pour être détecté. Par exemple, les radiamètres à scintillation au NaI sont destinés à mesurer les rayons gamma et les rayons X. En effet, ils ne peuvent pas détecter les rayonnements qui ne sont pas transmissibles par le gaz ou le solide. En effet, ils ne peuvent pas détecter les rayonnements qui ne peuvent pas traverser la fine fenêtre métallique (rayonnements alpha et bêta) car ils doivent être scellés autour d’un scintillateur, qui est hygroscopique.
Certains compteurs GM sont capables de mesurer le rayonnement bêta, d’autres non. Le rayonnement bêta peut être mesuré avec le type de compteur qui possède une grande fenêtre et utilise du mica très fin pour la fenêtre. Les rayons bêta peuvent traverser cette fenêtre de mica. Les compteurs GM, qui peuvent mesurer à la fois les rayonnements bêta et gamma, sont munis d’un couvercle métallique qui doit être retiré pour les mesures bêta. En effet, les rayons bêta ne pénètrent pas le capuchon métallique.
Autres informations sur les détecteurs de radiations
1. Objectif de la mesure des rayonnements
Les mesures de rayonnement ont deux objectifs principaux :
- Mesurer la dose de rayonnement spécifique à un champ de rayonnement, comme le type et l’énergie du rayonnement ou le nombre de particules, afin de la contrôler lors de la manipulation des rayonnements.
- Mesurer la dose absorbée, qui s’exprime en multipliant la dose de rayonnement dans le champ de rayonnement par un coefficient résultant de l’interaction entre le rayonnement et le matériau, afin de comprendre ou d’utiliser efficacement les effets physiques, chimiques et biologiques produits par le rayonnement.
La gestion de la radioprotection est une extension de cette dernière. Pour évaluer les effets des rayonnements sur le corps humain, une dose efficace est calculée sur la base de cette dernière dose absorbée. Y est ajoutée une évaluation des effets biologiques de chaque type de rayonnement et de la sensibilité de la partie du corps exposée aux rayonnements.
2. Détecteurs de rayons X de haute énergie à scintillation
Les détecteurs à scintillation utilisant des cristaux scintillants solides sont utilisés pour mesurer les rayons X de haute énergie et même les rayons gamma de plus haute énergie. La particularité d’un détecteur de rayons X est que le scintillateur reçoit et détecte efficacement les rayons X proportionnellement à leur énergie.
Cette caractéristique le distingue des détecteurs de gaz, qui ne peuvent pas capter les rayons X de haute énergie. De plus, le temps qui s’écoule entre le moment où les rayons X pénètrent dans le détecteur et celui où ils sont convertis en un signal électrique et émis est très court. Cela le rend adapté aux mesures lorsqu’il y a un grand nombre de photons de rayons X incidents. Dans le domaine de la recherche, des détecteurs de rayons X de haute énergie à détection de position ont également été mis au point. Ils utilisent les avantages du type à scintillation pour obtenir une image bidimensionnelle des rayons X.