Sources et détecteurs

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Contenu

  • Sources
  • Cibles et absorbants
  • Détecteurs par ionisation
  • Chambre à brouillard de Wilson
  • Développements plus récents: chambre à bulles, chambres à fils

Sources

Alphas

  • Radium 226 [4.9 MeV] et Radon 222 [5.6 MeV]
  • Polonium 210 [RaF alphas 5.4 MeV sans rayonnement parasite].
  • Polonium : intérêt scientifique majeur = source pure d’alphas car le Po 210 n’a pas d’autre mode de transmutation et le noyau résultant est stable (Pb 206)

Électrons

Bêtas mais énergie continue, donc non contrôlée

Rayons X

Rayons gammas

[Th C’’ = Tl 208, gammas de 2.6 MeV]

Inconvénients

  • intensité faible (le plus souvent quelques mCi = 3.7×107 Bq)
  • énergie limitée à quelques MeV
  • pour aller plus loin, rayons cosmiques ou accélérateurs

Cibles et absorbants

Feuilles métalliques très minces (les alphas sont facilement absorbés) d’aluminium, ou d’or [~100 nm]

Gaz raréfiés, ou sous pression : hydrogène, azote, fluor, argon, etc.

Écrans de plomb ou de cuivre (absorbant), ou de paraffine (cible)

Détecteurs par ionisation

Atome d'azote (symbolique)
Atome d’azote (symbolique)

Atome d’azote (par exemple)

Noyau : 7 protons + 7 neutrons

→ 7 électrons : 2 sur la 1s, 2 sur la 2s et 3 sur la 2p

Ionisation : perte de 1, 2, 3… électrons ⇔ apport d’énergie

Ionisation de l’azote : 14,5 eV

Comment ioniser ? Les rayonnements ionisants

Onde électromagnétique

  • micro-ondes ⇔ 1 meV
  • visible ⇔ 1 eV
  • rayons X ⇔ 1 keV
  • rayons γ ⇔ 1 MeV

E>10 eV ⇔ λ< 100nm ⇔ UV, X, γ

  • effet photoélectrique
  • effet Compton (déplace un électron, lequel ionise)
  • production de paires e+e–

Particule chargée: e–, p+, α

Neutron : met un proton en mouvement, lequel ionise

Détection d’un rayonnement ionisant

Énergie d’ionisation ~ 10 eV

  • hydrogène 13,6; azote 14,5; oxygène 13,6 pour la 1° ionisation
  • la 7° pour l’azote est à 667 eV et la 8° pour l’oxygène à 871 [normal car varie comme Z2]

⇒ une particule ionisante de 1 MeV ionise 104 à 105 atomes sur son trajet ⇒ 104 à 105 ions et électrons secondaires

Détection du passage d'une particule chargée par ionisation d'un gaz
Détection du passage d’une particule chargée par ionisation d’un gaz

⇒ courant d’ionisation si on peut collecter ces charges ⇒ anode + cathode et différence de potentiel

Ions attirés par la cathode mais lourds et lents

Électrons secondaires [de ~ 10 eV] attirés par l’anode ⇒ cascade (avalanche de Townsend)

Variation du courant d'ionisation selon la tension
Variation du courant d’ionisation selon la tension

Chambre d’ionisation

C’est un compteur proportionnel: la tension est relativement basse de sorte que l’intensité du courant soit à peu près proportionnelle à l’énergie de la particule incidente ⇒ compte le nombre et l’énergie des particules ionisantes (sans vraiment les identifier)

  • Tensions 100 à 500 V
  • Gaz inerte (Ne, He ou Ar) sous faible pression (0,1 atm), l’argon est facilement ionisé par effet Compton
Schéma de principe d'une chambre d'ionisation (Wikipedia)
Schéma de principe d’une chambre d’ionisation (Wikipedia)

On ajoute environ 10% méthane ou chlore pour le quenching (le méthane amortit l’avalanche de Townsend en absorbant les photons de désexcitation lors de la recombinaison)

Compteur de Geiger

Le compteur Geiger utilise des tensions plus élevées, supérieures à 500 V, pour provoquer une avalanche d’électrons (avalanche de Townsend)

  • Cela le rend très sensible au passage d’une leparticu
  • Mais il ne distingue pas α, β et γ
  • Et il ne mesure pas leur énergie (il fonctionne en tout ou rien)
  • Et il y a un temps mort d’environ 200 µs entre deux avalanches possibles ⇒ comptage limité à 500 coups par seconde
Le principe du compteur Geiger
Le principe du compteur Geiger

Un compteur de ce type compte donc le nombre de particules qui traversent le tube. On peut sélectionner le type de particule qui traverse le tube:

  • Fenêtre en mica → laisse passer les α
  • Fenêtre en verre → β > 2,5 MeV et γ

Mise au point progressive:

  • 1908 : compteur d’α avec Rutherford
  • 1912 : compteur de β
  • Compteur de Geiger à pointe
    Compteur de Geiger à pointe

    1913 : compteur à pointe, sensible aux β et aux γ mais d’utilisation très délicate

  • 1928 : compteur Geiger-Müller à basse pression, plutôt utilisé pour β et γ (α à la rigueur)

Compteurs Geiger contemporains

Compteur Geiger (Société Gamma-Scout):

  • filtre mobile (α, β, γ),
  • tube à fenêtre mica et remplissage Ne-Cl.
  • seuils de détection: α > 4 MeV, β > 0.2 MeV et γ > 0.03 MeV.
  • sensibilité 0.01 – 1000 µSv/h (en comparaison la radioactivité naturelle ~ 0.2 µSv/h).
  • connecteur USB.
Compteur Gamma-Scout
Compteur Gamma-Scout
Intérieur d'un compteur Gamma-Scout
Intérieur d’un compteur Gamma-Scout (le tube de Geiger est le cylindre métallique à gauche)

Chambre à brouillard (Wilson)

La chambre de Wilson, ou chambre à brouillard, (cloud chamber) fut mise au point au Cavendish  par Charles Thomson Rees Wilson (1869-1959) et lui valut le prix Nobel en 1927. Le but initial de Wilson, à la fin des années 1890, était de comprendre la formation des nuages et du brouillard. La vapeur d’eau sursaturée se condense sur les poussières, ou sur le passage d’une particule chargée ☞ traînée de gouttelettes

Utilisation par Thomson en 1898 pour estimer la charge de l’électron, puis à partir de 1911 pour observer le passage de particules chargées.

Principe d'une chambre à brouillard de Wilson
Principe d’une chambre à brouillard de Wilson
La première chambre à brouillard de Wilson
La première chambre à brouillard de Wilson
La première chambre à brouillard de Wilson (schéma)
La chambre à brouillard de Wilson (schéma)

La chambre de Wilson:

  • permet de photographier les interactions
  • est sensible à toute particule chargée
  • permet de distinguer électrons, protons ou ions par l’épaisseur des traces (et par leur courbure en présence d’un champ magnétique)
Traces photographiées dans une chambre de Wilson
Traces photographiées dans une chambre de Wilson

L’emploi d’une chambre de Wilson permit à Chadwick de corriger l’interprétation de Rutherford des collisions alpha-azote : les clichés de Chadwick montrèrent que l’alpha est absorbé par l’azote, et que la réaction observée par Rutherford était en réalité alpha + azote 14 -> oxygène 17 + proton.

La découverte du proton par Rutherford, corrigée par Chadwick
La découverte du proton par Rutherford, corrigée par Chadwick

Développements plus récents: chambre à bulles, chambres à fils

Chambre à bulles (D. Glaser 1952)

Cliché de chambre à bulles
Cliché de chambre à bulles

Chambre multifils proportionnelle (Charpak 1968)

Georges Charpak en 1976 à côté d'une des premières chambres multifils
Georges Charpak en 1976 à côté d’une des premières chambres multifils
Chambre multifils de l'expérience SuperNemo
Chambre multifils de l’expérience SuperNemo

Tout ceci fut vite à la portée des enfants ! L’Atomic Energy Lab (Gilbert 1950-1951) comprenait

Gilbert's Atomic Lab
Gilbert’s Atomic Lab
  • Électroscope
  • Compteur Geiger-Müller
  • Chambre à brouillard de Wilson (cloud chamber)
  • Spinthariscope: écran au sulfure de zinc et loupe
  • Minerais d’uranium
  • Sources radioactives
    • Polonium 210 (alphas)
    • Plomb 210 (alphas et bêtas)
    • Rubidium 106 (bêtas)
    • Zinc 65 (gammas)

et un manuel illustré du parfait petit atomiste:

Manuel du Gilbert's Atomic Lab
Manuel du Gilbert’s Atomic Lab

 


Contact: lettreani
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