Détection des rayonnements gamma

Les rayonnements ionisants

Ce sont des rayonnements ayant suffisamment d’énergie pour arracher un ou plusieurs électrons aux atomes du milieu absorbant en les transformant en ions positifs . On distingue deux types de rayonnement ionisants :

• Les rayonnements directement ionisants : Ce sont des particules chargées qui délivrent leur énergie directement à la matière traversée, par l’intermédiaire des forces coulombiennes. Les transferts d’énergie dépendent du type de particules et de leurs énergies (proton, deuton, alpha, ions lourds et électrons). 
• Les rayonnements indirectement ionisants : Ce sont des rayonnements électriquement neutres et susceptibles de transférer une fraction ou la totalité de leur énergie, en une seule interaction aux particules chargées qui ionisent par la suite le milieu. Dans ce cas, l’ionisation se fait en deux étapes. Les rayonnements électromagnétiques X et γ, et les neutrons font partie de cette catégorie. Un rayonnement gamma est défini comme étant un mode de propagation de l’énergie dans l’espace sous forme d’onde électromagnétique. Il ne peut être détecté et caractérisé que grâce à son interaction avec la matière dans laquelle il se propage. 

Détection des rayonnements gamma 

Les rayonnements gamma, en tant qu’ondes électromagnétiques, interagissent avec les atomes du milieu environnant selon trois phénomènes principaux en fonction de leur énergie et du milieu en présence : Diffusion Compton, Effet photoélectrique et Production de pair. 

Diffusion Compton

La diffusion Compton est un processus élastique au cours duquel le photon 𝛾 transfère une partie de son énergie (E𝛾) à un électron faiblement lié du cortège électronique d’un atome du milieu. Le plus souvent, cette interaction se produit avec les électrons des couches externes de l’atome qui sont les moins liées. Il s’ensuit que le photon 𝛾 incident est dévié de sa direction d’un angle 𝜃 et perd une partie de son énergie qui est transférée à l’électron comme énergie cinétique, ce dernier est éjecté selon un angle 𝜑 par rapport à l’axe du photon incident 𝛾 (Figure 2.1) : En appliquant les lois de conservation masse-énergie totale et du moment linéaire, les énergies du photon diffusé E𝛾′et de l’électron de recul 𝐸𝑒−sont fonction des angles de diffusion et sont données par les équations suivantes : L’électron éjecté en voie de sortie possède une énergie cinétique Ee− décrite par l’équation suivante :

Effet photoélectrique

 Lors du processus d’interaction par effet photoélectrique, un photon incident d’énergie 𝐸𝛾cède totalement son énergie à un électron fortement lié du cortège électronique d’un atome du milieu absorbant. Le surplus d’énergie communiqué à l’atome est ensuite évacué via l’éjection d’un électron d’une couche électronique, généralement de la couche K, de l’atome [28]. L’énergie du photoélectron éjectée est donné par : Ee־) �𝐸� − �𝐸� =2.4) Où Eb est l’énergie de liaison de l’électron dans l’atome. L’éjection du photoélectron laisse place à une lacune électronique sur la couche électronique dont il est originaire, qui donne lieu à un réarrangement instantané des couches électroniques, par l’émission d’un ou de plusieurs rayon(s) X de fluorescence, ou d’un ou plusieurs électron(s) Auger (Figure 2.2).L’effet photoélectrique est privilégié pour les rayons γ dont l’énergie du photon est faible et dans les matériaux possédant un numéro atomique Z élevé. 

Production de paires 

 La production de paires ou matérialisation n’est possible que lorsque l’énergie du photon incident est égale ou dépasse le double de l’énergie de l’électron au repos (1.022 MeV). Ainsi une paire électron-positron (e- , e+ ) peut être crée par interaction du photon avec la matière, ce processus a lieu dans le champ coulombien du noyau [28].Toute l’énergie excédentaire captée par le photon au-dessus de 1.022 MeV va être partagée entre les énergies cinétiques du positron et de l’électron comme suit : 𝐸𝛾 − 2𝑚0𝑐 2 = 𝐸𝑒− + 𝐸𝑒+ (2.6) Le positron s’annihilera avec un électron suite à son ralentissement dans le milieu absorbant (par des collisions), en créant deux photons d’annihilation d’énergie 511 keV, émis à 180° chacun (Figure 2 .3) : Contrairement aux deux processus précédents, l’effet photoélectrique et la diffusion Compton, la section efficace de création de paires augmente avec l’énergie des photons incidents, elle croît comme le carré du nombre atomique Z du milieu absorbant, elle est dominante aux hautes énergies. L’importance relative des trois processus décrits est fonction des énergies des photons et du numéro atomique Z du milieu absorbant, elle est commodément représentée sur la Figure 2.4

Détection des rayonnements gamma dans l’environnement

 La détection des rayonnements ionisants consiste à faire interagir un champ de rayonnements au sein d’un volume sensible et à mesurer une grandeur physique, vecteur de l’interaction, pour la convertir en un signal électrique interprétable. Le choix du détecteur dépend de la grandeur physique à mesurer qui est dans notre cas les rayons gamma de l’environnement, c’est-à-dire le rayonnement terrestre en évitant de mesurer le rayonnement cosmique. Le détecteur le plus approprié est le détecteur Thermo Scientific RadEye. 

Détecteur Thermo Scientific RadEye 

✓ Description : Le détecteur RadEye PRD mesure des débits de doses, en R/h (R désigne une ancienne unité le röntgen) ou en Sv/h. Il est utilisé dans plusieurs domaines tels que : pour localiser des sources orphelines, pour détecter la radioactivité générée par des radionucléides artificiels émis lors des accidents nucléaires, pour détecter des sources naturelles pouvant causer des problèmes dans des chantiers ou dans des lieux publics, … [30]. Le détecteur RadEye PRD intègre un scintillateur à haute sensibilité Nal(Tl) doté d’un photomultiplicateur miniature permettant la détection de très faibles niveaux de rayonnement.Il a une gamme d’énergie allant de 60 keV à 1.3 MeV avec une excellente détection à partir de 30 keV. Sa gamme de mesures est comprise entre 0.01µSv/h à 250 µSv/h [30]. ✓ Caractéristiques : Le détecteur RadEye PRD est robuste, fiable et résistant aux chocs. Il fonctionne avec un menu au format intuitif et facile d’emploi, il est muni de composants bénéficiant d’une technologie de basse puissance et des commandes entièrement automatisés. 
1- Ouvre le menu de configuration, une fois le menu ouvert, les fonctions sont sélectionnées par 1, 2, 3 et 4 
2- Affichage d’informations supplémentaires. 
3- fonctionnement similaire à l’interrupteur et au verrouillage des touches de votre téléphone portable.

 4- et 5- Fonctionnement de l’indicateur sonore et d’acquittement de l’alarme. 

Fonctionnement d’un scintillateur 

Un scintillateur est une substance radio-luminescente qui a la propriété d’émettre des photons lumineux suite à l’absorption d’un rayonnement ionisant. Si le rayonnement est un photon sa détection avec un scintillateur passe par une succession de quatre étapes : conversion du photon incident en électron, excitation du scintillateur, émission de la lumière et conversion en signal électrique .