TP 4: Spectrométrie gamma

Phys. Nucl. Manip. – spectrométrie γ dét. Scintillations
M4 - 1
M4 : spectrométrie γ au moyen d'un détecteur à scintillations
M4.1 But de la manipulation
Le but de la manipulation est l’utilisation d'un détecteur à scintillation et de sa chaîne
d'analyse en amplitude des impulsions pour la détection et la spectrométrie en énergie de
rayonnements (.
M4.2 Caractéristiques et utilisation d'un détecteur à scintillation
Le détecteur à scintillation ou détecteur à scintillateur se présente schématiquement comme
suit : scintillateur + tube photomultiplicateur, en abrégé PMT (Photo Multiplier Tube).
plastique
Dans l'expérience M3 vous avez utilisé un scintillateur plastique ORGANIQUE (lumière
émise lors des désexcitations de grosses molécules organiques = propriété intrinsèque de ces
molécules). Dans cette expérience, le scintillateur sera constitué d’un cristal INORGANIQUE
d’iodure de sodium NaI activé au thallium (Tl)); la lumière ou scintillation est une propriété
du réseau cristallin formé par les molécules et est émise suivant le schéma :
Phys. Nucl. Manip. – spectrométrie γ dét. Scintillations
M4 - 2
Le développement temporel de l’émission de lumière est schématisé à la figure de gauche où
l’on peut remarquer la décroissance exponentielle caractérisée par un temps de relaxation J; la
figure de droite compare le spectre d’émission du NaI(Tl) à celui d’autres cristaux
inorganiques ainsi qu’à la courbe de réponse (efficacité quantique) de la photocathode d'un
tube photomultiplicateur.
Comparons les propriétés du cristal NaI(Tl) à celles d’un scintillateur plastique [Leo 1987]:
Propriété
NaI(Tl)
3,67 g cm−3
@
haut
pouvoir
de
ralentissement
Indice de réfraction
1,775
Point de fusion
650°C
Light output
230%
(comparé à celui de l'anthracène = 100%)
→ rendement lumineux élevé
temps de relaxation τ
230 ns (phosphorescence)
@ assez long
λ correspondant au maximum d'émission 413 nm
réponse du détecteur
linéaire
APPLICATION principale:
spectrométrie (X, γ)
Densité
Hygroscopique :
OUI
@ protégé de l'air ambiant
Plastique NE11A
Dopé @POPOP
1,032 g cm−3
1,58
75°C
55%
1,6 ns (fluorescence)
370 nm
non linéaire
timing rapide
(trigger)
NON
Comparons les caractéristiques d'un détecteur à scintillation à celles d'un compteur de Geiger:
%
rendement (ou efficacité) de comptage plus élevé en ce qui concerne le
rayonnement ( (efficacité d'un scintillateur, fonction de ses dimensions et de l'énergie
des photons, est de quelques dizaines de % pour des énergies de l'ordre du MeV / la
probabilité de conversion des photons dans un milieu gazeux est nettement moindre);
%
proportionnalité entre hauteur d'impulsion et énergie de la particule ou du rayonnement
dans un domaine d'énergie étendu (meilleure linéarité de réponse);
%
durée des impulsions moindre @ capacité de comptage accrue (104 impulsions par
seconde environ).
En Physique Nucléaire, on n'utilise pratiquement plus le scintillateur comme spectromètre de
rayonnement depuis l'avènement des détecteurs à semiconducteur (cf. Manip. 1ière licence). Il
intervient cependant dans beaucoup d'autres applications telles que les spectromètres de paires, les
dispositifs anti-Compton. Il est également utilisé comme compteur $ ou (, préférentiellement au
compteur de Geiger à cause de sa meilleure efficacité et de l'absence de temps mort. En physique des
particules, on l’utilise principalement pour la définition des faisceaux autour des grands accélérateurs
Phys. Nucl. Manip. – spectrométrie γ dét. Scintillations
M4 - 3
(coïncidence entre plusieurs scintillateurs de dimension définie), ainsi que pour le déclenchement de la
lecture des données des détecteurs, ce que l’on appelle le TRIGGER.
M4.3 Electronique de lecture ou électronique associée
Alimentation
HT
Sc
Tube PM
Base
Préamp.
ORTEC
113
Amp.
ORTEC
575A
Sorties possibles :
Sortie dynode linéaire:
spectrométrie
Sortie anode :
timing
Single
Channel
Analyzer
Echelle
de
comptage
Multi
Channel
Analyzer
card inserted
in PC
L'électronique associée à un scintillateur comporte un tube photomultiplicateur, sa base (=
diviseur de tensions pour alimenter les différentes électrodes) et son alimentation haute
tension. Scintillateur et photomultiplicateur sont montés dans un même boîtier opaque à la
lumière.
Il est souvent prévu deux sorties au PMT, l'une en anode, l'autre sur une dynode
intermédiaire du photomultiplicateur; pour une analyse en amplitude, on utilise de préférence
le signal dynode tandis que la sortie anode est plutôt utilisée dans les mesures de timing
(meilleure précision temporelle). La tension de fonctionnement d'un photomultiplicateur est
déterminée via le relevé d’un plateau de fonctionnement (cf. manip #3); une tension
optimale de fonctionnement est généralement indiquée par le constructeur.
L'électronique de lecture comporte un préamplificateur, un amplificateur d’impulsions
suivis d'un système d'analyse en amplitude.
Les modules amplificateur, analyseur à 1 voie (SCA) et échelle de comptage sont insérés dans
un châssis NIM. Le système préamplificateur + amplificateur délivre une impulsion
analogique dont l’amplitude est proportionnelle à celle de l’impulsion d’entrée1. Comme
analyseur d'amplitude, nous utiliserons successivement un analyseur à une voie, puis, un
analyseur multicanal.
1
Le réglage du gain de cette chaîne d'amplification permet de faire correspondre le domaine d'énergie que l'on
désire analyser à la zone de fonctionnement de l'analyseur utilisé.
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1/
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Analyseur à une voie (SCA : Single Channel Analyzer)
fonction : produire une impulsion logique si l’amplitude des impulsions d’entrée est comprise
entre 2 niveaux (U et U+∆U , soit E et E+∆E) que l’on fixe à l’aide de 2 potentiomètres @
Comme un discriminateur, il contient un seuil (dit seuil bas: lower level threshold) en-dessous
duquel les impulsions sont bloquées. Il contient également un seuil “haut” (upper level
threshold) au-dessus duquel les impulsions sont rejetées. L’ouverture entre ces 2 seuils est
habituellement appelée “voie”.
NB Lors de cette manipulation, vous allez utiliser un SCA pour relever un spectre par comptages
successifs dans un intervalle de tension déterminé (intervalle de hauteur d’impulsion déterminé) dont
on fait varier la position sur l'axe de tension. Cette utilisation est purement instructive car à l'heure
actuelle, l’analyseur à une voie n'est plus employé pour le relevé d'un spectre. Cependant, on utilise
toujours ce type de module dans l'électronique associée aux détecteurs (scintillateurs, chambres
proportionnelles, compteurs de „erenkov, etc) comme sélecteur d’impulsions entre 2 limites
d’amplitude.
2/
Analyseur multicanal (MCA : Multi-Channel Analyzer)
♦fonction : analyser l’amplitude des impulsions et la stocker dans un numéro de canal
approprié proportionnel à la valeur de l’amplitude (classer les impulsions suivant leur
hauteur) et ainsi fournir directement une distribution (ou spectre) en amplitude. Cette
distribution représente l'énergie perdue par la particule dans le milieu sensible du détecteur si
le détecteur est linéaire.
♦ Il se présente ici sous forme d’une carte hardware (EG&G ORTEC MCA modèle Spectrum
ACE-2K) et d’un programme (software) MAESTRO II, système fonctionnant sur ordinateur
PC.
Une distribution en énergie peut être ajustée à
une fonction gaussienne centrée sur l'énergie
moyenne <E>
@ la résolution en énergie se définit comme :
FWHM/<E>
rappels : FWHM = Full Width @Half Maximum
déviation standard σ = FWHM/2,36
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M4.4 Manipulation
@ Note sur le plateau de fonctionnement du détecteur
Vous utilisez ici un nouveau type de détecteur : afin de déterminer la tension de
fonctionnement, il faut relever un plateau de comptage; cette étape a été réalisée
@ tension de fonctionnement du PM (comme pour un compteur de Geiger) ≈ 1000 V.
M4.4.1
A.
Relevé du spectre en énergie du 137Cs
Chaîne d'analyse MCA :
1/ faire placer une source de 137Cs dans le château de Pb (briques); rechercher le schéma de
désintégration correspondant @ déterminer l'énergie des γ émis.
2/ mettre le PM sous tension : HT = +1000V
3/ relever le schéma de câblage et observer à l'oscillo (→ décâbler) les impulsions à la sortie
de l'amplificateur afin de vous assurer que l'électronique de lecture fonctionne correctement.
3/ (re-câbler) & relever le spectre en énergie : comptage N = f(n° canal) @PC d’acquisition:
Utiliser le programme “mca” :
> mca RTN ou icône correspondant
menu ACQUIRE (ou ALT A) : START
@ prise de données automatique : la distribution se construit … à l'écran
@ flèches ←↑→↓ pour visualiser au mieux le spectre
@ après un temps d'acquisition ∆t: menu ACQUIRE : STOP suivi de
menu ACQUIRE : MCB>BUUFER
menu FILES (ou ALT F) : SAVE ± Donner un filename.
EXIT TO DOS: > hst filename.chn
@ on obtient fichier filename.kum pour traitement @PAW
4/ observer la forme du spectre obtenu : ressemble-t-il à celui présenté ci-dessous ?
@ en vous aidant des feuilles annexées (traduire passages intéressants ), comprendre l'origine
physique des différentes parties du spectre: raie photoélectrique, bosse Compton,
rétrodiffusion.
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B. Chaîne d'analyse à une voie (SCA) :
1)
2)
3)
4)
5)
relever les différences dans le schéma de câblage par rapport à la chaîne MCA.
régler la largeur de la voie de l'analyseur ∆E au 1/50 de sa valeur à fond d’échelle
(10V) → ∆E = 0,2 V.
mesurer le taux de comptage en fonction du seuil bas (ou position de la voie) du SCA
"E" : le pas sera égal à la largeur de voie (0,2 V); commencer par la valeur minimum
de E (≈0), puis E = 0,2V; 0,4V; 0,6V …. compter pendant 30 s.
Mesurer le taux de bruit de fond; un pas plus grand conviendra (on extrapole le BF
entre 2 mesures).
Tracer la courbe de bruit de fond puis le spectre de la source : taux de comptage [Hz]
corrigé du bruit de fond en fonction de la voie (ou "large canal"). Indiquer la position
du pic photoélectrique, de la bosse Compton et du pic de rétrodiffusion.
M4.4.2
Etalonnage du MCA & vérification de la linéarité.
La mise en fonctionnement d'une chaîne d'analyse en amplitude commence par la vérification
de la linéarité de celle-ci : son étalonnage (ou calibration) en énergie s’effectue au moyen de
rayonnements d'énergie connue. On recherchera donc la fonction liant l'énergie du
rayonnement ( au numéro des canaux de l'analyseur multicanal.
@ chaîne MCA : relevé de spectres pour différentes sources de rayonnements γ.
1)
Rechercher l’énergie des rayonnements ( des sources de 60Co et 22Na (@ tables).
2)
Relever les spectres en amplitude en utilisant les sources 60Co et 22Na.
3)
Imprimer TOUS les spectres (Cs + Co + Na) et les traiter ....
@ utiliser le logiciel PAW pour ajuster des gaussiennes et ainsi déterminer les valeurs
moyennes et sigmas (RMS) des pics présents dans les distributions. Des exemples de fichiers
"template" (extension .kumac) sont proposés dans le répertoire XXX.
@ Repérer la position (n° canal) des raies d'absorption totale, la limite supérieure de la bosse
Compton et le pic de rétrodiffusion. Déterminer également la résolution en énergie des
différentes raies photoélectriques @ présenter les résultats sous forme de tableau.
Evénement
Energie [MeV]
N° canal
Résolution en
énergie (pic ph.)
137
Cs - pic photoélectrique
- limite supérieure bosse Compton
- rétrodiffusion
60
Co - pic photoélectrique
- limite supérieure bosse Compton
- rétrodiffusion
22
Na
- pic photoélectrique
- limite supérieure bosse Compton
- rétrodiffusion
4)
Tracer le graphique d'étalonnage, énergie des rayonnements observés en fonction du
numéro de canal @ vérifier la linéarité et en déduire l'équation d'étalonnage.