Gérard Maurel IFMEM 2005

détecteurs de rayonnements ionisants

détecteurs : plan

I introductionII filmIII détecteurs à gazIV détecteurs à scintillationV spectrométrieVI autres détecteursVII paramètres caractéristiquesVIII conclusion

détecteurs

I introduction1 objectif2 principe3 place des détecteurs dans un service de médecine nucléaire4 techniques5 choix du détecteur

I introduction

1 objectif

- nombre de particules : mesure globale ou individuelle- déterminer leur énergie

I introduction

1 objectif- nombre de particules : mesure globale ou individuelle- déterminer leur énergie

2 principe - interaction rayonnement - matière- production : lumière, e-, énergie

I introduction

3 place des détecteurs de rayonnements dans un service de médecine nucléaire

gamma-caméra

salled’attente

médecin

sonde

vestiairedosimètre

labo chaud

activimètre

mains

informatiqueaccueil

injectionscompteur

I introduction

4 techniques variées : chimique, gaz, solide, liquide

I introduction

5 le choix du détecteur dépend :

a du type de particule :

b de son énergie

c de l'objectif : - image- fixation- calibration dose- radioprotection

I introduction

5 le choix du détecteur dépend :

a du type de particule :

b de son énergie

c de l'objectif : - image- fixation- calibration dose- radioprotection

d du paramètre à mesurer : - nombre de particules (total ou taux/sec) - activité volumique - énergie

détecteurs

I introductionII filmIII détecteurs à gazIV détecteurs à scintillationV spectrométrieVI autres détecteursVII paramètres caractéristiquesVIII conclusion

II film

1 Principe2 applications

II film : activation chimique

radioactivité naturelle : Radium P et M Curie

II film : activation chimique

II film : activation chimique

1 Principe :le rayonnement ionise les sels Ag+Br- la densité Ag+ présensibilisé proportionnelle à l'irradiationréduction des sels d'Ag+ en Ag métalélimination des Ag+ restant

II film : activation chimique 1 principe :

le rayonnement ionise les sels Ag+Br- la densité Ag+ présensibilisé proportionnelle à l'irradiationréduction des sels d'Ag+ en Ag métalélimination des Ag+ restant

- mesure cumulée, usage unique

2 applications :- film dosimètreobligation légale de radioprotection- film radio

détecteurs

I introductionII filmIII détecteurs à gazIV détecteurs à scintillationV spectrométrieVI autres détecteursVII paramètres caractéristiquesVIII conclusion

III détecteurs à gaz

1 principe2 types de détecteurs à gaz

a chambre d'ionisationb compteur proportionnelc Geiger-Müllerd chambre à fil

III détecteurs à gaz1 principe

III détecteurs à gaz

1 principeionisation gaz rare par les particules "ionisantes"les e- libérés sont attirés par l'anode centrale impulsion négative

III détecteurs à gaz1 principeionisation gaz rare par les particules "ionisantes"les e- libérés sont attirés par l'anode centrale impulsion négative

2 types de détecteurs à gaz

productionde chargesélectriques :

fonction de la HT

III détecteurs à gaz

2 types de détecteurs à gaz

a chambre d'ionisationHT = 100 Volts gaz raresignal électrique mesurableà partir d'un grand nombre de particules incidentes

application : activimètre calibrage des doses administrées

III détecteurs à gaz

2 types de détecteurs à gaz

a chambre d'ionisationHT = 100 Volts gaz rare signal électrique mesurable à partir d'un grand nombre de particules incidentes

application : activimètre calibrage des doses administrées

III détecteurs à gaz

2 types de détecteurs à gaz

b compteur proportionnel

HT = 2000 V

1 particule ---> 1 impulsion

amplitude de l'impulsion proportionnelle à l'énergie déposée par la particule

III détecteurs à gaz

2 types de détecteurs à gaz

c Geiger-MüllerHT 3000 V gaz rare + traces de vapeur organique1 particule ---> 1 impulsion : tout ou riensignal indépendant de l'énergie de la particule

applications : faibles activités recherche de contaminationBabyline

III détecteurs à gaz

2 types de détecteurs à gaz

d chambre à filgaz rare sous 3 Atm multiples fils (anodes)localisation sur un axe résolution < 1 mm

application radiographie

détecteurs

I introductionII filmIII détecteurs à gazIV détecteurs à scintillationV spectrométrieVI autres détecteursVII paramètres caractéristiquesVIII conclusion

détecteurs

IV détecteurs à scintillation1 cristal2 photomultiplicateur3 propriétés4 chaîne de comptage

IV détecteurs à scintillation

photomultiplicateur cristal

IV détecteurs à scintillation

1 cristal

photon incident -> cristal INa(Tl)

---> excitation, ionisation

----> excitation du Thallium

----> désexcitation du Tl : fluorescence visible

IV détecteurs à scintillation

2 photomultiplicateur

photons lumineux -> produit quelques électrons

IV détecteurs à scintillation 2 photomultiplicateur

photons lumineux -> produit quelques électrons

multiplication des électrons :

entre chaque dynode une ddp accélératrice (100V) arrache n électrons

coefficient multiplicateur = nnombre de dynode

IV détecteurs à scintillation 2 photomultiplicateur

photons lumineux -> produit quelques électrons multiplication des électrons: entre chaque dynode une ddp accélératrice (100V) arrache n électrons coefficient multiplicateur = nnombre de dynodes

3 propriétés

- 1 photon gamma ---> 1 impulsion - impulsion de sortie négative - impulsion proportionnelle à l'énergie déposée par le photon gamma incident dans le cristal

IV détecteurs à scintillation

4 chaînede comptage

IV détecteurs à scintillation

4 chaînede comptage

a applicationscomptage externespectrométrie

IV détecteurs à scintillation 4 chaîne de comptage

b discriminateur

détecteurs

I introductionII filmIII détecteurs à gazIV détecteurs à scintillationV spectrométrieVI autres détecteursVII paramètres caractéristiquesVIII conclusion

détecteurs

V spectrométrie1 principe2 spectromètre monocanal3 convertisseur analogique-numérique4 spectromètre multicanal

V spectrométrie 1principe

détecteur à scintillation :1 photon gamma ---> 1 impulsionimpulsion proportionnelle à l'énergie déposéedans le cristal

exemple:99mTc: 140 keV dépose 140 keV

V spectrométrie 1 principedétecteur à scintillation :1 photon gamma ---> 1 impulsion proportionnelle à l'énergie déposée dans le cristal

a interactions 99mTc: 140 keV dépose 140 keV

mais :photons diffusés

V spectrométrie 1 principe

détecteur à scintillation :1 photon gamma ---> 1 impulsion proportionnelle à l'énergie déposée dans le cristal

a interactions 99mTc: 140 keV dépose 140 keV

b histogramme :du nombre d'impulsions détectées en fonction de leur amplitude en mVolts

V spectrométrie 1 principe

b histogrammehistogramme du nombre d'impulsions détectées en fonction de leur amplitude en mVolts

spectrethéorique :

nombred’évènements

Amplitude 100 200 mV

V spectrométrie 1 principe

histogramme du nombre d'impulsions détectées en fonction de leur amplitude en mVolts

spectreréel :

nombred’évènements

Amplitude 100 200 mV

V spectrométrie 1 principe

histogramme du nombre d'impulsions détectées en fonction de leur amplitude en mVolts

spectreréel :

V spectrométrie 2 spectromètre monocanal principe : double comparateur sélectionne les impulsions d'amplitude comprise entre seuils inférieur et supérieur

a < V1

V1 < b < V2

c > V2

V spectrométrie 2 spectromètre monocanal principe : double comparateur sélectionne les impulsions d'amplitude comprise entre seuils inférieur et supérieur

applications:- mesure de fixation non parasitée par un autre isotope d'énergie plus élevée- identification d'un spectreenregistrement du spectre en énergie d'un photon gamma, comparaison avec des spectres connus

V spectrométrie

3 convertisseur analogique-numérique

a convertisseur flash

diode

100mV

80mV

60mV

40mV

20mV

a

b

a b

V spectrométrie 3 convertisseur analogique-numérique

b convertisseur à rampe

V spectrométrie 3 convertisseur analogique-numérique

b convertisseur à rampe

0 0 1

V spectrométrie 3 convertisseur analogique-numérique

b convertisseur à rampe

0 0 122

V spectrométrie 3 convertisseur analogique-numérique

b convertisseur à rampe

0 0 1223

V spectrométrie 4 spectromètre multicanal

principe:mesure de l'amplitude de chaque impulsionutilise un convertisseur analogique-numérique

tension ---> valeur numérique

Intérêt : rapide

V spectrométrie 4 spectromètre multicanal

principe:mesure de l'amplitude de chaque impulsionutilise un convertisseur analogique-numériquetension ---> valeur numériqueIntérêt : rapide

applications:* contrôle des sources* réglage des gamma-caméras

V spectrométrie

conclusion : intérêt de la spectrométrie :éliminer les impulsions indésirables : - bruit - rayonnement diffusé - autre isotope - autre source

détecteurs

I introductionII filmIII détecteurs à gazIV détecteurs à scintillationV spectrométrieVI autres détecteursVII paramètres caractéristiquesVIII conclusion

VI autres détecteurs1 semi-conducteurs (jonction)le rayonnement incident mobilise les e- qui vont peupler les trous positifs > production de courant

VI autres détecteurs1 semi-conducteursle rayonnement incident mobilise les e- qui vont peupler les trous positifs > production de courant

- refroidi : Ge-Ligermanium lithiumhaute résolutionpeu sensible

- température ambiante : CdTe (tellure de cadmium)

VI autres détecteurs

2 scintillation liquidemesure rayonnement qui serait sinon absorbés par le milieu

VI autres détecteurs

2 scintillation liquidemesure rayonnement qui serait sinon absorbés par le milieu

3 thermoluminescencerayonnement sur fluorures provoque des défauts stables qui produisent de la lumière par chauffage

VI autres détecteurs

2 scintillation liquidemesure rayonnement qui serait sinon absorbés par le milieu

3 thermoluminescencerayonnement sur fluorures provoque des défauts stables qui produisent de la lumière par chauffage

4 calorimètremesure le dépôt d’énergie

VI autres détecteurs

5 autres scintillateurs solides- CsI(Tl) (Iodure de césium) détection gamma- plastiques scintillants : détection béta- BGO : germanate de bismuth- LSO : oxy-orthosilicate de lutétium

détecteurs

I introductionII filmIII détecteurs à gazIV détecteurs à scintillationV spectrométrieVI autres détecteursVII paramètres caractéristiquesVIII conclusion

VII paramètres caractéristiques d’un détecteur

1 sensibilité fonction de :- type de particule : - énergie des particules- épaisseur du détecteur- masse volumique du détecteur :dépôt d'énergie croit avec masse et épaisseur

VII paramètres caractéristiques d’un détecteur

1 sensibilité fonction de :- type de particule : - énergie des particules- épaisseur du détecteur- masse volumique du détecteur :dépôt d'énergie croit avec masse et épaisseur

2 efficacité géométrique

nombre de particules détectéesnombre de particules émises

VII paramètres caractéristiques d’un détecteur

2 efficacité géométrique

nombre de particules détectéesnombre de particules émises fonction de la géométrie

VII paramètres caractéristiques d’un détecteur

3 temps mort durée impulsion

VII paramètres caractéristiques d’un détecteur

3 temps mortparalysie du comptage> non linéarité

VII paramètres caractéristiques d’un détecteur

4 résolution en énergie

= Largeur à mi-hauteur hauteur du pic PE

15% pour INa

VII paramètres caractéristiques d’un détecteur

4 résolution en énergie

Ge-Li : très bonINa : bonCd-Te : médiocre

INa

VII paramètres caractéristiques d’un détecteur

4 résolution en énergie

Ge-Li : très bonINa : bonCd-Te : médiocre

5 seuil de détection par rapport au bruit de fond :INa : bonCd-Te : médiocre :

détecteurs

I introductionII filmIII détecteurs à gazIV détecteurs à scintillationV spectrométrieVI autres détecteursVII paramètres caractéristiquesVIII conclusion

VIII CONCLUSION suivant le types de détecteurs:

1 activation chimique: film dosimètre

VIII CONCLUSION suivant le types de détecteurs :

1 activation chimique : film dosimètre2 ionisation:

a basse tension: peu sensiblepour grand flux de particules

chambre à ionisationb haute tension

1 impulsion par particuleG-M --> comptage

VIII CONCLUSION suivant le types de détecteurs :

1 activation chimique : film dosimètre2 ionisation: a basse tension : peu sensible, grand flux de particules, chambre à ionisation b haute tension 1 impulsion par particule --> comptage

3 scintillation a solide NaI, BGO, LSO b liquide : détection 1 impulsion par particule proportionnelle à l'énergie