Brevet FR2055792A1 — publié le 19710430

La présente invention a pour objet un spectromètre de rayonnements gamma fonctionnant dans un grand domaine d'énergie, principalement dans les basses énergies. Cet appareil permet la mesure d'énegie de rayonnements gamma soit séparément, soit simultanément dans plusieurs gammes d'énergie. Pour mesurer l'énergie dans rayonnement il faut d'abord qu'il donne lieu, en interagissant avec la matière constituant la partie active du détecteur, à un phenomène que l'on peut mettre en évidence avec des moyens connus et que les effets de ce phénomène soient proportionnels à la quantité mesurée. Plus particulièrement, un rayonnement gamma peut subir trois types d'interaction distincts avec la matière. Le premier est un effet photo électrique dans lequel un électron peut etre arraché du cortège électronique d'un atome du corps absorbant le rayonnement. L'énergie cinétique communiquée à l'électron est alors égale à la différence de l'énergie du rayonnement incident et de l'énergie de liaison de l'électron dans l'atome considéré. Pour une substance donnée, ces électrons sont monocinétiques. L'éjection d'un électron, provenant principalement des couches internes, est suivie d'un réarrangement du cortège électronqiue ce qui donne lieu, en général à une émission de rayons X caractéristiques de l'atomes perturbé ou à l'éjection d'un électron des couches externes, Tout l'énergie incidente est alors absorbée dans le détecteur et, spectrométrie, on obtient un pic "photoélectrique" correspondant à l'effet du rayonnement gamma incident. La section efficace de l'effet photoélectrique diminue lorsque l'énergie du rayonnement gamma incident augmente, sa valeur est surtout importante pour les faibles énergies (elles est négligeable pour des énergie supérieure à 1 MeV). Le deuxième type d'interaction est 3'effet Compton qui est une dif- fusion du rayonnement gaina incident avec une augmentation de sa longueur d'onde. La diffusion a lieu sur un électron d'une couche périphérique du cortège électronique d'un atome d'absorbant Cet électron emporte une fraction de énergie incidente, sous forme d'énergie cinétique. L'autre fraction est emportée par le rayonnement gamma diffuse et son energie est déterminée en fonction de l'énergie incidente et de l'angle de diffusion, De nombreuses interactions sont nécessaire avant que toute l'énergie du rayonnement gamma soit absorbée dans le détecteur et souvent le rayonnement gamma s'échappe avant d'être complètement absorbé.En spectrométrie, on obtient alors un fond continu important s'étendant de l'énergie zéro à une énergie légèrement inférieure à celle correspondant à la position du pic photoélectrique. La section efficace de diffusion par effet Compton diminue lorsque l'énergie du rayonnement gamma incident augmente mais @@@ ou a @@ rapidement que pour l'effet photoélectrique. L'effet photoélectrique est prédominant pour des gamma dont l'énergie est inférieure a 100 keV, tandis qu'entre 100 keV et 5 MeV, l'effet Compton devient prépondérent. Enfin, le troisième type d'interaction est la production d'une paire de position et d'électron. Pour que ce phénomène apparaisse, il est nécessaire que l'énergie incidente soit au moins égale au double de l'équivalent énergétique de la masse de l'électron, soit 1,02 MeV; le supplément de l'énergie étant emporté par l'électron et la position sous forme d'énergie cinétique. L'électron est absorbé dans le détecteur et la position s'anihile avec un électron pour donner naissance à deux rayonnements de 0,511 MeV qui peuvent être à leur tour absorbés dans le décteur. La section efficace de l'effet de création de paires augmente lorsque l'énergie du rayonnement gamma augmente et sa valeur ne devient non négligeable, mais reste cependant petite, qu'à partir de 2 MeV. Dans la gamme d'énergie du spectromètre, objet de la présente invention, cet effet peut donc être négligé. Les détecteurs les mieux adpatés actuellement à la spectromètrie des rayonnements gamma sont ceux à semi-conducteur au germanium compensé en lithium, que l'on note Ge(Li), car ils présentent une excellente résolution en énergie avec une assez bonne efficacité. Cependant ils présentent un inconvénient majeur qui est le suivant: leur réponse à un rayonnement gamma monoénergétique ne se traduit pas par l'appui sur l'appareil de mesure (analyseur multicanaux) d'un seul pic de faible largueur à mi-hauter mais par un fond continu importent dû aux diffusions Compton et par un pic photoélectrique.Lorsqu'il s'agit d'un seul rayonnement manocinétique, il n'y a aucune difficulté mais lorsque plusieurs rayons gamma sont présents simultanément, les différents pics photoélectriques qui permettent de déterminer leurs énergies n'émergent pas suffisamment du spectre et toute mesure est difficile sinon impossible. Il devient alors indispensable d'éliminer au maximum le fond Compton pour ne guider que les pics photoélectriques. Cette opération est tout particulièrement nécessaire pour la détection de rayons gamma de faible énergie en présence de rayonnement de grande énergie. Jusqu'ici deux méthodes ont été proposées. La première fait appel à un dispositif comprenant un scintillateur ayant la forme d'un cylindre percé, suivant son axe, d'un tunnel dans lequel est placé un détecteur Ge(Li). D'un côté de scintillateur pénètre dans lequel logé dans un cryostat permettant d'assurer les condit- on-s de vide et de température nécessaire à sa conservation et à son fonctionnement et de l'autre les rayons gamma. Un rayonnement énergie suffisante donne lieu soit à un effet photoélectrique, soit à une ou plusieurs interactions Compton. Dans ce dernier cas, le rayon gamma n'est absorbé qu'en partie par le semi-conducteur et est détecté par le scintillateur.Un circuit d'anticcincidence placé à la sortie du détecteur Ge(Li) et à celle d'un photomultiplicateur recevant la lumière émise par le scintillateur permet d'éliminer simplement les événements ayant donné lieu, dans le semiconducteur, à une diffusion Compton et par suite de réduire le fond Compton. Cependant, du fait de la géométrie utilisée pour l'ensemble "détecteur Ge(Li)-scintillateur", les rayons diffusés vers l'avant et vers l'arrière, dans l'axe du canal, ne sont pas détectés par le scintillateur. De plus, lorsque l'énergie du rayonnement incident augmente, la diffusion s'effectue préférentiellement sous des angles petits. Ceci se traduit par une diminution de la réduction du fond Compton pour les basses énergies. Pour un spectre complexe allant jusqu'à 3 MeV, cette réduction est particulièrement faible pour la partie du spectre correspondant à des énergies inférieures à 200 keV. En conséquence, ce dispositif ne peut être utilisé pour des énergies comprises approximativement entre 20 et 500 keV. La deuxième méthode utilise deux détecteurs Ge (li) accolés, placés bout à bout dans la direction des rayons gamma à détecter. Lorsqu'une interaction Compton a lieu dans le premier détecteur, le rayon gamma diffusé est détecté dans le deuxième. Dans ce cas, un circuit de coïncidence placé à la sortie des deux détecteurs ouvre la porte d'un analyseur dont l'entrée est connectée à un circuit effectuant la sonne des deux signaux provenant des détecteurs. On mesure ainsi énergie totale du rayonnement gamma incident (somme des énergies absorbées dans le premier et le deuxième détecteur).' Cette méthode donne une borne réduction du fond Compton et présente l'avantage de donner un fond résiduel très plat. Par contre, l'efficacité de ce dispositif chute brutalement au-dessous de 300 keV et ne peut donc être utilisé pour les rayons gamma de faible énergie. La présente invention fournit un dispositif correspondant mieux que ceux de l'art antérieur aux exigences de la pratique, notamment-en ce qu'il permet de mesurer des énergies de rayons gamma s'étendant de quelques dizaines de keV à plusieurs MeV. De façon plus précise, l'invention propose un spectromètre de rayonnement gamme caractérisé en ce qu'il comporte un ensemble de deux détecteurs à semi-conducteur au Germanium compensé au Lithium logés dans un cryostat, l'un des deux détecteurs étant de faible épaisseur, un scintillateur entourant ledit ensemble et associé au point a un pheromultiplicateur et des moyens d'analyse des impulsions electriques fournies par lesdits détecteurs à semi-conducteurs et ledit photomultiplicateur. L'invention sera mieux comprise à sa lecture de la description qui suit de modes d'exécution de l'invention, donnés à titre d'exemple non limitatifs. La description se réfère aux dessins qui l'accompagnent dans les quels la la Fig. 1 représente le dispositif de détection des rayonnenments, la Fig 2 représente la double diode à semi-conducteur et et les Fig. 3 et 4 représentent les blocs diagrammes des circuits d'analyse des signaux fournis par les différents détecteurs. Le dispositif de détection, tel qu'il est représenté sur la figure 1 comprend une double diode formant deux détecteurs à semiconducteur Ge(Li) accolés 1 et 2 respectivement mince et épais suivant la direction des rayons gamma incidents. Seuls les rayons gamma de faible énergie sont donc absorbés complètement par le détecteur 1 du fait de sa faible épaisseur. La double diode est logée dais un cryostat 3 Un scintillateur cylindrique 4 entoure le cyrostat 3. Pour ce faire, un tunnel a été percé dans le scintillateur 4 suivant son axe. Les rayons gamma à analyser pénètrent par l'extrémité 5 du tunnel et le cyrostat par l'autre extrémité 6.Des moyens non représentés permettent d'une part de polariser les détecteurs 1 et 2 et d'autre part d'extraire hors du cyrostat les signaux de sortie des détecteurs 1 et 2. Des photomultiplicateurs non représentés détectant la lumière émise par le scintillateur 4. Etant donne la difficulté de réalisation des deux détecteurs accolés 1 et 2, qui ont pour caractéristique principale d'être respectivement mince et épais, on a jugé préférable (Fig. 2) de réaliser directement l'ensemble à partir d'une seule diode à semi-conducteur Ge(Li). La diode initiale est formée à partir d'un cylindre 7 de Germanium, de type p, dans lequel on a fait diffuser suivant une certaine profondeur du Lithium, de type n, à partir de la surface latérale du cylindre. La zone 8, vierge de Lithium, est donc de type p; elle est au coeur du cylindre 7 et de forme sensiblement cylindrique. Son diamètre est d'environ 6 mm de Lithium en excès à la surface du cylindre 7 forme une couronne extérieure 9 de type n, d'épaisseur très faible, 400 environ.L'espace 10 compris entre les deux zones 8 et 9 est de type intrinsèque, les impuretés n de Lithium ayant composés le Gemanium p. Son épaisseur est d'environ 11 mm. La diode ainsi obtenue est coaxiale. Pour réaliser une double diode, ou deux détecteurs accolés, à partir de la diode décrite ci-dessus, il suffit de creuser un silicon sur toute la surface du cylindre 7 et perpendiculairement à l'axe dudit cylindre sur toute l'épaisseur de la zone 9 de type n jusqu'à la zone intrinsèque 10. On peut, par ce moyen, obtenir facilement un détecteur mince (8 mm dans la réalisation décrite ici) accolé à un détecteur épais (52 mm). Des électrodes de polarisation et de sortie sont fixées sur les zones 8 et 9. Le coef ficient de diffusion du Li dans le Ge étant relativement élevé à température ambiante, il est nécessaire de conserver la double diode dans mm cryostat. De plus, l'abaissement de température diminue considérablement le bruit de fond des détecteurs. Le scintillateur utilisé est un scintillateur plastique (diamètre de 450 mm et longueur de 400 mm). Ce type de scintillateur a été employé pour des raisons de comnodité et de prix de revient du dispositif car il permet de reduire au minimum la perte des germ@@ @@ @@@@@ les parois du tunnel. La partie du tunnel occupé par le cryostat @ 250 mm. Le diamètre du tunnel à l'entrée 5 des rayons gamma est de 40 mm et à l'entrée 6 du cryostat est légèrement supérieur à celui du cryostat soit 80 mm. Les signaux de sortie des différents déetecteurs peuvent être traités de deux façons, suivant que l'en desire soit analyser des rayons gamma de base énergie en présence de rayonnements d'énergie plus élévée, soit utiliser le dispositif en spectrométrie d'absorption totale pour l'analyse des rayons gamma dont l'énergie varie de 500 keV environ à plusieurs MeV. Dans le premier cas (Fig. 3) la sortie mélangée des photomultiplicateurs associés au scintillateur 4 et les sorties des détecteurs Ge (Li) 2 et 1 sont connectés respectivement aux entrées 11, 12 et 13 d'un circuit électronique 14 permettant de metre en anticoïncidence le détecteur 1 avec le détecteur 2 et le scintillateur AC et C désignant respectivement des anticoïncidences et des coïncidences. Seuls les signaux fourmis per le détecteur 1, provenant de rayons gamma de basse énergie et donc absorbés complètement par le détecteur 1, traversent la porte P et sont analysés par l'analyseur 15. En effet, les signaux fournis par le détecteur 1, provenant des rayons gamma d'énergie plus élevée qui donnent des interactions Compton dans le détecteur 1 dont les gamma diffusés sont détectés par le détecteur 2 or le scintillateur, sont éliminés. le détecteur 2 permet d'une part, de détecter les gamma diffusés vers l'avant et par suite d'éliminer dans le spectre de fond Compton vers les basses énergies, d'autre part d'éliminer le pic de rétrodiffusion des rayons gamma incidents. Ce pic de rétrodiffusion, qui apparaître dans le spectre délivré par le détecteur 1, correspond, en effet, pour ce montage, aux gamma incidents rétrodiffusés par le détecteur 2, par suite l'anticoïncidence entre 1 et 2 permet de l'éliminer. dans le deuxième cas (figure 4), la somme @@ des signaux provenant des détecteurs 1 et 2 sont analysés, à l'aide du circuit 16, de la porte P et de l'analyseur 15, s'il y a coïncidence C entre 12 et 13 et anticoïncidence AC avec 11. Lorsqu'une interaction Compton intervient dans l'un des détecteurs 1 et 2 et que le gamma diffusé est détecté dans l'autre, l'énergie totale laissée dans la double diode est alors analysée. La probabilité d'avoir une absorption totale dans un seul détecteur devenant prépondérente pour des gamma de basse énergie, l'efficacité du systéme devient très faible dans ce cas et par suite son domaine de fonctionnement va approximativement de 500 keV à quelques MeV. Il va sans dire que la présente invention ne se limite pas aux seuls modes dde réalisation qui ont été représenté et décrite à titre d'exemple et que la portés du présent brevet s'étend également aux variantes du tout ou partie des dispositions décrites restant dans le cadre des équivalences ainsi qu'à d'autres applications de telles dispositions. En particulier, un seul montage électronique très simple permet de coupler les circuits représentés sur les Fig. 3 et 4 et de mesurer simultanément des énergies de rayons gamma allant de quelques dizaines de keV à plusieurs MeV. REVENDICATIONS 1. Spectromètre de rayonnements gamma fonctionnant dans un grand domaine d'énergie, et principaRement vers les basses énergies, caractérise en ce qu'il comporte un ensemble de deux détecteurs à semi-conducteur au Germanium compensé au Lithium logés dans un cryostat, l'un des deux détecteurs étant de faible épaisseur, un scintillateur entourant ledit ensemble et associé à au moins un photomultiplicateur, et des moyens d'analyse des impulsions électriques fournies par lesdits détecteurs à semiconducteurs et ledit photomultiplicateur. 2. Spectromètre suivant la revendication 1 caractérisé en ce que les deux dits détecteurs à semiconducteur sont constitués d'une double diode à semiconducteur coaxiale, au Germanium compensé au Lithium, ayant la forme d'un cylindre, un sillon creusé sur toute la surface latérale dans un plan perpendiculaire à l'axe dudit cylindre et sur une profondeur au moins égale à l'épaisseur de la zone de type n dédoublant ladite diode et formant ainsi deux détecteurs accolés. 3. Spectromètre suivant la revendication 1 caracterisé en ce que lesdits moyens d'analyse comprennent des circuits de coïncidence et d'anticoïncidence permettant de mettre les signaux issus dudit détecteur à semiconducteur de faible épaisseur en anticoïncidence avec ceux fournis par l'autre détecteur à semiconducteur et par ledit photomultiplicateur. 4. Spectromètre suivant la revendication 1 caractérisé en ce que lesdits moyens d'analyse comprennent un circuit "somme" faisant la somme des signaux issus des deux détecteurs à semiconducteur et des circuits d'anticoïncidence et de coïncidence permettent de mettre en coïncidence les signaux issus desdits détecteurs à semiconducteur et en anticoïncidence le- signaux fournis par ledit photomultiplicateur avec ceux desdits détecteurs semiconducteur.