Brevet FR2191132A1 — publié le 19740201

La présente invention concerte un procédé de mesure de l'éner- gie de--rayons y très énergétiques, a l'aide d'un dispositif de mesure comportant essentiellement un organe de détection formé de trois détecteurs semiconducteurs de type N-I-P associés à un appareillage électronique approprié. Par ltexpression rayons y très énergétiques", il y a lieu d'entendre des radiations ionisantes d'énergie supérieure à 6 6 1;22.10 électrons-volts capables de provoquer, par interaction avec la matière, l'effet dit "de paires On sait que l'effet de paires ou, plus précisément, "de matérialisation de paires électron-positron", se traduit par llappari- tion de deux charges électriques de signe opposé, un électron négatif et un électron positif ou positron. Ces deux particules emportent, sous forme d'énergie cinétique, l'énergie du rayonnement Y incident, diminuéede la quantité d'énergie nécessaire à la matérialisation, soit 1,022.106 eV. Lors du ralentissement de l'électron négatif, celui-ci abandonne simplement son énergie. L'annihilation du positron est accompagnée de l'émission, suivant une meme direction mais en sens opposé, de deux photons d'énergie égale à 1,022.106 6 2 = 0,511.10 eV Sur l'écran de l'analyseur d'un spectromètre comportant un seul détecteur, l'effet de paires se traduit, pour une radiation monoénergétique, par un spectre présentant trois pics de hauteur variable (un pic représentant, comme on sait, l'enveloppe des amplitudes des impulsions ou coups détectés, caractéristiques d'une énergie donnée, la hauteur du pic traduisant par ailleurs le nombre desdites impulsions) : le pic d'énergie totale correspondant aux quanta d'énergie détectés dont la totalité de l'énergie, après transformation, a été finalement abandonnée dans le détecteur; le pic de premier échappement correspondant aux quanta pour lesquels un des photons engendrés par le positron s'est échappé du détecteur; le pic de double échappement correspondant aux quanta pour lesquels les deux photons engendrés par le positron se sont échappés du détecteur Si le pic d'énergie totale apparaît sur le spectre au niveau d'énergie E, le pic de premier échappement apparaît au niveau d'énergie E - 0,511.106 eV et le pic de double échappement au niveau d'énergie E - 1,022.106 eV. L'analyse de rayonnements pluriénergétiques conduit donc à ltobtention de spectres complexes sur lesquels chaque radiation est représentée par trois pics distincts. De tels spectres sont évidemment difficilement analysables, d'autant que certains des pics émergent à peine d'un fond parasite dû à des effets autres que l'effet de paires, à l'effet COMPTON en particulier. Il va de soi que le pic le plus caractéristique d'une radiation déterminée devrait être le pic d'énergie totale. Pratiquement, avec un spectromètre à un seul détecteur, on constate que le pic de double échappement apparaît sur l'écran de l'analyseur comme le plus élevé, donc le plus visible, tandis que le pic d'énergie totale est relativement beaucoup plus faible, la hauteur du pic de premier échappement s'inscrivant entre les deux limites. Ce résultat est lié à ce que la plupart des photons engendrés par le positron s'échappent du détecteur. Dans le but de clarifier les spectres d'analyse, il a été conçu des dispositifs de mesure éliminant deux des trois pics caractéristiques d'une radiation. Il apparaissait logique, compte tenu de la plus grande hauteur du pic de double échappement, de conserver ce pic de double échappement et d'éliminer les deux autres pics. Un spectromètre visant à ce résultat est décrit dans la revue "NUCLEAR INSTRUMENTS AND METHODS", 1967, volume 48, pp.282-295. Dans ce spectromètre, l'organe de détection comprend un détecteur semiconducteur de type N-I-P (on sait que, dans la structure N-I-P, le détecteur comporte une région de type de conductivité N, une région intrinsèque I où s'opère la détection, formée par compensation au lithium lorsque le matériau de base est de type de con ductivité P, et enfin une région de type de conductivité P), entouré par deux détecteurs scintillateurs à l'iodure de sodium activé au thallium. Le détecteur N-I-P est relié à 11 analyseur à travers une électronique appropriée.Les deux détecteurs scintillateurs, ainsi d'ailleurs que le détecteur N-I-P, sont reliés à une unité "de triple concidence - une porte "et" avec temporisation - connectée à l'analyseur et commandant l'admission ou le rejet des signaux parvenant, du détecteur N-I-P, audit analyseur. Dans ces conditions, ne peuvent être prises en compte par l'analyseur que les impulsions d'énergie, en provenance du seul détecteur N-I-P, se manifestant simultanément - soit en triple coîncidence - avec des impulsions d'énergie apparaissant dans les deux détecteurs scintillateurs. Ce cas correspond à la fuite, hors du détecteur N-I-P, des deux photons dus au positron qui donnent lieu, chacun, à une impulsion respectivement dans chacun des détecteurs scintillateurs. Le spectre d'énergie apparaissant sur l'écran de l'analyseur ne comporte plus que le seul pic de double échappement, à une position correspondant au niveau d'énergie E - 1,022.106 eV de ce pic, pour une radiation y de niveau d'énergie réel E. Le spectromètre décrit ci-dessus présente un double inconvénient. D'une part, il enregistre les radiations étudiées à la position du pic de double échappement et non à la position du pic d'énergie totale correspondant à ces radiations. D'autre part, il gaspille une part importante des impulsions ou coups comptés par les détecteurs en éliminant les impulsions d'énergie correspondant au pic d'énergie totale et, surtout, au pic de simple échappement. La présente invention se propose de remédier en grande partie aux deux inconvénients cités, en fournissant un procédé et un dispositif de mesure mieux adaptés à l'étude des rayonnements y donnant lieu à l'effet de paires. L'invention est basée sur la considération que les détecteurs semiconducteurs du type N-I-P ont un pouvoir de résolution incomparablement plus élevé que les détecteurs scintillateurs organiques. Selon l'invention, un procédé de mesure de l'énergie de rayons y très énergétiques, à l'aide d'un dispositif de mesure comportant essentiellement un organe de détection formé de trois détecteurs semiconducteurs de type N-I-P associés à un appareillage électronique approprié, est remarquable en ce que les impulsions d'énergie recueillies aux bornes desdits détecteurs sont traitées en coincidence somme. Avantageusement, dans le dispositif de mesure, un premier détecteur est disposé entre les deux autres placés symétriquement par rapport audit premier détecteur. Le traitement des impulsions en coincidence somme implique que soient prises en compte par l'analyseur du dispositif de mesure, les impulsions enregistrées par au moins deux des trois détecteurs (pour alléger le langage, il est convenu d'appeler détecteur 1 le détecteur central, les autres détecteurs étant appelés indifféremment soit détecteur 2, soit détecteur 3). Trois cas de coîncidence sont alors possibles : 1+2, 1+3, 1+2+3. L'éventualité 2+3 est à écarter, car elle entraîne nécessairement 1+2+3, une impulsion ne pouvant être enregistrée dans 2 et 3 sans qu'une impulsion synchrone apparaisse dans 1 (au titre du seul effet de paires s'entend). Le premier cas de coîncidence (1+2) correspond à l'éventualité où l'un des deux photons engendrés par le positron est capté par le 6 détecteur 2 où il abandonne son énergie de 0,511.10 eV, tandis que l'autre photon reste dans le détecteur l où il a été engendré e-t y restitue son énergie, également de valeur 0,511.106 eV. L'analyseur prend alors en compte la somme en double coïnci- dence - des énergies apparues dans chacun des détecteurs 1 et 2, soit : (Fénergie totale - 0,511.106 eV) dans le détecteur 1 + (0,511.106 eV) dans le détecteur 2 = E Le coup est donc enregistré sur l'écran de l'analyseur à la position du pic d'énergie totale. Le deuxième cas de confidence (1+3) est à l'image du cas précédent. Il correspond à l'éventualité où l'un des deux photons demeure dans le détecteur 1, tandis que l'autre photon est capté par le détecteur 3, le détecteur 2, dans ce cas, n'étant le siège d'aucune impulsion. L'analyseur enregistre également un coup dans le pic d'énergie totale. Le troisième cas de confidence (1+2+3) est celui pour lequel les deux photons échappent au détecteur 1 et sont captés, l'un par le détecteur 2, l'autre par le détecteur 3. L'énergie transmise à l'analyseur est la somme - en triple colncidence - des énergies partielles apparues dans les trois détecteurs, soit (E - 1,022.106 eV) dans le détecteur 1 + (0,511.106 eV) dans le détecteur 2 + (0,511.106 eV) dans le détecteur 3 = E Dans cette éventuelité, il est donc encore enregistré un coup dans le pic d'énergie totale. L'avantage majeur du procédé de mesure selon l'invention par rapport aux procédés de mesure antérieurement utilisés est sa plus grande efficacité qui conduit à une très nette augmentation du rap port : hauteur de pic hauteur du fond parasite , sur l'écran de l'analyseur. Pratiquement, ce rapport est multiplié par un facteur 2 à 3. L'augmentation d'efficacité est liée principalement à ce que les coups qui apparaissent dans le pic de simple échappement sur les écrans analyseurs des spectromètres ne comportant qu'un seul détecteur ou qui sont simplement éliminés dans les spectromètres du type décrit dans la revue "NUCLEAR INSTRUMENTS AND METHODS" précitée, sont pris en compte et sommés dans le pic d'énergie totale selon le procédé de mesure de l'invention. La nécessité de la coîncidence fait que l'énergie qui apparaîtrait directement et uniquement dans le pic d'énergie totale (ce qui correspond au cas où les photons engendrés par le positron sont -annihilés dans le détecteur 1 et où, par conséquent, seul le détecteur 1 est le siège d'impulsions) ne peut être enregistrée. Mais la perte d'efficacité correspondante est relativement très faible, car il est rare que les deux photons nés du positron demeurent dans le détecteur 1 et de ce -fait, ainsi qu'il a été noté précédemment, le pic d'énergie totale, dans un relevé où les trois pics sont visibles, est, de beaucoup, le plus faible. Il y alieu de remarquer d'ailleurs que, dans les dispositifs de mesure de l'art antérieur, le pic d'énergie totale est également éliminé, et, en plus, le pic de simple échappement. Un second avantage du procédé de mesure selon l'invention, intéressant sur le plan de la clarté de l'interprétation de l'enre- gistrement obtenu sur l'écran analyseur, est que le pic caractéristique d'un rayonnement y monoénergétique déterminé apparaît à la position du pic d'énergie totale et que le spectre rend ainsi compte de l'énergie vraie dudit rayonnement. Par ailleurs, il est à remarquer que le dispositif de mesure permettant la mise en oeuvre du procédé de mesure selon l'invention, bien que ne comportant aucun appareil électronique jusque-là inusité dans le domaine de l'étude des rayonnements y , est cependant caractéristique en ce sens qu'il est équipé d'un organe de détection comprenant trois détecteurs semiconducteurs N-I-P et, à ce titre, fait également expressément partie de l'invention. Les trois détecteurs peuvent être soit disposés sur trois cristaux semiconducteurs indépendants, soit groupés en tout ou partie sur un même bloc cristallin, pourvu que leur disposition réciproque soit telle que le détecteur 1 soit positionné entre les deux autres détecteurs, cette disposition donnant évidemment au système son efficacité optimum. Avantageusement, les trois détecteurs sont groupés ainsi qu'il est décrit dans une demande de brevet déposée simultanément avec la présente demande, au nom de la Demanderesse, sous le titre "Dispositif de détection semiconducteur pour rayonnements ionisants". L'intérêt d'utiliser, dans le dispositif de mesure selon l'in vention, un organe de détection formé strictement de détecteurs semiconducteurs à l'exclusion de détecteurs scintillateurs apparat clairement. Les détecteurs semiconducteurs ont, en effet, un pouvoir de résolution élevé comparé à celui des détecteurs scintillateurs. La combinaison de détecteurs semiconducteurs en coincidence somme, utilisés selon le procédé de l'invention pour l'analyse de rayonnements y complexes, permet d'obtenir des spectres très sélectifs, alors que cette même combinaison, utilisée dans les mêmes conditions avec des détecteurs scintillateurs, donnerait des spectres où plusieurs pics seraient confondus et intégrés sous une même enveloppe, très étalée sur l'échelle des niveaux d'énergie. La description qui va suivre, donnée à titre d'exemple non limitatif, d'un dispositif de mesure permettant de mettre en oeuvre le procédé de mesure, selon l'invention, de l'énergie d'un rayonnement y très énergétique, fera bien comprendre ledit procédé. Ce dispositif de mesure est représenté, de façon simplifiée et schématique, sur la figure unique jointe au présent mémoire. Sur cette figure, on voit en 1 le premier détecteur placé dans une position centrale par rapport aux deux autres détecteurs 2 et 3 disposés de façon sensiblement symétrique par rapport au détecteur 1. Les trois détectaurs 1,2,3, sont des détecteurs semiconducteurs de type N-I-P. Chaque détecteur est relié, respectivement par une ligne 11, 12, 13, à un préamplificateur 21, 22, 23, qui opère l'amplification et la mise en forme convenables des impulsions électriques reçues. Les sorties des préamplificateurs 21, 22, 33 sont connectées respectivement par les lignes 31, 32, 33, aux entrées d'un amplificateur additionneur 4. Par ailleurs, chaque détecteur est relié, respeetivement par une ligne lita, 12a, 13a, à une unité de sélection 41, 42, 43, chargée de repérer les impulsions d'énergie en fonction de leur position dans le temps. Les sorties des unités 41, 42, 43, respectivement par les lignes 51, 52, 53, sont connectées aux entrées d'une unité de coincidence temps 5, qui sélectionne les signaux temps apparaissant en coincidence dans les détecteurs soit 1 et 2, soit 1 et 3, soit 1, 2 et 3. L'amplificateur additionneur 4 d'une part, l'unité de conci- dence 5 d'autre part, respectivement par les lignes 14 et 15, attaquent un circuit 6 réalisant la fonction logique "et" qui, lui-même, donne accès à l'entrée ou verrouille l'entrée, suivant le cas, de l'analyseur 7. Le fonctionnement du dispositif décrit ci-dessus est aisément analysé. Pour cela, examinons les différents cas possibles Dans un premier cas, il est supposé,que toute l'énergie d'un quantum incident est absorbée dans le détecteur central 1, cette énergie totale E étant la somme de l'énergie cinétique abandonnée par la paire électron-positron à l'annihilation, soit E - 1,022.106 eV, et de l'énergie : 1,022.106 eV des deux photons engendrés par ledit positron. Dans ce cas, l'unité. de confidence 5 n'enregistre qu'un signal isolé - il n'y a donc pas coincidence et le circuit 6 empêche l'impulsion d'énergie correspondante, transmise à l'amplificateur additionneur 4, d'atteindre l'analyseur 7. Dans un second cas, il est supposé que l'énergie du quantum incident est absorbée partie dans le détecteur 1, partie dans le détecteur 2 ou dans le détecteur 3. L'énergie totale E se partage iors en deux parties, dont l'une (E - 0,511.106 eV) est dissipée dans le détecteur 1 et donne lieu à une impulsion, et l'autre (0,511.106 eV), égale à l'énergie d'annihilation d'un des deux photons du positron, est captée, soit par le détecteur 2, soit par le détecteur 3 et donne lieu également à une impulsion, en phase avec le première. Dans ce second cas, l'unité de confidence 5 enregistre deux signaux en coincidence, l'amplificateur 4 additionne les deux impulsions d'énergie qui lui arrivent et le résultat, proportionnel à E (cette proportionnalité étant entraînée par les amplifications), est transmis à l'analyseur 7, le circuit 6 étant alors ouvert. Le dernier cas possible -celui où l'énergie incidente E se partage en des énergies partielles : E - 1,022.106 eV dissipée dans le détecteur 1, 0,511.106 eV captée par le détecteur 2, et 06 eV captée par le détecteur 3- entralne l'addition, par l'amplificateur additionneur 4, d'impulsions dont le total est proportionnel à E, qui sont prises en compte par l'analyseur 7 du fait que la triple coîncidence constatée en 5 permet que le circuit 6 soit déverrouillé. - REVENDICATIONS 1.- Procédé de mesure de l'énergie de rayons y très énergétiques, à l'aide d'un dispositif de mesure comportant essentiellement un organe de détection formé de trois détecteurs semiconducteurs de type N-I-P associés à un appareillage électronique approprié, caractérisé en ce que les impulsions d'énergie recueillies aux bornes desdits détecteurs sont traitées en coincidence somme. 2.- Procédé de mesure de l'énergie de rayons y très énergétiques selon la revendication 1, caractérisé en ce que les impulsions d'énergie recueillies aux bornes de chacun des trois détecteurs sont préamplifiées séparément et ajoutées dans un amplificateur additionneur. 3.- Procédé de mesure de l'énergie de rayons y très énergétiques selon l'ensemble des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que les impulsions d'énergie recueillies aux bornes de chacun des trois détecteurs sont sélectionnées en coîncidence double ou triple en fonction de leur position dans le temps. 4.- Dispositif pour mise en oeuvre du procédé de mesure selon l'ensemble des revendications 1 d 3, caractérisé en ce qu'il comporte trois détecteurs semiconducteurs de type N-I-P disposés de telle sorte qu'un premier détecteur est entouré par les deux autres placés symétriquement par rapport audit premier détecteur. 5.- Dispositif de mesure selon la revendication 4, caractérisé en ce que chaque détecteur est relié individuellement à un préamplificateur et les sorties de chaque préamplificateur aux entrées d'un amplificateur additionneur, et en ce qutil comprend des moyens techniques pour traiter, en coïncidence double ou triple, les impulsions d'énergie parvenant-audit amplificateur additionneur.