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Compteurs Geiger

Un détecteur très utilisé en dosimétrie, radioprotection, sciences physiques et industrie

Très utilisé en raison de sa portabilité, et sa maniabilité, le compteur Geiger–Mueller est peut-être l’un des instruments de détection des radiations le plus répandu au monde, utilisé en dosimétrie, en radioprotection, dans l’énergie nucléaire et les expériences de physique. Très robuste il est relativement bon marché. Cependant, il ne distingue pas la nature des radiations, ne mesure pas leur énergie. Ses performances sont limitées pour la mesure de taux de radiations élevés.

Un compteur Geiger est constitué le plus souvent d’un tube (l’élément sensible qui détecte les rayonnement), et d’un dispositif électronique d’affichage du résultat. Le tube est rempli d’un gaz inerte, hélium, néon, argon, auquel un fort champ électrique est appliqué, entre la paroi (cathode) et un fil d’anode situé le long de son axe. Dans certains compteurs, la face d’entrée (dirigée vers le point de mesure) est fermée par un matériau léger, perméable aux rayonnement ionisants, généralement une feuille de mica.

Une particule qui traverse le gaz ionise les atomes rencontrés. Les électrons primaires éjectés des atomes sont accélérés par le fort champ électrique régnant dans le tube et se dirigent vers le fil d’anode. Ils excitent et ionisent d’autres atomes du gaz qu’ils rencontrent, produisant des électrons secondaires. Ces électrons secondaires ionisent à leur tour d’autres atomes, éjectant d’autres électrons, et ainsi de suite. L’émission de photons ultraviolets amplifie le phénomène. C’est finalement une avalanche d’électrons qui atteint le fil d’anode et y génère une impulsion électrique très amplifiée.

Une avalanche d’électrons amplifie le signal
Une particule chargée ionise le long de son parcours des atomes du gaz qui remplit le volume du tube. Les ions positifs créés se dirigent vers la cathode, assez lentement car ils sont lourds. Les électrons primaires sont attirés vers l’anode positive, portée à une voltage suffisant. Légers, ils sont accélérés et à leur tour arrachent d’autres électrons aux atomes du gaz. Finalement c’est une avalanche d’électrons qui atteint l’anode. Le nombre de ces électrons devient très élévé. Le facteur multiplicatif par avalanche, va de 1 million à 100 millions. Dans un compteur Geiger le minuscule signal du passage d’une particule , ainsi amplifié, peut être détecté.
© IN2P3 ©

Au final, La quantité de charges électriques collectées (facteur d’amplification global de l’ordre du milliard) est indépendante de l’énergie déposée par la particule initiale. L’avalanche ne permet pas de distinguer la nature de la radiation primaire, ni de mesurer son énergie.

L’impulsion importante électrique résultant de l’effet d’avalanche, simplifie l’électronique des compteurs Geiger, rendant leur fabrication relativement bon marché. Le voltage entre le fil d’anode et la paroi du tube se situe entre 400-900 volts pour de gros tubes. Il est beaucoup plus faible dans le cas des petits tubes des compteurs portables (recours à des piles). Les impulsions sont mises en forme par l’électronique pour être comptées. Le résultat peut être converti en son ( un crépitement» qui permet de suivre la mesure à l’oreille) ou affiché sur un afficheur digital, ou les deux.

Une variété de configurations
Dans le compteur Geiger de gauche, le tube est séparé du boitier assurant l’alimentation électrique, les circuits électroniques et l’affichage des résultats. Dans le petit détecteur de droite, utilisé pour la mesure de débits de doses, tous ces éléments sont réunis dans un seul boitier qui tient dans une main. Le tube Geiger qui se trouve à l’intérieur est petit et nécessite une voltage en proportion.
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Il existe une grande variété de compteurs Geiger. On distingue deux catégories, selon que le tube possède une fenêtre ou non à leur extrémité.

– Tubes avec fenêtre. La fenêtre étant faite avec un matériau peu absorbant comme le mica, des particules bêta peuvent pénétrer dans le tube et y être détectées. Pour la détection des particules alpha, au parcours est très court, la source doit être en quasi contact avec le fenêtre.

– Tubes sans fenêtre. Ces tubes sans fenêtre sont utilisés pour la détection de rayons gamma et X et la mesure de débits de dose. La paroi du tube permet de générer des électrons par effet Compton et effet photoélectrique, lesquels traversant le gaz produisent des avalanches électroniques qui sont détectés.

Modes de lecture

Il existe deux modes de lecture de rayonnement détecté: un simple comptage du rayonnement détecté ; une mesure de la dose de rayonnement reçue.

– 1) Simple affichage des taux de comptage Le taux de comptage est le nombre de rayonnements détectés enregistrés sur une période de temps définie, seconde, minute … Ce mode est normalement utilisé à proximité d’une source émettrice de particules alpha ou bêta.

– 2) Évaluation d’un débit de dose résultant des rayons gamma ou X. Cette évaluation est délicate. La nombre de photons détectés ne suffit pas, car un tube Geiger – Müller ne mesure pas leur énergie, qui entre également dans le calcul des débits de doses reçues. Pour évaluer ces débits de dose à partir des taux de comptage, il est nécessaire d’appliquer une “compensation d’énergie”, qui est effectuée par l’électronique à partir de facteurs correctifs déterminés lors de la conception et l’étalonnage de l’appareil. Cette technique de «compensation d’énergie» consiste à ajouter un écran de matériau absorbant autour du tube. Ce filtre absorbe préférentiellement les photons de basse énergie. L’évaluation de la dose est ainsi “améliorée”.

Composantes d’un compteur Geiger portable
Ces détecteurs portables, très maniables, sont utilisées pour la mesure de débits de dose provenant de rayons gamma et X. On aperçoit au centre les circuits d’électronique et l’écran d’affichage et à droite le tube et le compartiment de batteries. Les petites dimensions du tube font que l’obtention d’un champ électrique suffisant à l’intérieur puisse être obtenu à l’aide de batteries.
© Wikipedia ©

Limitations – Il existe deux limitations principales :

– Le tube ne fait pas la différence entre les types de rayonnement. La réponse d’un tube Geiger – Müller est de la même ampleur quelle que soit la nature du rayonnement,

– l’incapacité de mesurer des taux de rayonnement élevés en raison du “temps mort” des tubes. Un tube devient provisoirement insensible après chaque ionisation du gaz. Durant ce “temps mort” tout autre rayonnement incident n’aura pas d’impact. (NB: Pour étouffer la décharge et en réduire la durée, un peu de gaz halogène ou d’alcool est ajouté au mélange gazeux). Les chambres d’ionisation sont préférées pour des taux de rayonnement élevés.