Chambre D'ionisation

Chambre D'ionisation

Chambre d'ionisation

Une chambre d'ionisation est un détecteur de particules qui repère le passage dune particule en mesurant la charge totale des électrons des ions produits lors de lionisation du milieu (gaz) par la particule.

Description

Pour récupérer les électrons et les ions avant quils ne se recombinent en atomes, la présence dun champ électrique est requise pour les séparer et les faire dériver vers des électrodes. Les charges (électrons et ions) en dérivant induisent des courants sur les électrodes. Ces courants sont détectés par un amplificateur qui produit un signal électrique.

Le nombre moyen de paires délectron-ion produit dans un passage dune particule chargée est donné par la formule de Bethe-Bloch. Les charges détectées par lamplificateur dépendent de plusieurs facteurs, avant tout de la haute tension du champ électrique. Une fois que la tension est assez grande pour empêcher les recombinaisons, les charges dionisation dérivent presque intégralement vers les électrodes. On obtient un signal qui reflète la charge totale dionisation.

Les détecteurs opérant dans cette région, par exemple les chambres à air liquide ont une excellente résolution en énergie et une très bonne linéarité. Mais les signaux sont assez faibles puisquil ny pas damplification des charges dans le détecteur.

Description détaillée

Ce type de détecteur mesure la charge déposée par une particule chargée traversant un milieu ionisable, qui peut être un gaz, un liquide, voire un solide, chacun ayant ses avantages et ses applications.

Une particule chargée suffisamment énergétique est capable d'arracher les électrons des atomes du milieu traversé, c'est le processus d'ionisation. Le nombre moyen de paires délectrons et d'ions primaires ainsi créées par le passage dune particule chargée est donné par la formule de Bethe-Bloch: N = -d.dE/dx / W d est lépaisseur du détecteur, et W lénergie moyenne nécessaire pour créer une paire. Dans les gaz W est de l'ordre de 30 eV.

Dans un détecteur à ionisation, le milieu est plongé dans un champ électrique généré par une paire d'électrodes, généralement de géométrie cylindrique ou plane. Les électrons nouvellement créés se déplacent alors vers l'anode et les ions, vers la cathode. Selon le type d'effet voulu, l'anode peut prendre la forme d'un ou plusieurs fil très fin près duquel le champ électrique devient très intense et les électrons sont accélérés jusqu'à être capables d'ioniser d'autres atomes, créant des électrons secondaires, capables à leur tour d'ioniser des atomes, ceci plusieurs fois de suite. C'est le phénomène d'avalanche.

Les électrons, environ mille fois plus rapides que les ions, sont rapidement capturés par l'anode, mais le courant des ions dérivant vers la cathode induit un signal électrique relativement important sur les électrodes, directement mesuré par un pré-amplificateur qui produit le signal électronique.

Le signal détecté par lamplificateur dépend de plusieurs facteurs, et avant tout du champ électrique appliqué entre les électrodes et, dans le cas d'un détecteur à gaz, de la pression.

Les régions opérationnelles des détecteurs à ionisation sont les suivantes :

  • La région de recombinaison

Lorsque le champ électrique entre les électrodes est faible, les électrons et les ions peuvent se recombiner en atomes aussitôt après leur création. Seule une petite fraction des charges dionisation est détectée par lamplificateur.

  • La région dionisation et les chambres à ionisation

Une fois que le champ électrique est assez fort pour limiter les recombinaisons, les charges dionisation dérivent presque intégralement vers les électrodes. On obtient un signal qui reflète la charge totale dionisation. Les détecteurs opérant dans cette région, par exemple les chambres à argon (Ar) liquide et les détecteurs à semi-conducteurs (Si, Ge), ont une excellente résolution en énergie et le signal mesuré est déjà assez proportionnel à la charge déposée (bonne linéarité). Les signaux sont assez faibles parce quil ny pas damplification des charges dans le détecteur, et des amplificateurs spéciaux à bas bruit sont nécessaires.

  • La région proportionnelle

Si le champ électrique est suffisamment fort (E ~ 104 V/cm), les électrons sont accélérés par le champ électrique et gagnent assez dénergie pour produire des ionisations secondaires. Puisque la probabilité dune ionisation secondaire par unité de longueur (a) est constante pour un champ électrique donné, le nombre total dionisations est proportionnel au nombre dionisations initiales: N = N0 eαd. Le facteur multiplication est donné par M = eαd = 104 à 108. Les détecteurs opérant dans la région proportionnelle sont généralement des détecteurs à gaz, parce que les gaz permettent d'obtenir un grand facteur de multiplication lors de l'avalanche. Lavantage des chambres proportionnelles est quelles nexigent pas délectronique à bas bruit. Elles peuvent être utilisées pour les mesures dénergie, mais la précision est moins bonne à cause de la fluctuation du processus damplification et le facteur de multiplication dépend de plusieurs facteurs denvironnement (tension, température, etc.). Lapplication la plus importante des chambres proportionnelles est la mesure de position, comme les chambres proportionnelles multi-fils (Multi-Wire Proportional Chambers, ou MWPC) et les chambres à dérive. Les chambres à dérive sont idéales comme traceur devant un calorimètre parce que les particules perdent peu dénergie dans les gaz. Les avantages des chambres à gaz incluent un nombre relativement faible de fils d'anode, et une bonne résolution spatiale, de l'ordre de 50 µm, et une construction facile permettant des détecteurs de grande surface.

  • La région Geiger

Lorsque le champ électrique est suffisamment fort, les électrons primaires sont capables d'ioniser dautres atomes très rapidement et une avalanche très intense se produit. De plus, un grand nombre de photons sont créés dans le processus par désexcitation des atomes. Ces photons initient eux aussi des avalanches dionisation par effet photo-électrique, au long du fil danode le champ électrique est le plus fort. Ces avalanches sont suffisamment intenses pour générer une décharge électrique dans le gaz, si puissante qu'elle est audible. Cest le principe du compteur Geiger. La décharge ne sinterrompt que lorsque la charge despace formée par la gaine dions positifs autour de lanode écrante suffisamment le champ électrique autour de celle-ci pour que le processus de multiplication ne puisse plus continuer. Pendant ce temps le détecteur nest plus sensible aux ionisations primaire, ce jusquà ce que les ions aient migré suffisamment loin de lanode. Cest lorigine du temps mort dans le compteur Geiger.

Dans une décharge, le courant danode est saturé. Lamplitude du signal est donc indépendante des charges primaires. Les compteurs Geiger ne peuvent pas mesurer lénergie des particules, mais on les utilise pour compter le nombre de particules le traversant, même aux faibles énergies. Ceci est utile pour les mesures de radioactivité. Le taux maximal mesurable est limité par le temps mort.

  • La région de décharge

Augmenter le champ au-delà de la région Geiger entraîne une décharge continue. Un détecteur nest plus utile sil se trouve dans cette région.

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