3.7 Détecteurs d'ionisation à gaz

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En provenance du cours de University of Geneva

Physique des particules - une introduction

53 notes

University of Geneva

Physique des particules - une introduction

53 notes

Ce cours vous introduit à la physique subatomique, c'est à dire à la physique du noyau et à celle des particules élémentaires. Plus spécifiquement les questions adressées sont les suivantes : - Quels sont les concepts de la physique des particules et comment sont-ils implémentés? - Quelles sont les propriétés du noyau atomique et comment peut on les utiliser? - Comment accélérer et détecter des particules et mesurer leurs propriétés? - Qu’est-ce qu’on apprend à partir des réactions de particules à haute énergie et leurs désintégrations? - Comment fonctionnent les interactions électromagnétiques et comment peut-on les mettre à contribution? - Comment fonctionnent les interactions fortes et pourquoi sont-elles difficiles à comprendre? - Comment fonctionnent les interactions faibles et pourquoi sont-elles spéciales? - Quelle est la masse des objets au niveau subatomique, et comment y intervient le Higgs? - Que peut-on apprendre de la physique des particules concernant l’astrophysique et l’Univers tout entier? Le cours est structuré en sept modules. Suivant le premier module qui introduit notre sujet, les modules 2 (Physique nucléaire) et 3 (Accélérateurs et détecteurs) dépendent peu du reste du cours et peuvent être étudiés séparément. Les modules 4 à 7 approfondissent les notions de la matière et des forces élémentaires.

À partir de la leçon

Accélérateurs et détecteurs

Dans ce module, on va toucher les bases de la physique des accélérateurs et des méthodes de détection pour les particules. On passera en revue les principes de l'accélération et focalisation de particules chargées par les champs électromagnétiques. On verra comment ces principes sont appliqués dans les accélérateurs et anneau de stockage modernes. Vous serez introduit aux processus physiques qui permettent de détecter les différents types de particules et comment ils sont utilisé dans des détecteurs modernes.

3.7 Détecteurs d'ionisation à gaz10:43

Rencontrer les enseignants

Martin Pohl
Professeur ordinaire
Département de physique nucléaire et corpusculaire
Mercedes Paniccia
Collaboratrice scientifique
Département de Physique Nucléaire et Corpusculaire

[MUSIQUE] Dans ce module de notre cours d'introduction,

on a d'abord

commenté les méthodes d'accélération des particules,

et on est maintenant en train de discuter la détection des particules.

Dans cette vidéo et la prochaine,

nous discuterons des techniques de détection des particules chargées.

En premier, on parle des détecteurs d'ionisation en général

et ceux à gaz en particulier.

La détection des particules chargées se base sur

l'ionisation à excitation du matériau.

Alors, les détecteurs d'ionisation détectent le passage d'une particule

chargée en mesurant la charge totale des électrons et/ou des ions

qui ont été créés par l'ionisation du matériau.

Ce matériau peut être un gaz, un liquide ou même un solide.

Pour récupérer les électrons et les ions,

avant qu'ils ne se recombinent en atomes, il faut un champ

électrique qui les séparent et qui les fait dériver vers des électrodes.

Les charges induisent aux électrodes un petit courant qui peut

être détecté à travers un amplificateur qui produit un signal électrique.

Le nombre moyen de paires d'électrons-ions produit lors du passage,

est donné par la formule de Bethe-Bloch qui vous donne le dE par dx,

fois l'épaisseur que la particule travers,

fois l'énergie nécessaire pour produire une paire d'électrons ions.

Dans un gaz, cette énergie est typiquement de l'ordre de 30 électron-volts.

Le nombre de charges détectées dépend de plusieurs facteurs techniques, avant tout,

de la haute tension qui est appliquée à ce type de condensateur, si vous voulez.

Ceci distingue les régions d'opérations dont les plus importantes sont

celles de l'ionisation, celles de la proportionnalité, et celle de Geiger.

Dans la région d'ionisation,

quand la tension est assez grande pour empêcher la combinaison,

les charges d'ionisation dérivent presque toutes vers les électrodes.

Le signal obtenu reflète donc la charge totale d'ionisation.

Le désavantage de cette région est que le signal est relativement faible

parce qu'il n'y a pas d'amplification des charges dans le détecteur lui-même.

On doit donc utiliser des amplificateurs spéciaux avec un bruit très bas

et un taux d'amplification haut.

L'avantage est qu'il y a une excellente résolution d'énergie et une très bonne

linéarité avec l'énergie perdue par la particule.

L'utilité de cette région est dans les chambres à ionisation, par exemple,

les chambres à gaz, à grand liquide que l'on peut utiliser pour mesure

l'énergie à basse énergie des particules.

Les détecteurs de silicium et germanium dont on parlera dans la prochaine vidéo,

travaille aussi dans cette région d'ionisation.

La prochaine région importante est la région dite proportionnelle.

Là, le champ est suffisamment haut, de l'ordre de 10 puissance 4

volts par centimètre, pour ne pas juste transporter les charges,

mais pour les multiplier par désionisation dite secondaire.

C'est-à-dire que les particules, les ions et les électrons sont suffisamment

accélérés pour produire de l'ionisation eux aussi.

Le facteur d'amplification est donc grand, parce qu'il est produit

par une amplification exponentielle du nombre d'électrons et d'ions.

C'est-à-dire, on peut arriver à des

facteurs d'amplification de l'ordre de 10 puissance 4 à 10 puissance 8.

Ceci veut dire que l'on peut travailler vers une amplification électrique moins

importante, et on a un bruit quand même très bas.

Le désavantage est que la précision d'énergie est moins bonne que dans la

région d'ionisation, à cause des fluctuations dans le processus

d'amplification qui est exponentiel, donc victime des fluctuations.

Cette région proportionnelle est surtout utilisée

dans des détecteurs pour mesurer la position des particules.

Un exemple est la chambre à dérive que vous voyez à gauche et à droite,

avec un schéma qui vous montre que pour la plupart des cas, les

champs électriques sont réalisés avec des fils minces qui sont mis à haute tension,

au lieu de des plaques métalliques.

Ceci veut dire que la particule perd de l'énergie pratiquement uniquement dans

le gaz qui rempli les détecteurs,

et ceci veut dire que la mesure est non destructive.

La particule sort d'un tel détecteur

avec pratiquement la même énergie avec laquelle elle est entrée.

Les fils sont minces pour la raison simple que

les lignes du champ électrique convergent vers ses fils

et produisent un champ électrique qui est très intense autour des fils.

Ceci permet d'obtenir des grands facteurs d'amplification,

bien que le champ électrique à l'intérieur du volume

de la chambre est relativement peu important.

Avec le temps de dérive de l'arrivée de la particule vers le fil,

on peut mesurer la distance entre l'impact de la particule

et le fil qui a donné un signal, et de cette manière,

localiser des particules à des précisions qui sont de l'ordre de son micromètre.

On réalise avec cette technique des chambres relativement importantes.

Celle-là, à gauche,

a un diamètre d'à peu près un mètre et une longueur d'à peu près 1,50 mètre.

À droite, vous voyez le résultat d'une telle mesure envers

les impacts qui ont été mesurés par l'électronique de collections données,

et qui accompagnent la trajectoire des particules

dans un champ magnétique qui permet de mesurer leurs impulsions.

Ceci s'appelle un spectromètre et on va parler de cela dans la vidéo 3.10.

Quand on dépasse la région de la proportionnalité,

on arrive bientôt dans une région où

le signal n'augmente plus avec la tension que l'on applique.

Cette région s'appelle la région de Geiger.

Il y a une avalanche d'électrons libres qui est produite,

qui cause même une sorte de gerbe électromagnétique,

c'est-à-dire qui va aussi produire des photons qui vont faire,

renforcer le signal en faisant un effet photoélectrique sur l'anode.

Ces déclenches, ces avalanches vont se développer très

rapidement et vont même faire une décharge audible.

Ceci est le principe du compteur Geiger que vous connaissez peut-être.

Je vous en montre un exemple ici.

C'est un compteur Geiger conventionnel qui va émettre

un signal audible quand il y a une source de radiation qui s'approche.

Cette source de radiation, en l'occurrence, est une vieille montre qui

a des chiffres qui sont rehaussés en phosphores

radioactifs qui émet

une radiation bêta.

Alors, cette déclenche causée dans la région Geiger s'arrête quand

il y a saturation du champ électrique autour du fil au milieu du compteur.

Alors, il y aura un temps mort qui va

limiter le taux de comptages que l'on peut faire avec un tel compteur.

Si on augmente encore le champ électrique,

on va causer un court-circuit parce qu'on va ioniser toute une région entre la

cathode et l'anode et un courant plus important va être causé.

[AUDIO_VIDE] Dans la prochaine vidéo,

on va vous montrer des détecteurs à ionisation qui sont basés

sur des semi-conducteurs et qui correspondent à la

manière la plus moderne de réaliser un détecteur à ionisation.

[MUSIQUE]

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