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Quand les électrons s’en vont…

Vous êtes ici : » » Quand les électrons s’en vont… ; écrit le: 31 mars 2012 par azza modifié le 14 novembre 2014

Les détecteurs gazeuxQuand les électrons s'en vont...

L’ionisation se caractérise par la libération d’un électron, avec formation d’un ion positif. C’est la présence de ces particules chargées issues de l’ionisation de l’air qui provoque la décharge des électroscopes. Ce phénomène avait été remarqué par Henri Becquerel dès 1896, et exploité peu après par Pierre et Marie Curie pour mesurer quantitativement la radioactivité dans une chambre d’ionisation, dont le principe est de collecter les électrons et les ions sur deux électrodes en regard l’une de l’autre.

Le dispositif inventé par Jacques et Pierre Curie mesurait directement le cou­rant d’électrons produit par la détection d’un grand nombre de particules ionisantes. Les versions plus modernes, comme celles qu’utilisèrent plus tard Irène et Frédéric Joliot, étaient munies d’un préamplificateur et d’un amplificateur, ce qui leur per­mettait de détecter des impulsions de courant, chacune d’elles correspondant au pas­sage d’une seule particule.



Dans ce type de détecteur, les tensions appliquées aux deux électrodes sont suffi­santes pour provoquer la collection de tous les électrons libérés par l’ionisation direc­te des atomes sous l’impact des rayonnements. Il s’ensuit que l’impulsion de courant collectée pour chaque particule « primaire » traversant la chambre a une amplitude relativement faible, mais strictement proportionnelle à l’énergie perdue dans le gaz par cette particule. Dans un autre type de détecteur à gaz, encore plus connu, le compteur Geiger , on applique entre les deux électrodes une tension bien supérieure. Les électrons issus des ionisations primaires sont accélérés par ces grandes différences de potentiel et deviennent capables d’ioniser à leur tour les atomes de gaz. De véritables « avalanches d’électrons » sont ainsi produites, ce qui a pour effet de multiplier par des facteurs considérables (de l’ordre du million) la hauteur de chaque impulsion collectée. L’avantage de cette technique est de simplifier le traitement électronique ultérieur du signal issu du compteur. Son inconvénient est que l’ampli­tude de l’impulsion issue de l’avalanche a été « nivelée » et n’est plus proportionnelle à l’énergie laissée dans le gaz par la particule incidente. Faciles à construire et à ma­nier, les compteurs Geiger sont donc très bien adaptés à la mesure d’une radioactivité globale, ou à des mesures de routine.

Enfin, les compteurs proportionnels sont des détecteurs gazeux au sein desquels on applique un champ électrique intermédiaire entre ceux qui régnent dans une chambre d’ionisation et dans un compteur Geiger. La multiplication du nombre d’électrons primaires est relativement modeste, mais l’amplitude du signal délivré, moins élevée, certes, que dans le cas du compteur Geiger, possède le grand avantage d’être proportionnelle à l’énergie déposée par la particule détectée.

Suivre une particule à la trace

Les électrons issus de l’ionisation primaire d’un milieu matériel traversé par une particule énergétique ont généralement des vitesses assez faibles. Cependant certains d’entre eux sont capables de produire à leur tour des ionisations, dites secondaires. Ils ont été appelés « électrons delta ». La particule primaire et les électrons secon­daires produisent également des déplacements d’atomes le long de leur trajectoire. Une particule ionisante traversant un milieu ralentisseur solide laisse ainsi une véri­table trace de son passage. Cette trace, est qualifiée de « latente » et est visible au microscope électronique lorsqu’elle a été produite dans certains milieux détecteurs. Elle peut parfois être révélée chimique­ment.

C’est ainsi que les rayons X de Röntgen, puis les rayons uraniques de Becquerel furent identifiés par leur action sur la plaque photographique. Plus tard, les émul­sions photographiques furent largement exploitées par les physiciens nucléaires, et en particulier par ceux qui étudiaient les rayons cosmiques, envoyant dans des bal­lons-sondes des empilements d’émulsions dans lesquels ils pouvaient suivre les traces des particules qui les avaient traversées. Dans le domaine de la radioprotection, des films argentiques sont encore utilisés actuellement pour la surveillance permanente des doses reçues par les travailleurs exposés aux rayonnements ionisants.

Certains minéraux solides comme le mica et les verres peuvent conserver à l’état latent pendant des siècles la trace du passage de certaines particules ionisantes qui les ont traversées, et en particulier des produits de fission de l’uranium qu’ils contien­nent en très petite quantité. Ces traces peuvent être rendues visibles au microscope en les révélant au moyen d’attaques acides (acide fluorhydrique) ou basiques (soude ou potasse concentrée). Un grand nombre de matériaux organiques constituent aussi de précieux détecteurs de traces. Il s’agit, par exemple, du nitrate de cellulose, de cer­tains polycarbonates ou encore du chlorure de vinyle. Ils sont commercialisés sous des noms divers comme le lexan, l’hostaphan ou le makrofol. Leur sensibilité aux dif­férents types de rayonnements varie selon leur composition chimique, et l’on possè­de ainsi tout un arsenal de détecteurs relativement bon marché et fonctionnant sans le recours à l’électronique. Selon la structure du milieu, et selon l’incidence du rayon­nement, les traces révélées peuvent apparaître comme des cercles, des ellipses, des bâ­tonnets ou des cônes. Comme les films photographiques, certains d’entre eux sont utilisés en radioprotection.

Brouillard, bulles et étincelles

C’est aussi le phénomène d’ionisation qui est à l’origine de la formation de ger­mes dans la chambre à brouillard142 et dans la chambre à bulles. Autour de ces germes apparaissent de fines gouttelettes de liquide dans la première, et des chapelets de bulles dans la seconde. Ce sont des traces éphémères qui doivent être pérennisées par la prise immédiate d’une photographie. Ces deux chambres, qui firent fureur la pre­mière jusqu’aux années 1950 et la seconde dans les années 1960-1970 matériali­saient ainsi les trajectoires de particules.

Les chambres à bulles ne pouvaient fonctionner qu’à faible cadence, en raison du temps nécessaire à la récupération du liquide, qui se chiffrait en minutes. Les cham­bres à étincelles, dont le taux de répétition était plus élevé, les remplacèrent pour la recherche en physique des particules dans les années 1970. Ces détecteurs sont cons­titués de plaques métalliques parallèles. Entre deux plaques consécutives on établit une très haute différence de potentiel, et l’ensemble de la chambre est rempli d’un mélange de néon et d’argon. Lorsqu’une particule ionisante traverse la chambre, une série d’étincelles jaillit entre les électrodes, ce qui matérialise son passage par une traî­née lumineuse. Plus rapides que les chambres à bulles, les premières chambres à étin­celles furent, comme ces dernières, associées à des appareils photographiques. Cependant, elles furent supplantées, très peu de temps après leur mise en fonction­nement, par les détecteurs multifils, encore plus rapides, inventés par le physicien français Georges Charpak.

De Geiger à Charpak ou les détecteurs multifils

L’idée de ces détecteurs était de combiner la détection de la particule, comme le fait un compteur Geiger et la localisation de sa trajectoire, comme le faisait la cham­bre de Wilson ou la chambre à bulles. Pour atteindre cet objectif, Georges Charpak, propose de remplacer le fil unique du compteur Geiger par une série de fils parallèles les uns aux autres, et situés dans le même plan. En partant du principe que des électrons vont être formés par le passage de la particule dans un espace concer­nant deux ou trois fils consécutifs, on peut s’attendre à ce que le signal se partage sur ces deux ou trois fils, voire davantage en raison d’une possible diffusion de ces charges durant leur collection. Mais le physicien a minutieusement étudié le fonc­tionnement des compteurs proportionnels. Il sait que l’impulsion électrique délivrée par le fil central de ces détecteurs ne provient que pour une infime partie des élec­trons collectés. La plus grande part de cette impulsion est due à un effet d’influence électrostatique. Lors du développement de l’avalanche, qui est maximal tout près du fil collecteur, des ions positifs sont formés en grand nombre, et c’est le départ massif de tous ces ions qui engendre, par influence, la quasi-totalité de l’impulsion électri­que. Partant de ce principe, la localisation peut s’opérer de façon beaucoup plus nette. Et c’est ce qui se produit.

 En effet, généralement l’un des fils du plan est le plus proche de la trajectoire. 0 sera plus particulièrement concerné par l’arrivée d’électrons, donc par le développement de l’avalanche. Les ions positifs, qui créent une impulsion négative en s’éloignant de lui, s’approchent de tous les autres fils et créent sur chacun d’eux une impulsion positive. De tous les fils du plan, un seul produit donc une impulsion négative et tous les autres engendrent une impulsion positive. Si les fils sont parallèles à l’axe Oy, une telle mesure donne l’abscisse x du point M où la trajectoire de la par­ticule a coupé le plan de fils. Un second détecteur, dont les fils sont orientés perpen­diculairement à ceux du premier donnera son ordonnée y, et, en empilant plusieurs couches de tels détecteurs, on accédera à plusieurs points de cette trajectoire. Le suc­cès est total. Les détecteurs de Charpak vont se développer et envahir toutes les ex­périences de physique des particules, d’autant plus que leur découverte coïncide avec le boom de l’électronique, et qu’ils se prêtent très bien à un traitement informatisé, chaque fil étant relié à une chaîne électronique. À ce titre, Georges Charpak recevra le prix Nobel de physique en 1992.

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