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1 /1 / A " ? / , * CEA-R-S539 ! COMMISSARIAT A L'ENERGIE ATOMIQUE UJ U E40 ETUDE ET DEVELOPPEMENT D'UN SPECTROMETRE A SUPPRESSION COMPTON ET COÏNCIDENCES GAMMA-GAMMA par Daniel MASSE Centre d'Etudes de Bruyères-le-Châtel Rapport CEA-R-5539 SERVICE DE DOCUMENTATION C.E.N.-SACLAY 91191 GIF sur YVETTE Cedex FRANCE CLASSIFICATION DES RAPPORTS, NOTES ET BIBLIOGRAPHIES CEA (Classification du système international de documentation nucléaire INIS de l'Agence Internationale de l'Energie Atomique) A 11 A 12 A 13 A 14 A 15 A 16 A 17 A 20 A 30 B 11 B 12 B 13 B 14 & 16 B 22 B 23 B 24 B JO C 10 Physique théorique générale et physique mathématique Physique atomique et physique moléculaire Physique de l'état solide et physique des fluides Physique des plasmas et réactions ihermonucléaires Astrophydique et cosmologie, rayonnement cosmique Conversion directe d'énergie Physique des basses températures et cryogénie Physique des hautes énergies Physique neutronique et physique nucléaire Analyse chimique et isotopique Chimie minérale, chimie organique et chimie-physique Radiochimie et chimie nucléaire Chimie des rayonnements Combustibles nucléaires Métaux et alliages Céramiques et cermets Autres matériaux Sciences de la terre Tous les effets et aspects variés de l'irradiation externe en biologie C 20 Effets et cinétique des radioisotopes C 40 Sciences de la vie appliquées C 50 Santé, radioprotection et environnement C 60 Radiologie et médecine nucléaire D 10 Isotopes et sources de rayonnements D 20 Applications des isotopes et des rayonnements E 11 Thermodynamique et écoulement des fluides E 13 Structures mécaniques et équipements E 14 Explosions nucléaires E 15 Manutention des matériaux radioactifs E 16 Accélérateurs E 17 Essais des matériaux E 20 Réacteurs à fission (généralités) E 30 Types spécifiques de réacteurs à fission et centra les associées E 40 Instrumentation E 50 Gestion des déchets F 10 Sociologie et sciences économiques F 20 Droit F 30 Documentation nucléaire F 40 Garanties nucléaires et contrôle de vérification F 50 Méthodes mathématiques et codes pour ordinateur F 60 Divers Rapport CEA-R-5539 Cote-matière de ce rapport : E40 MOTS CLEFS (extraits du thésaurus INtS) en français en anglais SPECTROMETRES GAMMA DETECTEURS AU NAI DETECTEURS AU GE COMPENSES AU Ll PERFORMANCE EFFET COMPTON CIRCUITS DE COÏNCIDENCE SYSTEMLS DE SAISIE DES DONNEES RAPPORT SIGNAL-BRUIT BLINDAGE COBALT 60 CESIUM 137 IRIDIUM 189 RHODIUM 101 RUBIDIUM 83 ARGENT 105 GAMMA SPECTROMETERS NA I DETECTORS LI-DRIFTEDGE DETECTORS PERFORMANCE COMPTON EFFECT COINCIDENCE CIRCUITS DATAACQUISITION SYSTEMS SIGNAL-TO-NOISE RATIO SHIELDING COBALT 60 CESIUM 137 IRIDIUM 189 RHODIUM 101 RUBIDIUM 83 SILVER 105 RAPPORT CEA-R-5S39 - Daniel MASSE ETUDE ET DEVELOPPEMENT D'UN SPECTROMETRE A SUPPRESSION COMPTON ET COINCIDENCES GAMMA-GAMMA. Sommaire - Ce rapport présente les caractéristiques d'un spectromètre composé d'un détec- teur Ge entouré d'un détecteur NaI(Tl) pouvant fonctionner en mode suppression Compton et en mode coïncidences gamma-gamma. Les critères ayant conduit à cette configuration de f\(\ mesure sont abordés, et les performances générales de l'installation sont présentés pour Co 1?7 1S9 et Cs. Les résultats relatifs à la mesure de Ir (suppression Compton) en présence d'au- tres radioisotopes de l'iridium (rapport d'activité de 1/600) et la mesure de Rh (coïnci- dences gamma-gamma) en présence d'autres radioisotopes du rhodium (rapport d'activité de 83 1/14000) sont présentés. Ces méthodes ont également été appliquées à la mesure de Rb et de 105Ag. 1990 150 p. Commissariat à l'Energie Atomique - France. RAPPORT CEA-R-5539 - Daniel MASSE STUDY AND DEVELOPMENT OF A SPECTROMETER WITH COMPTON SUPPRESSION AND GAMMA COINCIDENCE COUNTING. Summary - This paper presents the characteristics of a spectrometer consisting of a Ge detector surrounded by a NaI(Tl) detector that can operate in Compton-suppression and gamma-gamma coincidence modes. The criteria that led to this measurement configuration o/\ 1 o n are discussed and the spectrometer performances are shown for Co and Cs gamma- 189 ray sources. The results for the measurement of Ir (Compton suppression) and for the measurement of Rh (gamma-gamma coincidence) in the presence of other radioisotopes OQ are given. Rb et Ag isotopes are also measured with this spectrometer. 1990 15° P- Commissariat à l'Energie Atomique - France. - Rapport CEA-R-5539 - Centre d'Etudes de Bruyères-le-Châtel Service Radiochimie ETUDE ET DEVELOPPEMENT D'UN SPECTROMETRE A SUPPRESSION COMPTON ET COINCIDENCES GAMMA-GAMMA par Daniel MASSE - Octobre 1990 - TABLE DES IVIA. TIERES INTRODUCTION 1 CHAPITRE I Modalités d'interaction des photons avec la matière 4 1.1 - Effet photoélectrique 5 1.2 - Effet de matérialisation 6 1.3 - Effet Compton 7 1.3.1 - Distribution énergétique des photons diffusés 8 1.3.2 - Sections efficaces de diffusion Compton - Distribution angulaire 9 1.4 - Importance relative des trois processus d'interaction 10 1.5 - Combinaison des différents phénomènes sur un spectromètre gamma 12 1.5.1 - Pic d'absorption totale 12 1.5.2 - Distribution Compton 13 1.5.3 - Rétrodiffusions 14 1.5.4 - Diffusions multiples 14 1.5.5 - Photons "dégradés" 14 CHAPITRE II Description de l'installation 16 II. 1 - Principe * 17 II.2 - Détecteur principal 18 H.3 - Protection active 21 11.3.1 - Type de détecteur 21 11.3.2 - Dimensions et géométrie 22 11.3.3 - Position de la source 22 11.3.4 - Photomultiplicateurs 23 II.4 - Protection contre la radioactivité ambiante - Aménagements mécaniques 25 CHAPITRE HI Dispositif électronique - Systèmes d'acquisition 28 III. 1 - Dispositif électronique 28 III. 1.1 - Voies de coïncidences - Electronique rapide 28 III. 1.2. - Voies de spectrométrie . 29 III.2. - Systèmes d'acquisition 30 111.2.1 - Suppression Compton 30 111.2.2 - Coïncidences gamma-gamma 32 III.2.2.a - Système TARGET MATE381-TQCC288A 32 III.2.2.b - Système FAST-CANBERRA 34 CHAPITRE IV Performances - Comparaison à d'autres installations 37 IV. 1 - Bruit de fond 38 IV.2 - Suppression Compton 38 IV.2.1 Césium 137 39 IV.2.2 Cobalt 60 41 IV.3 - Variations de la suppression Compton en fonction de l'énergie 42 IV.4 - Variations de la suppression Compton en fonction du taux de comptage 44 IV.5 - Performances relatives de différents systèmes 45 CHAPITRE V Analyse quantitative 50 V.l - Détermination du contenu des pics 53 V. 1.1 - Spectres monodimensionnels 53 V. 1.1.a - Détermination de la surface d'un pic 53 V.l.l.b - Séparation des multiplets 54 V. 1.1.c - Incertitude associée à la détermination de la surface 55 V.l.l.d - Performances 55 V. 1.2 - Spectres tridimensionnels 56 V. 1.2.a - Allure générale d'un spectre bidimensionnel 56 V.1.2.b - Détermination du volume des pics 57 V.1.2.b.a - Traitements habituels . 59 V.1.2.b.p - Mode de traitement développé au laboratoire 61 V.1.2.C - Validité de la méthode 67 V.2 - Détermination du rendement de détection 68 V.2.1 - Détermination des courbes d'efficacité 69 V.2.1.a - Etalons 69 V.2.1.b - Lissage des courbes d'efficacité 70 V.2.1.c - Incertitude des courbes d'efficacité 72 V.2.2 - Incertitude associée aux étalons réalisés 72 V.3 - Coefficient de correction électronique 73 V.3.1 - Correction de temps mort 74 V.3.2 - Correction d'effet d'empilement 74 V.3.3 - Correction du taux de coïncidences fortuites 76 V.3.3.a - Coïncidences rapides dans le C.T.A. 76 V.3.3.b - Coïncidences dans les C.A.N. 77 V.3.3.c - Coïncidences dans les modules TQCC288A et FAST-CANBERRA. 78 V.3.4 - Coefficient global 78 V.4 - Détermination du coefficient d'atténuation 79 V.5 - Calculs associés aux mesures 79 V.5.1 - Fichiers associés au logiciel 79 V.5.2 - Gestion des spectres et calculs 80 V.6 - Détermination des efficacités de détection 82 CHAPITRE VI Applications - Abaissement de la limite de détection de différents radionucléides 83 VI. 1 - Iridium 189 84 VI. 1.1 - Fabrication de l'étalon et étalonnage du spectromètre 84 VI. 1.1.a - Production de 189Ir 84 Vl.l.l.b - Séparation iridium-osmium 86 VI. 1.1.c - Réalisation des sources 86 Vl.l.l.d - Mesures 86 VI. 1.2 - Analyses 88 VI. 1.2.a - Différents isotopes en présence 88 VI.1.2.b - Conditions expérimentales 91 VI. 1.2.c - Résultats 92 VI.2 - Rubidium 83 94 VI.2.1 - Fabrication de l'étalon et étalonnage du spectromètre 94 VI.2.1.a - Isolement du rubidium 94 VI.2.1.b - Réalisation de la source 94 VI.2.1.c - Mesures 95 VI.2.2 - Analyses 95 VI.2.2.a - Différents isotopes en présence 95 VI.2.2.b - Conditions expérimentales 97 VI.2.2.C - Résultats 97 VI.3 - Rhodium 101 100 VI.3.1 - Fabrication de l'étalon et étalonnage du spectromètre 100 VI.3.1.a - Production de 101Rh 100 Vl.S.l.b - Séparation ruthénium-rhodium 101 VI.3.1.c - Réalisation de la source 102 Vl.S.l.d - Mesures 103 VI.3.2 - Analyses 103 VI.3.2.a - Différents isotopes en présence 103 VI.3.2.b - Conditions expérimentales 104 VI.3.2.c - Résultats 106 VI.4 - Argent 105 110 VI.4.1 - Fabrication de l'étalon et étalonnage du spectromètre 110 VI.4.1.a - Isolement chimique de l'argent 110 VI.4.1.b - Préparation de la source 110 VI.4.1.c - Mesures 110 VI.4.2 - Analyses 111 VI.4.2.a - Différents isotopes en présence 111 VI.4.2.b - Conditions expérimentales 114 VI.4.2.c - Résultats 114 CONCLUSION 117 ANNEXES Rayonnement cosmique - Sensibilité des détecteurs 125 Réglage du dispositif de coïncidences anti-Compton 129 Phénomène de "pic-somme" - Corrections 131 Mesures de coïncidences 134 Seuil et limite de détection 138 IISTTROPUCTIOlSr Le progrès considérable que les détecteurs germanium ont apporté à la spectrométrie gamma au début des années soixante a conduit au développement de cette technique d'analyse uploads/Sante/ etude-et-developpement-spectrometre.pdf