Spectrométrie gamma

Le système de spectroscopie gamma entier comprend un détecteur au germanium avec refroidissement par l'azote liquide, un analyseur multicanal avec un ordinateur correspondant puissant et des logiciels servant à l'interprétation des données et des analyses. Des standards de radionucléides avec la même géométrie que les échantillons sont utilisés.

Le détecteur est construit par conversion d’une face d’un bloc de germanium au type de semi-conducteur opposé par évaporation et diffusion ou par implantation ionique. Sur le bloc, on crée une couche positive sur une face, puis on applique la polarisation inverse sur le détecteur. Cela permettra de créer une couche d'appauvrissement à travers le matériau. Ceci est la base de toute fabrication de détecteur au germanium. L’efficacité relative peut être estimée en divisant le volume actif du détecteur par 4,33. En 2003, le plus grand détecteur au germanium de haute pureté produit était fait de 4,4 kg de germanium avec une efficacité relative de 207,6 %[1].

Les détecteurs conventionnels HPGe à grand volume sont généralement limités à compter des taux de l'ordre de dix mille coups par seconde, cependant, leur efficacité est limitée pour les applications à haut débit de comptage. Pour remédier à cette limitation, un nouveau prototype de détecteur HPGe a été conçu en 2015 pour être capable d'atteindre la résolution voulue et avec un taux de comptage de plus de un million de coups par seconde[2]. Les tests de ce premier prototype d'appareil démontrent de bonnes performances de collecte de charge et à faible bruit de fond. Les détecteurs au germanium de haute pureté restent la norme pour la spectroscopie de rayons gamma à haute résolution. L’excellente résolution en énergie que les détecteurs HPGe offrent les rend souvent comme les détecteurs de choix pour les applications aussi diverses que la recherche en physique nucléaire ou l'imagerie médicale. Lorsque l'identification et la quantification des isotopes sont nécessaires, la résolution des détecteurs HPGe minimise certaines incertitudes systématiques. Ceci est particulièrement important dans les cas où les spectres de rayons gamma complexes sont susceptibles d'être rencontrés. Le HPGe est plus adapté pour la surveillance de la radioactivité de plusieurs radionucléides dans les produits provenant des opérations des entreprises du secteur nucléaire que le détecteur à scintillation solide[3].

La méthode est applicable pour la mesure de n’importe quel radionucléide émettant des rayons gamma avec une énergie supérieure à 20 keV[4]. Cette spectroscopie convient à une mixture complexe de radionucléides. De plus, l’échantillon peut être sous forme liquide ou gazeuse. La méthode est appliquée à une grande variété de nourriture allant des légumes à des produits d’origine animale[3].

L’analyse des radionucléides dans les météorites martiennes est un grand défi radioanalytique en raison de la haute valeur scientifique de ces météorites et la nécessité d'appliquer des méthodes non destructives d'analyse[5]. Les météorites martiennes ont été éjectées de Mars à la suite de l'impact d'astéroïdes ou de comètes, puis tournent autour du Soleil, avant de pouvoir finalement atterrir sur la Terre. Ainsi, elles sont porteurs d'informations sur les caractéristiques et la composition du sol de Mars jusqu'à une certaine profondeur. Ce sont des échantillons particulièrement intéressants, parce qu’il n’y a pas actuellement d'autre possibilité pour enquêter sur des couches du sous-sol de la planète Mars. Sur 61 000 météorites trouvées sur Terre, seulement 132 ont été identifiées comme martiennes[5]. L’origine martienne est reconnue par leurs compositions élémentaires et isotopique et les gaz atmosphériques piégés identiques à l'atmosphère sur Mars. En effet, ces gaz sont comparés avec ceux analysés à partir de vaisseaux spatiaux.