Le tube Geiger-Muller

Le 3 février 2016

Pourquoi la radioactivité ?

Les atomes radioactifs sont constitués de la même manière que les atomes stables, c’est-à-dire qu’ils possèdent un noyau composé de neutrons et protons. Autour de celui-ci un cortège d’électrons gravite. On matérialise souvent les électrons par des sortes de sphères, comme si les électrons étaient de la matière, mais dans la réalité ils possèdent bien plus les spécifications d’une onde, qui serait une "onde à probabilités" : on sait qu’elle est dans un certain périmètre, mais on ne peut dire où elle est à un instant précis. Enfin ! Nous ne sommes pas ici pour débattre sur ce qu’est un électron, et de plus, cette représentation est bien plus simple pour expliquer de nombreux phénomènes chimiques. Un atome radioactif est équilibré en charge, puisqu'il possède autant d’électrons que de protons. Un atome radioactif a son noyau dit "instable". Cette instabilité provient du nombre de nucléons, où la composition relative en protons et neutrons est en situation instable. Le noyau d’un atome radioactif va donc avoir tendance à se transformer en éléments stables voisins. Le noyau peut avoir différentes configurations d’excès : excès en nucléons, neutrons ou encore protons. Cette transformation est une désintégration qui va émettre de l’énergie sous forme de chaleur, une émission de particules, un champ magnétique, une émission de rayonnement , une émission de photons à haute énergie, jusqu'aux rayons gamma. Les rayons gamma ont une longueur d’onde de l’ordre de m , bien plus énergétique que les rayons X. Ce sont les rayonnements qui nous intéressent, puisque ce sont eux qui sont mesurés par les tubes Geiger-Muller.

Comment ça fonctionne ?

Les compteurs Geiger sont basés sur un capteur de radioactivité, qui réagit à la réception de rayonnements , ce capteur est un tube Geiger-Muller. Un tube Geiger-Muller est un cylindre métallique creux traversé sans contact par un axe métallique dans le sens de la longueur, le tout dans un chambre étanche contenant un gaz sous faible pression. Le cylindre représente la cathode et l’axe l’anode.

Fonctionnement_tube_GM

En fonctionnement, une tension de quelques centaines de volts est appliqué à l’anode, un rayonnement ( ou encore plus énergétique comme les ?) va être reçu par le dispositif, des atomes du gaz contenu dans la chambre (plus précisément entre le cylindre et l’axe) vont s’ioniser, c’est-à-dire que l’apport d’énergie très important dans l’atome ne va pas juste faire passer l’atome à un niveau d’énergie supérieur : cela va lui faire passer tous les niveaux d’énergie puisque la quantité absorbé est très importante (dans le respect de la quantification de l’énergie) et donc éjecter un électron. Cette réaction se faisant sur l'atome, cela va rendre le gaz conducteur pendant cet instant. Les électrons émis sont alors accélérés par la haute tension leur permettant d’ioniser d’autres atomes et ainsi de suite en produisant une cascade d’ionisations. Cette cascade va créer un pic de tension sur la cathode et c’est à partir de ce signal qu’on détermine (en fonction des caractéristiques du tube) la quantité de radiation. Si les rayonnements sont trop importants, le tube va saturer (trop de désintégrations par seconde en fait) et donc le signal qui en sortira sera inexploitable. En effet, il faut qu’il y ait un temps mort d'au moins 200 µs entre chaque saccade d’ionisation.

Après la théorie, un peu de concret...

Pièce vintage, tube de fabrication russe :

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Photo de l'alimentation 4 Vac vers 400 Vcc, avec une résistance de 330K en série avec le circuit, le courant qui circule dans le tube est extrêmement faible, quelques µA.

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Petite démonstration, avec seulement un comparateur et un amplificateur reliés à un haut parleur, pour récupérer les impulsions électriques créées par le tube.


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