Spectrométrie gamma

Le système de spectroscopie gamma complet comprend un détecteur au germanium refroidi par azote liquide, un analyseur multicanal et un ordinateur puissant équipé d'un logiciel de traitement. Des standards de radionucléides ayant la même géométrie que les échantillons sont utilisés.

La fabrication d'un détecteur se fait par conversion d’une face d’un bloc de germanium au type de semi-conducteur opposé, par évaporation et diffusion ou par implantation ionique. Une couche positive est créée sur une face et la polarisation inverse est appliquée au détecteur. Cela crée une couche appauvrie dans 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 fabriqué était fait de 4,4 kg de germanium, avec une efficacité relative de 207,6 %[1].

Les détecteurs conventionnels HPGe de grande capacité sont généralement limités aux taux de comptage de l'ordre de dix mille coups par seconde, cependant leur efficacité est limitée dans les hauts débits de comptage. Pour y remédier, un nouveau prototype de détecteur HPGe a été conçu en 2015 afin d'atteindre la résolution voulue avec un taux de comptage de plus d'un million de coups par seconde[2]. Les tests de ce premier prototype ont donné de bonnes performances et un faible bruit de fond. Les détecteurs au germanium de haute pureté restent la norme pour la spectroscopie gamma à haute résolution. Leur excellente résolution en énergie en fait des détecteurs de choix pour les applications aussi diverses que la recherche en physique nucléaire et l'imagerie médicale. Lorsque l'identification et la quantification des isotopes sont nécessaires, la résolution des détecteurs HPGe minimise les incertitudes, ce qui est particulièrement utile pour les spectres complexes. Le HPGe est plus adapté que le détecteur à scintillation solide à la surveillance de la radioactivité de plusieurs radionucléides dans les produits provenant des entreprises du secteur nucléaire [3].

La technique est applicable à la mesure de tout radionucléide émettant des rayons gamma d'énergie supérieure à 20 keV[4]. Elle convient aux mélanges complexes de radionucléides, et de plus l’échantillon peut être sous forme liquide ou gazeuse. La méthode est appliquée à une grande variété d'aliments, allant des légumes aux produits d’origine animale[3].

L’un des grands défis analytiques est l'analyse des radionucléides dans les météorites martiennes. Compte tenu de la haute valeur scientifique de ces météorites, l'intérêt de la technique est sa capacité à effectuer des analyses non destructives [5]. Les météorites martiennes collectées ont été éjectées de Mars à la suite d'impacts d'astéroïdes ou de comètes avant de retomber sur Terre. Elles sont porteuses d'informations sur les caractéristiques et la composition du sol martien jusqu'à une certaine profondeur. Ces échantillons sont particulièrement intéressants, parce qu’il n’y a pas actuellement d'autre possibilité pour étudier le 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 élémentaire et isotopique, et par les gaz atmosphériques piégés identiques à l'atmosphère martienne. En effet, ces gaz sont comparés avec ceux analysés par les sondes spatiales.