Analyseur Multicanaux

 ( Multi Channel Analyser MCA ) (1/2)

 

1. Définition et Introduction :

 

          

            L'analyseur multicanaux permet une spectrométrie globale et rapide : il s'est imposé depuis la pratique de la numérisation des signaux et l'ère de la microinformatique ce qui ne doit cependant pas faire oublier les bases fondamentales mises en évidence avec le spectromètre monocanal.

            La partie principale est le convertisseur (ou codeur) analogique digital (ADC). Il convertit l'amplitude de chaque impulsion en un nombre qui lui est proportionnel. Chaque nombre, c'est-à-dire chaque impulsion, incrémente de 1 une mémoire dont l'adresse correspond à ce nombre. Le contenu de chaque mémoire ou canal (puissance de 2 : 512, 1024, 2048, 4096, etc..) est visualisé en temps réel sur un dispositif d'affichage et on voit donc se construire le spectre dans sa totalité.

L'analyse est fine puis qu'avec un codeur modeste de 1024 canaux et pour des impulsion de 0 à 10 volts, chaque canal correspond à un incrément de = Tension maximale / nombre de canaux = 10/1024 ≈ 0.01 volt

 

Si on considère une source radioactive mono énergétique (émettant une seule énergie), théoriquement le spectre devrait montrer une seule raie, mais comme l'interaction du rayonnement avec la matière donne lieu à des effets indésirables ( effet compton, effet de matérialisation..) qui viennent se superposer avec l'événement dont on a besoin  ( effet photoélectrique )

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Spectre à la sortie d'un Analyseur Multicanaux

 

2. Schéma simplifié d'un Analyseur multicanaux

 

           Le premier type de fonctionnement d'un analyseur multicanaux est l'Analyse d'Amplitude d'impulsions ( PHA Pulse Height Analysis ). C'est ce type qu'on va étudier par défaut.

Schéma  Bloc simplifié d'un Analyseur Multicanaux

   3. Composants et fonctions de base d'un MCA

            Une porte d'entrée est utilisée pour empêcher les impulsions d'atteindre le convertisseur pendant le temps où la conversion de l'impulsion précédente est entrain de se dérouler ( ADC occupé). On peut considérer qu'une fraction des impulsions sera perdue pendant ce temps mort, et donc toute mesure quantitative des impulsions doit tenir compte de cette perte.

Pour remédier à cette perte, la plupart des analyseurs (MCA) possèdent une horloge interne qui fournit des impulsions d'horloge à travers la même porte d'entrée et qui seront stockées dans une partie spéciale de la mémoire (souvent appelée canal zéro).

 

Donc, le nombre d'impulsions d'horloge accumulées dans le canal zéro est une mesure du temps effectif ( Live Time ) de l'analyseur ou bien le temps durant lequel la porte a été gardée ouverte. Les mesures absolues seront donc basées sur une valeur fixée du temps effectif ( Live Time), qui élimine le besoin de faire une correction explicite du temps mort.

 

La plupart des analyseurs sont pourvus d'une autre porte linéaire contrôlée par un analyseur monocanal (SCA). Les impulsions d'entrées sont présentés en parallèle avec le SCA et, après avoir subit un retard fixe, à l'entrée de la porte. Le SCA qui commande cette porte, possède 2 niveaux de discriminateurs :

Un LLD Low    Level Discriminator permettant d'éliminer les impulsions de petites tailles.

Un ULD Upper Level Discriminator permettant d'éliminer les impulsions hors zone d'intérêt.

Cette procédure réduit le temps mort, en empêchant les impulsions non significatives d'atteindre le convertisseur et de consommer un temps précieux de conversion. Si le temps mort est élevé ( entre 30 et 40 %) une distorsion sera observée dans le spectre.

 

Il est fortement recommandée de travailler avec des taux de radiation réduits ( temps mort ≤  5 %) et d'éliminer les petites et les grandes impulsions non significatives.

4. Temps mort :

Le temps mort d'un MCA est généralement la somme de deux facteurs

 

Temps de conversion du convertisseur

Temps de stockage dans la mémoire : de l'ordre de quelques µs.

 

Temps Mort = T_{conversion de l'ADC} + T_{stochage dans la mémoire}

 

NB :    Pour un convertisseur de type Wilkinson, le temps de conversion est égal à N/f  où

N est numéro de canal et f est la fréquence de l'oscillateur du convertisseur

Temps Mort = N/f + T_{stochage dans la mémoire}

5. Multi Channel Scaling  MCS :  

C'est un autre mode de fonctionnement, il permet d'avoir une méthode d'obtention des données corrélés dans le temps comme la mesure des radio-isotopes à courtes demi vies. Dans ce mode le convertisseur ADC est court-circuité et les impulsions sont  ramenées directement à la mémoire.

Dans ce cas, comme les adresses sont séquentiellement choisies chaque emplacement mémoire contient un numéro qui est une fonction de temps

 

6. Etalonnage en énergie

 

L'étalonnage est l'association d'une grandeur mesurée à une grandeur physique ; dans notre cas on va associer la hauteur des impulsions aux énergies du rayonnement.

Grâce aux schémas de désintégration on peut connaître les énergies gamma correspondant â chaque pic d'absorption totale. D'autre part, on peut déterminer sur les spectres, la position de chaque pic (en volts).

Généralement, une source étalon dont les pics en énergies sont parfaitement connus est utilisée. Au laboratoire le Cs137 ( 661 keV )et le Co60 ( 1173 et 1332 keV) sont utlisée.

On trace la droite d'étalonnage en énergie de la chaîne de spectrométrie Eγ = f(V) où V représente l'amplitude de l'impulsion en volts et donc à chaque canal on va associer une énergie.

 

Grâce à cette relation d'étalonnage, on connaît maintenant, pour un pic donné, l'énergie qui lui est associée: on  pourra donc déterminer la nature d'une source inconnue en consultant une table des énergies gamma. Tous les éléments de la chaîne étant sélectionnés pour leur stabilité et leur linéarité en gain, le spectre obtenu est proportionnel au spectre des énergies cédées dans le détecteur

 

 

 

 

 

 

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