Bolométrie

Calorimètres métalliques magnétiques pour la métrologie des rayonnements ionisants

Le LNHB développe et utilise des détecteurs cryogéniques pour la spectrométrie en énergie des particules et des rayonnements (α, β^–, e^–, X ou γ…) émis suite aux désintégrations radioactives. Un détecteur cryogénique est un détecteur thermique qui mesure l’énergie de chaque particule absorbée sous forme d’une élévation de température grâce à un thermomètre extrêmement sensible et rapide. Les thermomètres utilisés sont des thermomètres magnétiques, ils convertissent une variation de température en une variation d’aimantation. Grâce à une électronique à SQUID (« Superconducting Quantum Interference Device ») bas bruit, le signal est converti en tension et est amplifié.

La grande sensibilité ne peut être obtenue qu’en faisant fonctionner le détecteur à très basse température (environ 20 mK au-dessus du zéro absolu, soit -273,13 °C) afin de diminuer les sources de bruit d’origine thermique et d’augmenter l’amplitude du signal mesuré. Ces températures extrêmes sont obtenues grâce à un réfrigérateur à dilution He-3 / He-4. Les détecteurs cryogéniques offrent alors des performances inaccessibles aux détecteurs conventionnels à semi-conducteur ou à scintillateur en matière de résolution en énergie et de seuil de détection.

Appliqué à la spectrométrie de photons X et γ de basse énergie, inférieure à 100 keV, le détecteur SMX3 offre une résolution à mi-hauteur de 30 eV à 60 keV, soit un ordre de grandeur meilleur que celui d’un détecteur semi-conducteur HPGe. Les spectres complexes X_L et γ émis par le Pb-210 et l’Am-241 ont pu être mesurés avec une grande précision mettant à jour la présence de raies dites « satellites » jusqu’ici imperceptibles par les détecteurs conventionnels.

Par ailleurs, les détecteurs cryogéniques du LNHB sont utilisés pour la spectrométrie β^–. Dans ce cas, le radionucléide mesuré est enfermé dans le détecteur pour absorber toutes les particules β^– et avoir un rendement de détection de 100 %. Les spectres β du Ni-63 et du Pu-241 ont été mesurés avec un seuil de détection très bas mettant en évidence l’importance de l’effet d’échange à basse énergie pour ces radionucléides. Ces spectres β mesurés avec fidélité sont indispensables à l’amélioration des codes de calcul théorique.

Vidéo : Calorimètres métalliques magnétiques