DÉTECTEURS DE PARTICULES

Détecteurs à remplissage gazeux

Une particule chargée traversant un gaz ionise celui-ci par des collisions avec le cortège électronique. Les électrons éjectés peuvent rester libres, dans les gaz nobles par exemple, ou être rapidement capturés par certaines molécules, comme l'oxygène. Si un champ électrique est appliqué dans le milieu ionisé, une grande diversité de phénomènes peut être observée, suivant la nature des gaz et l'intensité du champ électrique. L'exploitation de ces phénomènes conduit à divers types de détecteurs.

Si le champ électrique est faible et que les électrons n'acquièrent pas suffisamment d'énergie entre deux collisions atomiques pour exciter ou ioniser les niveaux atomiques qui sont en général supérieurs à 10 électrons-volts (eV), les électrons se déplacent dans la direction du champ. Leur vitesse de dérive varie avec le gaz, et la figure 5 illustre cette diversité de comportement dans quelques gaz couramment utilisés. La mesure de cette vitesse, pour déterminer la position des particules ionisantes, est exploitée dans les chambres à dérive pour mesurer les positions.

Si le champ électrique est plus intense, il peut y avoir excitation des atomes, sans ionisation. Dans certains gaz, cette excitation se traduit par l'émission de photons dans l'ultraviolet lointain. Ce phénomène est lié, dans les gaz rares, à la formation de molécules appelées états exomères ; et ces photons sont distribués en raies larges, d'environ 1 eV, caractéristiques des divers gaz. La figure 6 montre le spectre typique de quelques gaz rares. Les photons jouent un rôle clé dans les compteurs proportionnels à scintillation stimulée. Ils gouvernent les mécanismes de propagation des décharges dans les compteurs Geiger-Muller, les compteurs à décharges limitées, les chambres étagées à avalanches.

Lorsque le champ électrique est suffisamment intense, les électrons acquièrent assez d'énergie pour produire à leur tour des collisions ionisantes. Il y a alors une multiplication électronique qui peut atteindre au maximum, en régime permanent, une valeur qui varie de 10³ à 10⁷ suivant la nature du gaz. Au-delà, les phénomènes de propagation, dus en particulier aux photons ultraviolets mentionnés ci-dessus, entrent en jeu, et des avalanches multiples, étendues dans l'espace, peuvent soit conduire à des décharges incontrôlables soit être exploitées dans certains détecteurs.

Les conditions de champ électrique régnant dans un détecteur ne sont pas toujours uniformes. Dans certaines structures, il peut y avoir des zones où règnent successivement les diverses[...]