P6.3.7.2
Physique atomique et nucléaire
Rayons X
Effet Compton sur rayons X
Effet Compton: Mesure
d'énergie des photons
dispersés en fonction de
l'angle de diffusion
Description tirée de CASSY Lab 2
CASSY Lab 2 (2013-06-07)
Pour charger des exemples et des
paramétrages, merci de bien vouloir
utiliser l'aide de CASSY Lab 2.
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CASSY Lab 2
Effet Compton sur le rayonnement X
Convient aussi pour Pocket-CASSY
Remarques de sécurité
L'appareil à rayons X est conforme, de par sa conception et construction, à un dispositif à rayons X destiné à l'enseignement et à un appareil de protection intégrale répondant aux réglementations sur les rayons X. Il est homologué
comme appareil à rayons X à l'usage des établissements scolaires et comme appareil de protection intégrale conformément au règlement allemand sur la radioprotection (BfS 05/07 V/Sch RöV ou NW 807 / 97 Rö).
Grâce aux dispositifs de protection et de blindage intégrés en usine, le taux de dose hors de l'appareil à rayons X est
réduit à moins de 1 µSv/h, soit une valeur d'un ordre de grandeur correspondant à la dose d'irradiation naturelle.
Vérifier le bon état de l'appareil à rayons X avant de le mettre en marche et contrôler la coupure de la haute tension à l'ouverture des portes coulissantes (voir mode d'emploi de l'appareil à rayons X).
Tenir l'appareil à rayons X à l'abri des personnes non autorisées.
Eviter toute surchauffe de l'anode dans le tube à rayons X Mo.
A la mise en marche de l'appareil à rayons X, vérifier le bon fonctionnement du ventilateur dans la partie tube.
Le goniomètre est exclusivement réglé par le biais de moteurs pas à pas électriques.
Ne pas bloquer le bras de cible ni le bras de capteur du goniomètre et ne pas forcer pour en modifier le réglage.
Description de l'expérience
Au passage à travers la matière, une partie du rayonnement X est dissipé. Selon l'idée classique que l'on a de cette
diffusion, la fréquence du rayonnement ne devrait pas changer. Or en 1923, le physicien américain A.H. Compton
observa une baisse de la fréquence pour une partie du rayonnement diffusé.
Une explication de cette affirmation implique une étude de tout le processus de diffusion du point de vue de la physique quantique jusqu'à avoir la preuve de la nature corpusculaire ou particulaire du rayonnement X. Par ailleurs, on
suppose que les électrons diffusés sont libres, ceci étant une bonne approche pour les couches électroniques extérieures des atomes avec des énergies dans le domaine des rayons X. C'est ainsi que lors d'une diffusion, un photon
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CASSY Lab 2
de fréquence ν1, donc d'énergie E1 = h·ν1, entre en collision avec un électron libre initialement au repos et de masse
m0. Le photon subit alors une diffusion d'un angle ϑ.
En vertu de la conservation de l'énergie et de l'impulsion, Compton calcula alors l'énergie E2 du rayonnement diffusé
Dans la présente expérience, on réalise les études de Compton sur un corps de diffusion en plexiglas puis on compare les résultats obtenus avec l'équation ci-dessus. Le détecteur d'énergie de rayonnement X est utilisé pour relever
le spectre.
Matériel requis
1
1
1
1
1
1
1
1
Sensor-CASSY
CASSY Lab 2
adaptateur AMC
appareil à rayons X avec tube à rayons X Mo
accessoires pour l'effet Compton X-ray II
détecteur d'énergie de rayonnement X
câble HF, 1 m
PC avec Windows XP/Vista/7/8
524 010 ou 524 013
524 220
524 058
554 801 ou 554 811
554 8371 ou 554 837
559 938
501 02
Montage expérimental (voir schéma)
Enficher le filtre en zircon (livré avec l'appareil à rayons X) du côté de l'entrée des rayons du collimateur circulaire
(livré avec les accessoires pour l'effet Compton X-ray II).
Monter le collimateur circulaire dans le logement du collimateur de l'appareil à rayons X.
Faire passer le câble de raccordement de l'alimentation portable à travers le canal vide de l'appareil à rayons X et
le brancher à la douille Mini DIN du détecteur d'énergie de rayonnement X.
Fixer le porte-capteur avec le détecteur d'énergie de rayonnement X monté au bras de capteur du goniomètre.
Connecter la sortie du signal du détecteur d'énergie de rayonnement X à la douille BNC SIGNAL IN de l'appareil
à rayons X à l'aide du câble BNC fourni.
Faire en sorte que le câble de raccordement soit inséré sur une longueur suffisante pour permettre le pivotement
complet du bras de capteur.
Appuyer sur le bouton-poussoir SENSOR et régler manuellement l'angle du capteur sur 150° à l'aide du bouton
de réglage ADJUST, pour ce faire, éventuellement déplacer le goniomètre vers la droite.
Sélectionner la distance entre le détecteur d'énergie de rayonnement X et l'axe de rotation de sorte que le boîtier
du détecteur soit à la limite de masquer le faisceau de rayonnement X pour cet angle du capteur.
Pousser ensuite le goniomètre vers la gauche jusqu'à ce que le boîtier du détecteur soit à la limite de toucher le
collimateur circulaire (distance d'env. 8 cm entre le collimateur circulaire et l'axe de rotation).
Brancher le Sensor-CASSY à l'ordinateur et enficher l'adaptateur AMC.
Utiliser le câble BNC pour relier la sortie SIGNAL OUT de la zone de connexion de l'appareil à rayons X à l'adaptateur AMC.
Préparation de l'expérience
Charger les paramétrages
Brancher l'alimentation portable au réseau (le témoin lumineux passe au « vert » au bout d'env. 2 min et le détecteur d'énergie de rayonnement X est opérationnel).
Pour une mesure exacte des faibles translations d'énergie, il importe de savoir que le calibrage du détecteur d'énergie de rayonnement X se décale légèrement pour des taux de comptage élevés, ce pour quoi une limitation à des
taux de comptage jusqu'à 200 /s semble donc toute indiquée.
Evaluation du taux de comptage dans un arrangement de diffusion :
Placer le corps de diffusion en plexiglas sur le support pour cible et le fixer.
Appuyer sur le bouton-poussoir TARGET et régler manuellement l'angle de la cible sur 20° à l'aide du bouton
tournant ADJUST.
Régler une haute tension du tube U = 35 kV, un courant d'émission I = 1,00 mA et brancher la haute tension.
Lancer le relevé du spectre avec .
Faire lentement varier l'angle du capteur entre 150° et 30° puis relever à chaque fois le taux de comptage global
en haut à droite dans la fenêtre CASSY Lab.
Réduire le courant d'émission si le temps de comptage global vient à nettement dépasser 200 /s.
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CASSY Lab 2
Adaptation du taux de comptage du faisceau primaire :
Démonter le porte-cible avec le support pour cible et positionner le capteur sur 0°.
Placer le diaphragme affaiblisseur sur le collimateur circulaire et l'orienter avec minutie (avec les vis tournées
vers le haut et le bas)
Réduire le courant d'émission à 0,1 mA et brancher la haute tension.
Lancer le relevé du spectre avec .
Par pas de 0,1° de part et d'autre de 0°, chercher l'angle du capteur pour lequel le taux de comptage global dépasse seulement légèrement les taux de comptage mesurés dans l'arrangement de diffusion (éventuellement légèrement modifier le courant d'émission).
Si aucun taux de comptage n'est mesurable ou bien seulement un taux faible :
Vérifier l'orientation du diaphragme affaiblisseur (avec les vis tournées vers le haut et le bas, éventuellement
tourner de 180°).
Procédure expérimentale
Dans le boîtier de la photodiode PIN au silicium du détecteur d'énergie de rayonnement X, le rayonnement X à mesurer génère en plus un rayonnement de fluorescence X qui est lui aussi enregistré. Dans le spectre primaire, il faut
donc aussi s'attendre aux raies Lα et Lβ de l'Au en plus des raies Kα et Kβ du Mo. Ces raies permettent d'effectuer
l'étalonnage énergétique des spectres.
Charger les paramétrages
Relever le spectre primaire (position 0°) avec .
Ensuite, ouvrir l'Étalonnage énergétique dans les paramétrages EA, (clic avec la touche droite de la souris) sélectionner Étalonnage énergétique global à cette entrée puis inscrire à droite les énergies de la raie Lα de l'Au
(9,72 keV) et de la raie Kα de du Mo (17,48 keV).
Dans le menu contextuel du graphe, sélectionner Calcul valeur principale du pic, marquer la raie Lα de l'Au (petit
pic à gauche de la raie Lβ de l'Au elle aussi petite) et inscrire le résultat à gauche dans l'Étalonnage énergétique
(par ex. en le transférant de la ligne d'état par glisser-déposer).
Pour finir, déterminer le centre de gravité de la raie Kα du Mo (grand pic) et également l'inscrire à gauche
Faire passer la représentation sur Énergie (par ex. par glisser-déposer de EA vers le graphe)
Retirer le diaphragme affaiblisseur.
Monter le porte-cible avec le support pour cible sur le goniomètre.
Mettre en place le corps de diffusion en plexiglas et le fixer.
Régler un courant d'émission I = 1,00 mA (ou le courant d'émission déterminé au préalable lors de l'évaluation du
taux de comptage) et brancher la haute tension.
Régler l'angle de la cible sur 20° et l'angle du capteur sur 30°.
Relever un nouveau spectre (position 30°) avec .
Pour finir, relever d'autres spectres pour les angles 60°, 90°, 120° et 150° du capteur alors que l'angle de la cible
est constant.
Exploitation
L'énergie du rayonnement diffusé diminue au fur et à mesure que l'angle de diffusion augmente. L'intensité du rayonnement diffusé est la plus faible pour ϑ = 90°.
Pour une exploitation ultérieure, il est possible de zoomer le domaine autour des pics diffusés et de sélectionner
Calcul valeur principale du pic pour chaque pic décalé en énergie. À partir d'un angle de diffusion ϑ = 90°, la résolution énergétique du détecteur suffit pour la séparation du pic non décalé (diffusion élastique sur les électrons fortement liés) et du pic décalé (diffusion inélastique sur des électrons quasi libres). Seul le domaine du pic décalé en
énergie devra être marqué pour la détermination de la valeur principale du pic.
L'énergie de chaque valeur principale du pic est transférée avec son angle de diffusion dans la représentation Exploitation. Pour ce faire, l'énergie peut être transférée de la ligne d'état vers le tableau par glisser-déposer avec la
souris. L'angle doit être inscrit manuellement dans le tableau.
Afin de comparer les énergies mesurées avec les énergies calculées à partir des équations de conservation du moment et de l'énergie, il est possible, dans la représentation Exploitation, de sélectionner une modélisation libre de
l'équation
17,48/(1+17,48*(1-cos(x))/A)
avec la valeur initiale A = 511(=constante).
2
Le résultat correspond à la courbe théorique avec les paramètres E 1 = 17,48 keV et m0·c = 511 keV qui coïncide
bien avec les valeurs mesurées.
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CASSY Lab 2
Au passage à travers la matière, une part du rayonnement X est diffusé et subit ce faisant un déplacement d'énergie
(effet Compton). Le déplacement d'énergie peut se calculer en interprétant le phénomène de diffusion comme une
collision entre un photon X et un électron libre au repos et en appliquant pour cette collision la conservation de
l'énergie et de l'impulsion.
Remarque
Une alternative consiste aussi à comparer la mesure et la théorie sous la forme d'une modélisation avec le paramètre
de modélisation libre A (de la masse au repos du partenaire de collision des photons X). En résultat, on obtient une
valeur pour le paramètre A qui coïncide en bonne approximation avec la masse au repos d'un électron libre au repos
2
(m0·c = 511 keV).
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