La faible amplitude d’impulsion rencontrée dans les chambres ioniques peut être corrigée en utilisant des détecteurs remplis de gaz d’une manière différente. Un compteur proportionnel utilise le phénomène de multiplication des gaz pour augmenter la taille de l’impulsion par des facteurs de centaines ou de milliers. En conséquence, les impulsions de compteur proportionnel sont dans la plage du millivolt plutôt que du microvolt et peuvent donc être traitées beaucoup plus facilement.

La multiplication des gaz est une conséquence du mouvement d’un électron libre dans un fort champ électrique. Lorsque l’intensité du champ est supérieure à environ 104 volts par centimètre, un électron peut gagner suffisamment d’énergie entre les collisions pour provoquer une ionisation secondaire dans le gaz. Après une telle collision ionisante, deux électrons libres existent à la place de celui d’origine. Dans un champ électrique uniforme dans ces conditions, le nombre d’électrons croîtra de façon exponentielle lorsqu’ils seront tirés dans une direction opposée à celle du champ électrique appliqué. La croissance de la population d’électrons n’est terminée que lorsqu’ils atteignent l’anode. La production d’une telle pluie d’électrons s’appelle une avalanche de Townsend et est déclenchée par un seul électron libre. Le nombre total d’électrons produits dans l’avalanche peut facilement atteindre 1 000 ou plus, et la quantité de charge générée dans le gaz est également multipliée par le même facteur. L’avalanche de Townsend se produit dans un laps de temps inférieur à une microseconde dans les conditions typiques présentes dans un compteur proportionnel. Par conséquent, cette charge supplémentaire contribue normalement à l’impulsion qui est observée à partir de l’interaction d’un quantum incident unique.

Dans un compteur proportionnel, l’objectif est que chaque électron libre d’origine qui se forme le long de la piste de la particule crée sa propre avalanche de Townsend individuelle. Ainsi, de nombreuses avalanches se forment pour chaque particule chargée incidente. L’un des objectifs de conception est de garder chaque avalanche de la même taille afin que la charge totale finale créée reste proportionnelle au nombre de paires d’ions d’origine formées le long de la piste de particules. La proportionnalité entre la taille de l’impulsion de sortie et la quantité d’énergie perdue par le rayonnement incident dans le gaz est la base du terme compteur proportionnel.

Pratiquement tous les compteurs proportionnels sont construits à l’aide d’une anode en fil de petit diamètre placée à l’intérieur d’une cathode plus grande, généralement cylindrique, qui sert également à enfermer le gaz. Dans ces conditions, l’intensité du champ électrique est non uniforme et atteint des valeurs importantes au voisinage immédiat de la surface du fil. Presque tout le volume du gaz est situé en dehors de cette région de champ élevé, et les électrons formés à une position aléatoire dans le gaz par le rayonnement incident dérivent vers le fil sans créer d’ionisation secondaire. Au fur et à mesure qu’ils sont rapprochés du fil, ils sont soumis au champ électrique en constante augmentation, et finalement sa valeur devient suffisamment élevée pour provoquer le déclenchement d’une avalanche de Townsend. L’avalanche se développe alors jusqu’à ce que tous les électrons atteignent la surface du fil. Comme presque toutes les avalanches se forment dans des conditions de champ électrique identiques quelle que soit la position dans le gaz où l’électron libre s’est formé à l’origine, la condition que leurs intensités soient les mêmes est remplie. De plus, l’intensité élevée du champ électrique nécessaire à la formation d’avalanches peut être obtenue en utilisant des tensions appliquées entre l’anode et la cathode ne dépassant pas quelques milliers de volts. Près de la surface du fil, l’intensité du champ électrique varie inversement avec la distance du centre du fil, de sorte que des valeurs de champ extrêmement élevées existent près de la surface si le diamètre du fil reste faible. La taille de l’impulsion de sortie augmente avec la tension appliquée au tube proportionnel, car chaque avalanche est plus vigoureuse à mesure que l’intensité du champ électrique augmente.

Afin de soutenir une avalanche de Townsend, les charges négatives formées lors de l’ionisation doivent rester sous forme d’électrons libres. Dans certains gaz, les molécules de gaz neutres ont tendance à capter un électron supplémentaire, formant ainsi un ion négatif. Parce que la masse d’un ion négatif est des milliers de fois plus grande que la masse d’un électron libre, il ne peut pas gagner suffisamment d’énergie entre les collisions pour provoquer une ionisation secondaire. Les électrons ne se fixent pas facilement aux molécules de gaz noble, et l’argon est l’un des choix courants pour le gaz de remplissage dans les compteurs proportionnels. De nombreuses autres espèces de gaz conviennent également. L’oxygène se fixe facilement aux électrons, cependant, de sorte que l’air ne peut pas être utilisé comme gaz de remplissage proportionnel dans des circonstances normales. Les compteurs proportionnels doivent donc soit être étanches contre les fuites d’air, soit fonctionner comme des détecteurs de flux de gaz continus dans lesquels toute contamination de l’air est évacuée du détecteur en faisant circuler en continu le gaz de remplissage à travers le volume actif.

Pour les compteurs proportionnels de taille normale, seules les particules chargées lourdes ou d’autres rayonnements faiblement pénétrants peuvent être complètement arrêtés dans le gaz. Par conséquent, ils peuvent être utilisés pour les mesures d’énergie des particules alpha, mais pas pour les particules bêta à plus longue portée ou d’autres électrons rapides. Les électrons de basse énergie produits par les interactions de rayons X dans le gaz peuvent également être complètement arrêtés, et les compteurs proportionnels trouvent également une application en tant que spectromètres de rayons X. Même si les électrons rapides ne déposent pas toute leur énergie, le processus de multiplication des gaz donne une impulsion généralement assez grande pour enregistrer, et des compteurs proportionnels peuvent donc être utilisés dans des systèmes de comptage simples pour les particules bêta ou les rayons gamma.

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