Quelques mots sur les
compteurs Geiger-Muller

© Pascal Chour
V1.2 - 2015-2017

Introduction

Allez savoir pourquoi, je m'intéresse aux compteurs Geiger-Muller (CGM par la suite). Peut-être un résidu de mes lectures de Science-fiction post-apocalyptique ou l’ambiance de la guerre froide que j’ai un peu connu. Bref, j’ai construit mon premier compteur dans les années 1980, puis j’en ai acheté un (Gamma Scout) en 2000 (de mémoire) puis j’en ai construit plusieurs avec comme objectif, avoir des appareils de grande autonomie (car selon une loi bien connue dans l’univers, la batterie est morte le jour où on en a besoin).

Cette page donne quelques informations sur les CGM avec comme idée, non pas de vous expliquer la théorie de la radioactivité (il y a des tonnes de sites Web qui font ça très bien (et d’autres moins…)) mais plutôt, de vous aider à construire (ou choisir) un appareil qui, je l’espère, vous sera inutile !

Le Compteur Geiger Muller (CGM)

Un compteur Geiger Muller est un appareil de mesure qui compte le nombre de certaines particules qui passent par son détecteur.

Notre environnement (et nous même) produisons de telles particules à des taux plus ou moins importants. En deçà d’une certaine valeur, on considère que ce taux est « normal » et supportable par notre organisme. Au-delà d’une autre valeur, on considère que la dose est létale à plus ou moins brève échéance. Entre les deux, on est dans une zone de plus en plus dangereuse au fur et à mesure de l’augmentation du taux.

Le CGM permet de savoir dans quelle zone on se trouve.

Fonctionnement d’un tube Geiger-Muller (GM)

Un des principaux détecteurs utilisé est le tube Geiger-Muller mis au point dans les années 1920. Son principe est le suivant :

img

Le tube GM le plus classique a la forme d'un cylindre. Il est rempli d’un gaz non conducteur d’électricité (néon, argon hélium, krypton…) sous basse pression. A l’intérieur de ce tube étanche (qui est parfois en verre) se trouve un autre tube métallique (parfois, il s’agit du corps du tube lui-même) dans lequel se trouve une électrode (qui fait à peu près la longueur du tube) qu’on appelle cathode. Au centre de la cathode se trouve une autre électrode, une tige métallique, qu'on appelle anode. Les électrodes sont accessibles, soit à chaque extrémité, soit, regroupées sur une des extrémités du tube. Le SBM20 est une bonne illustration de ce type de tube. Les électrodes sont accessibles aux deux extrémités.

img
Un tube Russe SBM20

Certains tubes sont des cylindres munis d'une fenêtre en mica à une extrémité (exemple, le (LND712). Typiquement, ces tubes sont conçus pour détecter les rayonnements Alpha (en plus des Beta et Gamma). Exemple, le LND712.

img
Un tube US LND712

Certains tubes ont la forme d'un disque ou d'une boite plate, avec une anode en spirale, ou plusieurs anodes en parallèle et une grande fenêtre en mica sur une des faces. Ces tubes sont conçus pour détecter les rayonnements Alpha (en plus des Beta et des Gamma). De par leur forme, on les appelle des tubes Pancake.

img
Un tube Russe pancake SI-8B

Reprenons notre explication. Entre la cathode et l’anode, on établie une certaine différence de potentiel (en général, plusieurs centaines de volts). Cette différence de potentiel est choisie pour être à la limite au-delà de laquelle, le gaz pourrait s’ioniser et devenir conducteur.

En régime normal, aucun courant ne circule entre la cathode et l’anode.

Lorsqu’une particule/rayonnement traverse le tube, elle interagit avec le gaz et si son niveau d’énergie est suffisant, elle va créer des ions négatifs, des électrons très mobiles et des ions positifs moins mobiles que les électrons. Ces ions sont collectés par la cathode et l’anode ce qui créé une circulation de courant entre les deux électrodes.

Lors de cette collecte, les électrons les plus éloignés de l’anode, vont acquérir une énergie cinétique importante durant leur parcours.

Cette énergie est suffisante pour ioniser d’autres molécules de gaz au voisinage de l’anode et créer ainsi une sorte d’amplification connue sous le nom de « décharge Townsend ».

Cette ionisation va créer d’autres ions positifs au voisinage de l’anode. Etant moins mobiles, ces ions créés une charge d’espace positive qui va finir par arrêter le phénomène de décharge.

Petit à petit, les ions positifs vont terminer leur migration vers la cathode. Ces ions vont alors regagner les électrons qui leur manquent ce qui leur permet de revenir à un état neutre. Toutefois, cette opération va se faire en émettant un photon dont l’énergie est suffisante pour ioniser de nouveau le gaz, d’autant plus que le photon n’est pas gêné par une charge d’espace.

Si l’on ne fait rien, un effet d’avalanche peut se créer et détruire le tube. Pour éviter ce phénomène, on introduit un gaz (butane, éthanol…) dont le rôle est de « souffler » ou d’ « éteindre » cet effet (on parle de quenching gas en anglais).

Le gaz d’extinction est choisi de telle sorte que ses ions positifs ne produisent pas de photons lorsqu’ils retournent à l’état neutre. Ainsi, les ions positifs du gaz principal vont pour certains entrer en collision avec des molécules du gaz d’extinction, passer à l’état neutre en transférant leur énergie aux molécules du gaz d’extinction qui s’ionisent à leurs tours. Les ions positifs rejoignent alors la cathode afin de regagner des électrons mais comme on l’a mentionné avant, sans émettre de photon ce qui finit par arrêter le phénomène d’avalanche.

L'animation ci-dessous provient du site du CEA (cliquez sur l'image pour voir l'animation).

img

Durant ces phénomènes, un courant circule dans le tube qui doit être détecté par le compteur. Une fois détecté, le rôle du compteur est de restituer l’événement avec une interface utilisable par un humain. Typiquement :

Ces trois modes ne sont bien sur pas exclusifs.

On notera que durant le temps de la conduction, le tube n’est plus en mesure de détecter une autre particule. Il faut qu’il revienne à son état d’origine ce qui prend, comme on l’a vu, un certain temps. Ce temps, appelé « temps mort », est donc une caractéristique importante d'un tube puisqu’il permet de déterminer sa capacité maximale de détection, donc, pour le compteur, le taux de comptage maximum. Dans les tubes que l'on trouve courramment, la valeur du temps mort est de l'ordre de 50 à 100µs.

Il existe également un « temps de recouvrement » ou « temps de restitution » qui fait suite au temps mort. Cette durée est lié au fait que les ions positifs mettent comme on l’a vu un certain temps avant d’être capturés par la cathode. Ce champ électrique diminue la sensibilité du tube ce qui diminue la capacité de comptage sans pour autant l’annuler totalement. Le tube retrouve ses caractéristiques complètes lorsque tous les ions positifs ont été capturés par la cathode.

Interpréter le comptage

Une difficulté est d’interpréter le taux affiché par le compteur. Savoir que 35 particules ont été détectées en une minute n’est effectivement pas très parlant.

Le détecteur de particule (un tube Geiger-Muller dans notre cas) est conçu pour détecter certaines particules ou rayonnements. Par exemple, il peut s’agir de particules Gamma (de même nature que la lumière, donc des photons), Beta (de même nature que les électrons), Alpha (noyau d’Hélium composé de deux neutrons et deux protons).

Certains tubes sont sensibles au rayonnement Alpha, d’autres aux rayonnements Beta et Gamma, d'autres encore, seulement aux rayonnements Gamma. Les tubes détectant les rayonnements Beta et Gamma sont les plus courants.

Au final, ce qui compte, c’est ce que votre organisme peut absorber sans qu’il soit trop dégradé. C’est pourquoi a été inventé une unité de mesure, le Sievert qui donne une idée de l’impact biologique des rayonnements absorbés par l’homme.

Pour passer d’un nombre de particules mesurées au Sievert, un facteur de conversion est affecté à chaque tube selon sa sensibilité et les rayonnements qu’il détecte. Malheureusement, ce facteur est parfois difficile à déterminer et ne prend évidemment pas en compte le fait que certains rayonnements sont ou non détectés par un tube particulier.

En conséquence, la mesure en Sievert donnée par un CGM est sujette à caution.

img

Le tableau ci-dessus illustre ce point. Considérons deux tubes GM dont les sensibilités aux différents rayonnements sont indiquées par les courbes bleues et rouges. L'abscisse correspond aux rayonnements et l'ordonnée à la sensibilité à ces rayonnements.

Supposons qu'il existe une source de rayonnement R1. Le tube bleu détectera ce rayonnement, donc le comptage sera supérieur à 0 alors que le tube rouge ne détectera rien et affichera 0. La conversion en Sievert étant le produit de ce comptage par un facteur de conversion constant (disons 1 pour le besoin de cet exemple), le compteur équipé du tube bleu affichera une certaine valeur en Sievert par unité de temps (5) alors que le compteur équipé du tube rouge affichera 0.

Si l'on considère maintenant le rayonnement R2, Etant donné la sensibilité supérieure du tube rouge à ce rayonnement, le nombre de particules comptées sur une certaine durée sera plus grand que pour le tube bleu, un peu plus de deux fois plus. Donc la valeur en Sievert affichée par le compteur équipé du tube rouge sera un peu plus de deux fois plus grande (4) que pour le compteur équipé du tube bleu (un peu moins de 2).

Evidemment, on pourrait décider que le facteur de conversion du tube bleu doit être muliplié par deux pour obtenir la même valeur en Sievert que le tube rouge. Mais dans ce cas, comment considérer la valeur mesurée pour R1 qui serait elle aussi multipliée par deux et qui vaudrait donc 10 dans cet exemple.

La raison à tout cela vient du fait que les tubes ne distinguent pas les types de rayonnements qu'ils mesurent et que le facteur de conversion est une constante donnée pour un certain type de rayonnement correspondant à un certain niveau d'énergie.

Déçu ? Il ne faut pas ! Il faut juste connaitre les limites d'un CGM et savoir interpréter les mesures. En pratique, ce qui intéresse l'utilisateur, ce sera plus la variation du niveau de comptage que sa valeur exacte. Savoir que la radioactivité ambiante a subie une augmentation d’un facteur 10 par rapport à une mesure dans un environnement sain est une indication intéressante en mesure de vous alerter sur la dangerosité de l’endroit où vous avez pris la mesure.

C'est aussi la raison pour laquelle, pour ma part, je préfère suivre la valeur en comptage par minute (CPM) qu'en Sievert qui me semble moins parlante.

Peut-on distinguer les types de rayonnements ?

Vous l'avez compris, en théorie, non. On sait simplement que l’on a détecté une particule.

Toutefois, il existe une astuce permettant de distinguer avec plus ou moins de précision les types de rayonnements. Cette astuce est mise en œuvre sur le compteur Gamma Scout décrit plus loin.

Les rayonnements peuvent être arrêtés par des obstacles placés sur leur parcours. Ainsi, le rayonnement Alpha est arrêté par une simple feuille fine d’aluminium. Pour le rayonnement Beta, une feuille d’épaisseur plus grande peut également les arrêter. Par contre, pour le rayonnement gamma, l’épaisseur du matériau à placer pour les arrêter devient vite trop importante pour qu’on puisse envisager de mettre un tel obstacle dans un compteur portatif  : Certaines sources parlent d’une épaisseur de plomb de 6cm pour diminuer de 30% l’intensité du rayonnement.

Supposons que l’on dispose d’un tube Geiger-Muller en mesure de détecter les rayonnements Alpha, Beta et Gamma.

Faites une mesure en mettant un obstacle ne laissant passer que le rayonnement Gamma. Puis refaite la mesure en retirant l’obstacle. En supposant que la source de rayonnement soit constante, vous pourrez par différence connaître le rayonnement Beta et Alpha. Le même raisonnement s’applique pour distinguer le rayonnement Alpha du rayonnement Beta et Gamma.

Une autre possibilité est d’utiliser plusieurs tubes ne détectant chacun que certains type de rayonnements (par exemple, Gamma pour un tube, Alpha, Beta et Gamma pour un autre) et de procéder par soustraction des mesures via un traitement informatique.

Mais comme déjà dit, ces astuces ont leurs limites et le CGM n’est pas un bon instrument pour faire une mesure précise des divers types de rayonnements.

Valeurs normales de la radioactivité

Les valeurs normales de la radioactivité mesurées en CPM varient d'un tube à l'autre (et aussi, d'un endroit à l'autre). On admet généralement que des valeurs comprises entre 0 et 50CPM (typiquement, 20 à 50CPM pour un SBM20) correspondent à la radioactivité ambiante.

La réglementation fixe également les valeurs en Sievert autorisées en fonction des types de population (source www.laradioactivite.com).

img

Si l'on se base sur la valeur de 1mSv.an, la valeur horaire maximale (taux généralement affiché sur les compteurs) devrait être de l'ordre de 0,114µSv.

Si votre compteur affiche 1,14µSv.h, la réglementation indique que les populations doivent être mises à l'abri. A partir de 5,7µSv.h, la population doit être évacuée. A partir de 11,4µSv.h, des doses d'iodes doivent être disribuées.

Comptages réels

Vous trouverez ci-après quelques exemples de mesures dans différents environnements réalisés par trois compteurs :

Ces mesures ont été faites entre juin et octobre 2016. Les valeurs en Sievert sont des ordres de grandeur.

Localisation Compteur CPM mSv/an Commentaire
Bretagne
près de Rennes
GammaScout 180,4Moyenne sur 6 mois environ
PC-GM523
PC-GM621
ParisGammaScout100,2 La radioactivité près de Rennes est un peu moins de deux fois celle à Paris
PC-GM512
PC-GM611
Vol Paris-Osaka
07/2016
GammaScout273 6,5La radioactivité reçue durant un vol long courrier est énorme.
Vol Osaka-Paris
08/2016
GammaScout287
Séjour Osaka
07/2016
GammaScout130,3La radioactivité moyene est du même ordre que celle de Paris

La mesure du rayonnement est parfois pleine de surprise. Ainsi, visitant un jour la cathédrale Saint-Etienne à Saint-Brieuc,j'ai eu la surprise de constater que mon compteur s'affolait lorsque j'étais proche de certaines dalles du sol : celles qui sont très sombres. Je n'ai plus les chiffres en tête (c'était aux alentour de 2000) mais je me souviens que la différence par rapport à la radioactivité ambiante "normale" était très significative.

PC-GM5 et PC-GM6 disposent du même tube. Pourquoi des différences de comptage ?

On peut imaginer de légères dérives en fabrication. Une autre raison plus probable vient de la différence de conception entre les deux compteurs. PC-GM6 dispose d'un monostable dont le réglage est destiné à empêcher les mesures durant le temps mort. En pratique, j'ai réglé le monostable à une valeur supérieure à la valeur de temps mort du tube. Ceci peut expliquer que PC-GM6 mesure donc un peu moins d'impulsions que PC-GM5 (sensibilité diminuée d'environ 10%).

Modèles de tubes et caractéristiques

A part pour les tubes Russes provenant de New Old Stock, il n'est pas simple de trouver des revendeurs de tubes neufs ni même parfois, les caractéristiques de ces tubes.

Voici quelques adresses de site Web de fabricants de tubes en 2016. Vous verrez que pour certain d'entre eux, il n'y a aucune documentation disponible. Pour d'autres, elle est très incomplète.

Il faut rappeler que certains équipements sont soumis aux accords de Wassenaar pour les autorisations d'exportation, ceci expliquant peut-être cela...

Le site en anglais DiyGeigerCounter donne plein d'informations sur toutes sortes de tubes. j'ai ajouté les références de tubes pour lesquels j'ai trouvé quelques caractéristiques. Le tableau ci-dessous en donne un résumé.

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Commentaire
LND712 img
Alpha
Beta
Gamma
450-650
(500V)
90µs 10M 0.0081208
0,00926
0,00833
0,009
0,01
0,00233
L=50mm, D=15mm. US (LND). Fenêtre Mica. Equipe le Gamma-Scout.
LND7317 Alpha
Beta
Gamma
475-675
(500V)
60µs 4,7M 0.0024 L=76,1mm, D=53,6mm. US (LND). Pancake avec fenêtre mica.
LND7231 Alpha
Beta
Gamma
450-700
(500)
30µs 4,7M ? D=33mm, h=22mm. US (LND). Pancake avec fenêtre mica.
LND7616 Alpha
Beta
Gamma
750-950
(760)
75µs 1M ? L=63,4mm, D=6,4mm. US (LND). Fenêtre mica
MC6 img
Gamma 780-880
(820)
? 8 à 15M ? L=260mm, D=21,5mm. Russe. Tube géant. Très sensible.
M4011 img
Beta
Gamma
360-440
(380V)
? ? 0,00662 L=90mm, D=10mm. Chinois. Se veut équivalent au SBM20. Datasheet
Philips RTC
18504
Alpha
Beta
Gamma
425-675
(500)
100µs 10M ? L=43mm hors électrodes, D=15mm. Fenêtre Mica.
SBM20 img
Beta
Gamma
350-475
(400V)
190µs 5,1M 0.0057
0,00664
0,00504
0,00584
0,00277
L=108mm. Russe. Tube bon marché et assez sensible. Temps mort un peu long.
SBM21 img
Beta
Gamma
370-480
(400V)
64µs 3 à 15M ?
L=22mm, D=6mm. Russe. Datasheet
SI29BG Beta
Gamma
360-440
(400V)
95µs ? 0.0082 L=61,5mm, D=10mm. Russe. Plus petit que le SBM20 et proche dans les caractéristiques.
SBM10 img
Beta
Gamma
370-480
(400V)
64µs ? ? L=35mm. Russe.
SBT9 Alpha
Beta
Gamma
350-450
(390V)
100µs 10M 0.0117 L=66mm, D=10mm. Russe.
SBT10A img
Alpha
Beta
Gamma
(380) 50µs 10M par électrodes ? Fenêtre Mica. 10 électrodes
SBT11A img
Alpha
Beta
Gamma
260-320
(?)
? ? 0.0031 L=55mm, l=30mm. Russe. Comparable au LND7317 dans ses performances.
STS6 img
SBM19
Beta
Gamma
390-400
(?)
? 5 à 10M 0.0021 L=199mm, D=22mm. Russe. Grand tube ! Très sensible.
SI8B img
Beta
Gamma
360-440
(?)
? 20M 0,00232 D=75mm. Russe. Pancake.
SI1G img
Beta
Gamma
360-440
?
? 5 à 10M ? Russe. Plus sensible que SI3BG
SI3BG img
Beta
Gamma
380-460
(400)
? 10M 0,044 L=55mm, D=8mm. Russe. Pas sensible, à éviter. Pas cher.
S800-1188 Beta
Gamma
850-1000
(925)
? ? ? L=51,3mm, D=18,4mm. US/FR (St Gobain). Datasheet.
S800-1192 Beta
Gamma
850-1000
(900)
20µS 3,3M ? L=12,7mm, D=44,5mm. US/FR (St Gobain). Pancake. Datasheet.
S800-1193 Beta
Gamma
475-675
(500)
40µS 3,3M ? L=12,7mm, D=44,5mm. US/FR (St Gobain). Pancake. Datasheet.
S800-1210 et 1209 Beta
Gamma
850-1050
(950)
? ? ? L=110mm, D=15,4mm. US/FR (St Gobain). Datasheet.
S800-1211,1212 et 1240 Beta
Gamma
850-1050
(950)
? ? ? L=123,4mm, D=18,5mm. US/FR (St Gobain). Datasheet.
S800-1213 et 1214 Beta
Gamma
650-800
(725)
? ? ? L=124,2mm, D=15,4mm. US/FR (St Gobain). Datasheet.
S800-1215 et 1216 Beta
Gamma
650-800
(725)
? ? ? L=175,8mm, D=15,4mm. US/FR (St Gobain). Datasheet.
S800-1217 et 1218 Beta
Gamma
850-1050
(950)
? ? ? L=224,5mm, D=15,4mm. US/FR (St Gobain). Datasheet.
S800-1219 et 1220 Beta
Gamma
650-800
(725)
? ? ? L=71,1mm, D=15,4mm. US/FR (St Gobain). Datasheet.
S800-1222 Alpha
Beta
Gamma
450-650
(550)
? ? ? L=34mm, D=14,5mm. US/FR (St Gobain). Datasheet.
S800-1224 Gamma 450-600
(525)
? ? ? L=34mm, D=14,5mm. US/FR (St Gobain). Datasheet.
S800-1225 Gamma 500-750
(625)
? ? ? L=201,4mm, D=15,4mm. US/FR (St Gobain). Datasheet.
S800-1227 Gamma 450-650
(500)
? ? ? L=193mm, D=18,4mm. US/FR (St Gobain). Datasheet.
S800-1229 Beta
Gamma
850-1000
(925)
? ? ? L=220,8mm, D=15,4mm. US/FR (St Gobain). Datasheet.
S800-1230 et 1232 Beta
Gamma
850-1050
(950)
? ? ? L=221,3mm, D=15,4mm. US/FR (St Gobain). Datasheet.
S800-1235 Alpha
Beta
Gamma
450-650
(550)
? ? ? L=34mm, D=14,5mm. US/FR (St Gobain). Fenêtre Mica. Datasheet.
S800-1236 et 1237 Alpha
Beta
Gamma
850-950
(900)
? ? ? L=62,5mm, D=28,6mm. US/FR (St Gobain). Fenêtre Mica. Datasheet.
S800-1241 Beta
Gamma
650-800
(725)
? ? ? L=62,2mm, D=15,4mm. US/FR (St Gobain). Datasheet.
S800-1245 Gamma 500-650
(575)
? ? ? L=29,2mm, D=7,8mm. US/FR (St Gobain). Datasheet.
S800-1254 Beta
Gamma
400-500
(450)
? ? ? L=135,9mm, D=18,5mm. US/FR (St Gobain). Datasheet.
S800-1255 Beta
Gamma
400-500
(450)
? ? ? L=222,3mm, D=18,5mm. US/FR (St Gobain). Datasheet.
S800-1262 Beta
Gamma
850-1050
(950)
? ? ? L=115,8mm, D=15,4mm. US/FR (St Gobain). Datasheet.
T2000/500 Alpha
Beta
Gamma
450-600
(500)
50µs 3,3M ? L=53,6mm, D=15,3mm. US (Canberra). Pancake, fenêtre mica 44,5mm.Datasheet.
T2000/900 Alpha
Beta
Gamma
850-1000
(900)
50µs 3,3M ? L=53,6mm, D=15,3mm. US (Canberra). Pancake, fenêtre mica 44,5mm. Datasheet.
T2006/500 Alpha
Beta
Gamma
450-600
(500)
50µs 3,3M ? L=53,6mm, D=31,7mm. US (Canberra). Pancake, fenêtre mica 44,5mm. Datasheet.
T2006/900 Alpha
Beta
Gamma
850-1000
(900)
50µs 3,3M ? L=53,6mm, D=31,7mm. US (Canberra). Pancake, fenêtre mica 44,5mm. Datasheet.
T2011/500 Alpha
Beta
Gamma
450-600
(500)
40µs 3,3M ? L=32,5mm, D=33,5mm. US (Canberra). Pancake, fenêtre mica 27,9mm. Datasheet.
T2011/900 Alpha
Beta
Gamma
850-1000
(900)
40µs 3,3M ? L=32,5mm, D=33,5mm. US (Canberra). Pancake, fenêtre mica 27,9mm. Datasheet.
VA-Z-115.1 Beta
Gamma
(450) ? 2M 0,0044 L=53mm, D=14mm. Allemand. Ne pas confondre avec VA-Z-114NR pas sensible du tout.
ZP1200 Gamma 400-600 90/12µs 10M ? L=56mm, D=17mm. France (RTC/Philips). Datasheet.
ZP1201 Gamma 400-600 110/12µs 10M ? L=58mm, D=19,5mm. France (RTC/Philips). Datasheet.
ZP1301 Gamma 500-600 13/1µs 2,2M ? L=28,5mm, D=6,2mm. France (RTC/Philips). Datasheet.
ZP1313 Gamma 500-650 15/2µs 2,2M ? L=36,9mm, D=8,9mm. France (RTC/Philips). Datasheet.
ZP1210 Gamma 400-500 200/70µs 2,7M ? L=170mm, D=23,4mm. France (RTC/Philips). Datasheet.
ZP1220 Gamma 400-500 210/90µs 2,7M ? L=270mm, D=23,4mm. France (RTC/Philips). Datasheet.
ZP1300 Gamma
Beta
500-600 11/1µs 2,2M ? L=27mm, D=6,2mm. France (RTC/Philips). Datasheet.
ZP1310 Gamma
Beta
500-650 15/2µs 2,2M ? L=37mm, D=6,2mm. France (RTC/Philips). Datasheet.
ZP1322 Gamma
Beta
500-650 15/2µs 4,7M ? L=55mm, D=10mm. France (RTC/Philips). Datasheet.
ZP1330 Gamma
Beta
450-800 110/25µs 2,2M ? L=142mm, D=19mm. France (RTC/Philips). Datasheet.
ZP1400 Beta
Gamma
450-600 90/12µs 10M ? L=55mm, D=17mm. France (RTC/Philips). Fenêtre mica 9mm. Datasheet.
ZP1410 Alpha
Beta
Gamma
450-700 175/15µs 10M ? L=57mm, D=25,9mm. France (RTC/Philips). Fenêtre mica 19,8mm. Datasheet.
ZP1430 Alpha
Beta
Gamma
450-700 190/25µs 10M ? L=57mm, D=34mm. France (RTC/Philips). Fenêtre mica 27,8mm. Datasheet.
ZP1431 Beta
Gamma
450-700 190/25µs 10M ? L=57mm, D=34mm. France (RTC/Philips). Fenêtre mica 27,8mm. Datasheet.
ZP1442 Beta
Gamma
500-700 65/8µs 4,7M ? L=30mm, D=25,9mm. France (RTC/Philips). Fenêtre mica 19,8mm. Datasheet.
ZP1450 Alpha
Beta
Gamma
850-1000
(900)
40µs 3,3M ? L=32,5mm, D=33,5mm. UK (Centronic). Pancake, fenêtre mica 27,9mm.
ZP1452 Beta
Gamma
500-750 65/18µs 10M ? L=34mm, D=34mm. France (RTC/Philips). Fenêtre mica 27,8mm. Datasheet.
ZP1600 Rayons X 1600-2000
(1450)
110/25µs 10M ? L=127mm, D=25,9mm. France (RTC/Philips). Fenêtre mica 19,8mm. Datasheet.

Les compteurs du commerce

En 2016, l’offre de CGM grand public est assez importante si l’on considère les appareils fournis clés en main et les kits.

Tous les appareils modernes sont à base de microprocesseur ce qui permet de réaliser un comptage et calculer des moyennes, voire, de mémoriser des comptages sur une période plus ou moins longue. L’affichage se fait sur un écran à cristaux liquides ou OLED, qui peuvent être purement alphanumériques ou graphiques.

Outre les aspects fonctionnels, ce qui distingue les compteurs sont les tubes utilisés. Certains sont très performants, d’autres moins. Un mérite qu’on s’y attarde plus particulièrement :

Le Gamma Scout

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Le compteur Gamma Scout est de très loin le compteur le plus performant du marché grand public en 2015.

Enfin, il permet de filtrer les types de rayonnements (Alpha + Beta + Gamma ou Beta + Gamma ou Gama seuls).

Les autres compteurs

Beaucoup de compteurs modernes, comme les RADEX 1503+, le MKC-03CA, les kits, utilisent un tube Russe SBM20 qui détecte les rayonnements Gamma et Beta. Ce tube a une bonne réputation et c’est aussi celui que j’ai utilisé pour certaines de mes réalisations.

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Compteurs Ecotest Terra-P et Radex 1503
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Compteurs Radex 1212 et Alpha iX
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Compteurs chinois rm2012 et lk3600

Pour le reste, ils sont très en deçà des performances du Gamma-Scout, en particulier au plan de la consommation. La plupart n’ont qu’une autonomie de quelques centaines d’heures (typiquement, 400 à 500 heures), même ceux qui se parent du qualificatif de basse consommation. La cause : une conception archaïque, sachant que le Gamma-Scout avec ses 10 ans d’autonomies est disponible depuis la fin des années 1990. Du fait de leur piètre conception, j'aurais tendance à vous les déconseiller. Certes, ils sontt souvent moins coûteux qu'un Gamma-Scout (en 2015, environ 300€ poour le modèle standard qui est bien suffisant contre 150€ pour un Radex RD1503+) mais à l'usage ils seront décevant.

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Compteurs en kit MyGeiger et Base Arduino

En terme de consommation, les kits ne sont pas mieux conçus que la plupart des compteurs du commerce mais ils permettent d'expérimenter.

Sachez néanmoins qu’il est possible d’expérimenter tout en ayant un compteur de très faible consommation comme les PC-GM3 à 6 (10 ans d’autonomie dans ma version) dont je propose les schémas et les logiciels sur ce site. Par leurs performances, ils sont très proches du Gamma-Scout et vous pouvez améliorer leurs fonctionnalités en modifiant le programme proposé.

Conseils de réalisation d'un CGM

Le schéma de principe d'un CGM est très simple :

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Depuis les années 1990, l'interface homme-machine est le plus souvent un afficheur numérique, par exemple, à cristaux liquides, piloté par un microprocesseur, couplé à un système sonore (les crépitements lors de la détection d'une particule).

Le convertisseur de tension est l'élément le plus délicat car c'est souvent le plus énergivore. Il n'est pas rare de trouver des montages consommant plusieurs mA, voire, dizaine de mA. Pour ma part, j'utilise un montage tout fait, le imex 38-56. Sa consommation est de l'ordre de quelques µA à quelques dizaine de µA. De plus, il fonctionne à partir de 3V ce qui est compatible avec l'alimentation des microprocesseurs.

Pour le tube, le choix dépend de ce que l'on veut détecter. Un SBM20 permet d'avoir un compteur passe-partout pour un coût modeste mais qui ne détecte pas le rayonnement Alpha.

Pour l'interface homme-machine, il est possible de réaliser simplement un traitement par microprocesseur dont la consommation est de l'ordre de 10µA, affichage compris (voir mes réalisations ci-après).

En dépit de cette simplicité, on peut avoir des soucis de mise au point. Il faut alors avoir quelques instruments de mesure et l'oscillscope à mémoire n'est pas un luxe lorsqu'on tombe sur un os. Les paragraphes qui suivent donnent quelques difficultés typiques liées à la mise au point d'un CGM. Les difficultés classiques associées à tous les montages électroniques ne sont pas évoquées.

Réglage haute tension

La première difficulté consiste à régler la haute-tension, si elle est réglable. Le multimètre n'est pas suffisant car son impédance est en général trop faible (typiquement, 10Mohms pour un multimètre électronique, 20 à 40kohms par volt pour un multimètre analogique) au regard des courants mis en jeux : le générateur haute-tension n'est pas prévu pour fournir des courants importants et la tension va s'effondrer lors des mesures.

Il est conseillé de réaliser une sonde de mesure avec une résistance série de l'ordre de 1Gohms. La tension du générateur se calcule ainsi :

Vréel = Vlu x ((Rmultimètre + Rsonde) / Rmultimètre)

Vréel est la tension du générateur. Vlu est la tension lue sur le multimètre. Rsonde est la résistance de la sonde (1Gohms). Rmultimètre est l'impédance d'entrée du multimètre (en général, 10Mohms).

Branchement du tube

L'anode du tube est raccordé à l'alimentation haute-tension via une résistance qui limite le courant lorsque se produit le phénomène d'avalanche suite à la détection d'une particule. La valeur de cette résistance est donnée par le constructeur du tube.

Tous les auteurs sont d'accords sur un point, la résistance doit être raccordée au plus près du tube. Si le tube est raccordée par un fil électrique à la résistance, la longueur de ce fil doit être très courte : maximum 2 à 3 cm si possible.

Pour la mesure, celle-ci peut se faire au niveau de l'anode ou au niveau de la cathode.

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Le branchement au niveau de la cathode est le plus simple mais certains auteurs le déconseillent. Avec ce montage, la cathode est flottante par rapport à la masse. Il semble que cette masse flottante peut perturber l'extinction du phénomène d'avalanche et entrainer des pics de tension parasites qui faussent la mesure.

La mesure au niveau de l'anode, avec cathode à la masse, semble être plus fiable. Ce branchement est préconisé par certains auteurs et par certains constructeurs (voir par exemple les spécifications des tubes LND).

Pour ma part, PC-GM3 et PC-GM4 utilisent la mesure sur la cathode et ils semblent fonctionner correctement sauf que... de temps en temps, j'ai des oscillations parasites avec certains tubes. Le modèle PC-GM5 est une version simplifiée des PC-GM3 et PC-GM4 et utilise la mesure sur l'anode.

Dysfonctionnements divers

Il peut arriver que les valeurs mesurées augmentent sans que la radioactivité soit en cause. Cela m'est arrivé avec un de mes compteurs alors que les autres affichaient les valeurs habituelles. Je n'ai pas d'explication claire à ce sujet. A l'oscilloscope, le signal comportait parfois de nombreux "rebonds" qui étaient comptabilisés comme autant de détections. Le tube utilisé était un SBM20.

Ce qui est curieux est que le phénomène est apparu après plusieurs semaines de fonctionnement continu. J'ai éteint le compteur quelques jours. A la remise en route, le compteur a fonctionné normalement puis de nouveau, la valeur mesurée s'est mise à augmenter.

Le remplacement du tube a supprimé le défaut. Une raison possible est que l'extinction du tube se fait mal parce que le gaz prévu à cet effet s'est dégradé. Le remplacement du tube a résolu le problème. Il faut savoir que les tube SBM20 ont été fabriqués il y a longtemps et que leurs caractéristiques ne sont peut-être plus tout à fait optimales.

Vous pouvez tenter de modifier la résistance d'anode. Certains auteurs proposent de la diminuer ce qui a pour effet de faire s'effondrer l'alimentation haute-tension et limite ainsi la conduction dûe à l'ionisation. Encore faut-il que l'alimentation s'effondre effectivement et cela dépend de sa conception.

Mes compteurs Geiger

Au cours du temps, j'ai construit ou acquis plusieurs compteurs Geiger Muller. Ce chapitre présente ces réalisations et propose des variantes qui pourront aider ceux qui veulent se lancer dans la réalisation de tels appareils.

Pour les détails, les compteurs sont généralement présentés sur la page mesures. Les logiciels qui accompagnent certains compteurs sont dans la rubrique ressources. Pour faciliter l'accès, j'ai mis les liens directs sur les compteurs au fur et à mesure que je les présente sur cette page.

PC-GM1

Lorsque j'ai construit mon premier compteur, dans les années 1980, je ne lui avais pas donné un nom particulier. Mais puisque j'en ai fait d'autres, j'ai décidé de nommer ces compteurs PC-GMx. PC, je vous laisse deviner, GM pour Geiger-Muller et x, le numéro du modèle.

PC-GM1 est en fait la réalisation d'un schéma présenté dans la revue Elektor en avril 1980.

Il est tout à fait conventionnel et l'article donne toutes les indications concernant sa conception et sa réalisation. Il dispose d'une sortie comptage (impulsion TTL) permettant de le relier à un ordinateur ou un compteur de laboratoire. Son principal inconvénient ? Sa taille sans doute mais surtout, sa consommation (bien qu'on ait fait pire depuis !).

Je l'ai déconstruit à la fin des années 1990 pour récupérer certains composants. Je n'ai donc pas de photo à présenter.

PC-GM2

img J'ai construit ce compteur alors que mon Gamma Scout, acheté en 2000/2001, a décidé d'arrêter de fonctionner en 2012 suite à l'usure de la pile (11 ans d'autonomie quand même !). Et en la changeant (ce qui n'est pas prévu), j'ai du faire une bêtise car je l'ai mis définitivement en panne (probablement, le générateur haute-tension). Plutôt que de le réparer, j'ai préféré en construire un autre en récupérant le tube (LND712) du Gamma Scout. Cela m'a permis de me faire la main sur Arduino. Le résultat est PC-GM2. Ma valeur ajoutée sur ce modèle s'est limitée à la conception du logiciel du compteur et à un logiciel sur PC, GeigerPC qui permet de piloter le compteur lorsqu'il est raccordé et de faire des enregistrements de mesures.

L'inconvénient de ce compteur est sa consommation élevée (de l'ordre de 40mA). La faute vient de la conception même des Arduino-Uno et de la platine haute tension. Une amélioration notable serait de remplacer le générateur haute-tension par celui que j'ai utilisé sur mes autres compteurs. Mais ne rêvons pas, l'Arduino Uno n'est pas une platine propre à faire de la basse consommation. Donc, mieux vaut s'intéresser aux compteurs ci-après.

PC-GM3

img Mon objectif était de construire un compteur consommant moins de 100µA, affichage permanent compris. Mission accomplie grâce à l'utilisation d'une astuce que je n'ai pas vue ailleurs à l'époque où je l'ai conçue. Elle consiste à utiliser un circuit RTC (Real Time Clock) comme compteur d'événements et de laisser le processeur se reposer la plupart du temps. La consommation moyenne est de l'ordre de 20µA.

J'ai bien sur abandonné l'Arduino au profit d'un module à base de processeur Texas Instrument MSP430f449. Quand au générateur haute tension, il s'agit d'un module Imex-38-56 dont la consommation est compatible avec l'objectif visé.

J'ai mis en libre téléchargement le logiciel du compteur. Et comme pour PC-GM2, il est raccordable au logiciel GeigerPC qui permet de piloter le compteur lorsqu'il est raccordé et de faire des enregistrements de mesures.

L'astuce en question est intéressante lorsque le processeur ne dispose pas d'un compteur fonctionnant en mode basse consommation. Le processeur Texas utilisé dispose d'un tel compteur. Cela permet de simplifier considérablement le montage. Le modèle PC-GM5 est donc une version simplifiée des compteurs PC-GM3 et PC-GM4 qui utilise directement le compteur du processeur.

PC-GM4

img PC-GM4 a été originellement le prototype de PC-GM3. Une fois PC-GM3 terminé, j'ai mis au propre le prototype qui est devenu PC-GM4.

Quels sont ls changements ?

Pour le reste (partie logique, tube, programme...), PC-GM4 est identique à PC-GM3.

J'ai mis en libre téléchargement le logiciel du compteur. Et comme pour PC-GM2/3, il est raccordable au logiciel GeigerPC qui permet de piloter le compteur lorsqu'il est raccordé et de faire des enregistrements de mesures.

PC-GM5

img PC-GM5 est une version simplifiée de PC-GM3. Il utilise directement un compteur du processeur pour faire le comptage à la place du PCF8583. C'est possible avec le processeur utilisé car le compteur reste actif en mode basse consommation. Par ailleurs, la mesure se fait au niveau de l'anode et non plus de la cathode.

Du fait de certains choix de réalisation, la consommation est légèrement supérieure à celle de PC-GM3 et s'établit aux alentours de 30µA.

J'ai mis en libre téléchargement le logiciel du compteur. Et comme pour PC-GM2/3/4, il est raccordable au logiciel GeigerPC qui permet de piloter le compteur lorsqu'il est raccordé et de faire des enregistrements de mesures.

PC-GM6

img PC-GM6 est une version simplifiée de PC-GM4. Comme PC-GM5, il utilise directement un compteur du processeur pour faire le comptage à la place du PCF8583. C'est possible avec le processeur utilisé car le compteur reste actif en mode basse consommation. Par ailleurs, la mesure se fait au niveau de l'anode et non plus de la cathode.

Mais la principale évolution est l'utilisation d'un double monostable CD4098. L'un est utilisé pour générer un signal propre sur le compteur du processeur, en éliminant les éventuelles oscillations transitoires. La longeur du signal peut être réglée pour être supérieure ou égale au temps mort du tube utilisé.

l'autre est utilisé pour actionner le galvanomètre. La durée de l'impulsion est réglable pour permettre de l'adapter aux caractéristiques du galvanomètre utilisé.

La consommation moyenne mesurée à l'aide d'un oscilloscope numérique s'établit aux environs de 25~30µA (pas d'alarme, galvanomètre désactivé). La variation de consommation est plus sensible à la détection d'une particule que pour les autres modèles du fait de l'usage des monostables. Ils consomment très peu au repos mais génèrent un pic de courant "assez élevé" lorsqu'une impulsion est prise en compte.

J'ai mis en libre téléchargement le logiciel du compteur. Et comme pour PC-GM2/3/4/5, il est raccordable au logiciel GeigerPC qui permet de piloter le compteur lorsqu'il est raccordé et de faire des enregistrements de mesures.

PC-GM7, compteur à diode PIN

Le tube GM est une survivance du passé. Fragile, coûteux, délicat dans sa mise en œuvre, nécessitant une alimentation haute tension, il ne fait pas de doute qu’à courte échéance, il est condamné à être remplacé par des détecteurs à semi-conducteur.

En pratique, plusieurs réalisations d'amateurs à base de diode PIN sont proposées sur le net. Pour des raisons de coût, la diode BPW34 est la plus utilisée (1€ en 2015).

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diode bpw34

Attention, l'image est trompeuse. La diode est vraiment très petite ! La surface sensible est de l'ordre de 7mm². La dimension de la diode elle même est de l'ordre de 5mm par 5mm.

Vous trouverez ci-après quelques liens sur des réalisations à base de cette diode ou d'autres. La plupart d'entre-elles utilisent des amplificateurs opérationnels pour la partie analogique avec comme résultat, une consommation assez élevée, variant en général entre 1ma et 10mA. Le résultat est assez mitigé : les compteurs sont moins sensibles et consomment plus qu'un montage traditionnel à tube Geiger-Muller (de l'ordre de 30µA pour mes réalisations, microncontrôleur compris). Seul un montage revendique une consommation très faible (2µA).

En attendant de trouver une réalisation complète sur ce site, voici quelques particularités qui ressortent de ces nombreux articles :

Pour le moment, PC-GM7 n'est qu'à l'état de projet. Pour la partie informatique, l'idée est de réutiliser ce qui a déjà été mis en oeuvre pour les compteurs PC-GM3 à PC-GM6.

Pour la partie capteur, l'objectif est de disposer un montage miniaturisé permettant d'accueillir plusieurs couple (diode, préamplification) et d'avoir une amplification commune des signaux résultants de ce montage.

La partie analogique du compteur (capteur plus amplification) devrait utiliser des transistors en privilégiant un montage avec une faible consommation.

Pour l'alimentation, il y a deux possibilités :

Rendez vous dans quelques temps...