Dans le précédent billet, je vous parlais des "faux" pics tels que les pics-somme. Intéressons-nous aujourd'hui à d'autres caractéristiques des spectres gamma que la diffusion Compton et les pics de rétrodiffusion. La façon la plus évidente de mettre en évidences ces particularités et de partir du spectre d'un radioélément émettant un nombre limité de raies gamma. Le Cesium 137 est parfait pour ça puisqu'il n'émet que deux raies : l'une à 32 keV, l'autre à 662 keV.

Spectre Cs137 : front Compton et pic de rétrodiffusion

Que voyons-nous sur ce spectre ? Le pic à 662 keV, caractéristique, saute aux yeux. Le pic à 32 keV est plus discret mais bien présent. On observe aussi un pic d'absorption à 80 keV correspondant à la fluorescence X du château en plomb entourant la source et le détecteur.

Un autre pic se démarque nettement vers 196 keV. Pourtant le Cs137 n'émet pas dans cette énergie, et nous n'avons pas affaire non plus à un pic-somme. Ce pic est en fait un pic de rétrodiffusion.

Dans un monde idéal, tous les photons gamma de la source arriveraient dans le détecteur sans aucune interaction préalable et seraient absorbés entièrement par le scintillateur. Mais ce n'est pas le cas.

Une partie des photons entre en collision en dehors du détecteur avec des électrons faiblement liés à leur atome . Ces électrons sont éjectés, et le photon diffusé repart avec une énergie moindre (puisque une partie de son énergie initiale a été transmise à l'électron éjecté). Ces photons diffusés sont ensuite absorbés par le détecteur et forment un continuum dans le spectre allant de l'énergie initiale du photon avant diffusion (ici 662 keV) jusqu'à l'énergie après diffusion à 180° (aussi appelée rétrodiffusion). La rétrodiffusion ayant une probabilité supérieure aux autres diffusions il apparaît dans le spectre un pic de rétrodiffusion.

Une autre partie des photons entre en collision à l’intérieur même du détecteur avec des électrons faiblement liés à leur atome . Dans un certain nombre de cas, le photon diffusé quitte le détecteur, et seule l'énergie de l'électron est détectée. Cette énergie est variable et forme un continuum allant de 0 keV jusqu'au front Compton, aussi appelé discontinuité Compton.

Il est possible de calculer les énergies correspondantes au front Compton et au pic de rétrodiffusion à partir de l'énergie de départ des photons. L'énergie du front Compton est donnée par la formule E/(1+511/(2*E)) avec E étant l'énergie initiale du photon. L'énergie du pic de rétrodiffusion est donnée par la formule E/(1+(2*E/511)). Pour une énergie initiale de 662 keV, ces formules nous donnent 478 keV environ pour le front Compton, et 184 keV pour le pic de rétrodiffusion. Le spectre mesuré donne des valeurs très proches de ces valeurs théoriques, avec un pic de rétrodiffusion à 195 keV et un front Compton vers 475 keV (si on prend le milieu de la "falaise").