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version initiale 2002
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dernière mise à jour
22 mars 2013
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CAPTEURS DE RAYONNEMENTS NUCLEAIRES

première partie (1/3) : notions de radioactivité

que chacun devrait connaitre
les doses de radiation
a,b,g, neutrons
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notions élémentaires

Un isotope radioactif X* d'un élément de numéro atomique Z comporte un même nombre d'électrons et de protons que l'isotope non radioactif, ce qui lui confère des propriétés chimiques semblables, mais un nombre supérieur de neutrons : il aura donc une masse atomique A supérieure et sera instable. Dire qu'un élément est instable cela veut signifie qu'il va spontanément et selon un rythme immuable se transformer (on dit se transmuter) en un élément plus stable ou tout à fait stable.
La transformation spontanée d'un radionucléide en un élément plus stable s'accompagne toujours d'émission de particules caractéristiques de la transition nucléaire subie.



C'est ce qu'on appelle la radioactivité naturelle, découverte par Henri Becquerel en 1896 sur l'uranium. Par contre des réactions nucléaires de synthèse qui impliqueraient le choc de deux noyaux sont impossibles naturellement sur terre, elles ne peuvent se produire que lorsqu'on met en jeu des quantités d'énergie gigantesques c'est à dire dans les étoiles, quelquefois à la limite de l'atmosphère par le biais de rayons cosmiques très énergiques (quelques milliards d'électron-volts) et dans les processus artificiels (accélérateurs de particules et bombes atomiques). Nous ne les considérerons pas ici.

transition
Cette transition s'effectue avec une probabilité caractéristique du nucléide selon une loi de type

n(t) = no exp(-t)

dans laquelle n(t) représente le nombre de nucléides restant à l'instant t, no celui à l'instant 0 et la constante de décroissance. C'est à dire que la probabilité pour qu'un atome d'un élément radioactif soit détruit dans un temps donné reste invariable : les atomes ne vieillissent pas. Ainsi par exemple la constante de décroissance du radium est = 1/739.108 environ, on calculera facilement que dans un milligramme de radium environ 36 millions d'atomes se désintègrent chaque seconde, et ce depuis le début de l'univers. Cette relation peut aussi s'exprimer sous la forme
log[no/n(t)] = t

période
d'où l'on tire aisément la période T du radionucléide, qui représente l'intervalle de temps pendant lequel la moitié des noyaux initiaux subissent une transition nucléaire T = Log2/.

L'expérience montre que T varie, selon les matériaux, de quelques microsecondes à quelque 109 années.

activité
Une autre notion importante est celle d'activité At, c'est à dire le nombre de transitions par unité de temps

At = NA m(t)/M où NA est le nombre d'Avogadro, m(t) la masse de matériau à l'instant t et M sa masse molaire.

L'activité se mesure en curie (1 Ci = 3.7 1010 transitions/s), ainsi pour avoir 1 Ci il faut :

3.6106 g 238U
1g 226Ra
12.310-3g 137Cs

Notons pour mémoire que l'activité varie en raison inverse de la période ce que l'on oublie souvent. Le tableau ci-dessous donne la période (encore appelée durée de demi-vie parfois, en particulier en pays anglo-saxons : half life) de quelques radionucléides naturels importants.

unités utiles en radioactivité

  • Le Becquerel Bq = 1 transition /s, est l'unité légale d'activité;.
    • quelques chiffres : sources de radioactivité

    1 homme de 70 kg 7000 Bq environ (dont 1/3 de 14C et le reste de 40K des os)
    1 kg de poisson =100 g de café 100 Bq
    1 l de lait 80 Bq
    1 kg de granite 1000-8000 Bq
    1 kg d'uranium 25.106 Bq
    1 kg de déchets nucléaires vitrifiés après 50 ans 10 12 Bq
  • La Curie est l'activité de 1g de radium, c'est souvent encore l'unité pratique d'activité.
  • le Gray est l'unité de dose absorbée, il mesure la quantité de radiation absorbée par la matière
    • 1Gy = 1 Joule/kg de matière
  • Le Rad = 10-5 Joules = 100 ergs est l'ancienne unité de dose de rayonnement, c'est la dose de rayonnement qui cède une énergie de 100 ergs à 1g de matière quelconque (1 Rad=10-2 Gy). rad signifie radiation absorbed dose. Théoriquement le rad est illicite, mais pratiquement c'est toujours l'unité employée.
  • Outre la dose absorbée on caractérise la dose equivalente c'est en fait la dose absorbée multipliée par un facteur de pondération du rayonnement, on l'exprime en sievert et plus fréquemment en millisievert. Cela permet de prendre en compte les effets différents des divers types de rayonnement. Le Rem est l'ancienne unité de dose équivalente, c'est la dose de rayonnement qui produit les mêmes effets biologiques qu'1 rad de rayons X.
  • Par suite 1 Rem = 1 Rad * facteur biologique dépendant de la radiation en jeu.
  • la dose efficace prend en outre en compte le tissu soumis à la radiation. On l'exprime aussi en sievert, c'est la dose équivalente multipliée par un nouveau facteur de pondération tissulaire. Après de nombreuses réunions internationales, les experts semblent s'être mis d'accord sur ce facteur de pondération en examinant la gravité des cancers induits par les diverses sources de rayonnement.
    • radiation énergie facteur multiplicateur
    photon ou X qcq 1
    électrons et muons qcq 1
    protons >2.5MeV 5
    , résultant de fissions et noyaux lourds qcq 20
    neutrons <10keV 5
    neutrons 10keV-100keV 10
    neutrons 100keV-2MeV 20
    neutrons 2MeV-20MeV 10
  • La norme actuelle interdit de dépasser 1mSv/an pour un adulte en terme de radioactivité ajoutée à la radioactivité naturelle. On admet généralement qu'une dose d'irradiation cumulée de 10000mSv en une ou plusieurs fois conduit au décès de l'irradié, mais en médecine et sur une zone très localisée on peut appliquer jusqu'à 104 rems/an.

  • quelques chiffres issus de documents du CEA :
    • origine du rayonnement quantité absorbée en mSv/an
    cosmique (soleil, galaxies) 0.37 (essentiellement gamma)
    interne (homme naturel + alimentation) 0.37 (béta)
    tellurique 0.7 (gamma) à Rouen
    radon (air) 1.3 (alpha)
    artificielle (médecine, nucléaire, militaire) environ 1

    Bien évidemment ces chiffres ne sont qu'un ordre de grandeur, le rayonnement cosmique est plus important en altitude et si vous vivez dans le métro parisien vous en serez plus protégé que si vous êtes agriculteur, l'activité tellurique est 2.5 fois plus importante en Corse qu'en Haute Normandie, de même la quantité de radon dans les logements peut varier beaucoup selon la zone et le type de construction, quant à la radioactivité artificielle... une simple radio des dents vous ajoute 0.1mSv et personne ne vous oblige (ni ne vous conseille) de fréquenter certains déserts de l'ouest américain (le Nevada où furent pratiqués maints essais militaires).

    autres unités employées :
  • Le MeV = 15.910-14 Joule équivalent à 4.510-20 kW/h
  • Le Röntgen R est la quantité de rayonnement X ou qui produit dans 1cm3 d'air une ionisation de charge égale à 1/3.109 coulomb.
    • Un phénomène peu connu : l'émission de rayonnement par une source n'est pas un phénomène d'une très grande stabilité, c'est plutôt aléatoire. Pour s'en convaincre on examinera le résultat expérimental ci-dessous consistant en un enregistrement, à l'aide d'un compteur GM, du rayonnement d'une source de 137Cs. Le comptage est réalisé par fractions de 200ms sur une période d'une heure environ.


    représentation de la fréquence du nombre coups enregistrés sur des durées de 200ms consécutives

    L'analyse du résultat montre que pour l'échantillon concerné, placé à quelques centimètres du compteur le nombre de désintégrations par tranche de 200ms varie entre 20 et 53 avec une probabilité maximale pour 36 (sommet de la courbe de Gauss) mais, dans cette expérimentation, c'est 33 qui a été le résultat le plus fréquent. Pour obtenir une courbe de gauss plus satisfaisante il aurait bien sûr fallu prolonger l'expérience quelques heures de plus

    Radiations nucléaires

    alpha


    Il s'agit d'un noyau d'hélium (2 protons + 2 neutrons) chargé ++, sa masse est d'environ 7000 fois celle de l'électron.

    Ce sont les éléments lourds qui émettent des dont l'énergie varie de 3 à 10MeV, correspondant à des vitesses allant de 12000 à 22000 km/s.


    Après une émission d'un , un noyau se trouve toujours dans un état excité, et il se stabilise en émettant un rayonnement . L'énergie d'un est caractéristique du radioélément ainsi:


    Les effets des dans la matière résultent de leur interaction avec des électrons et sont:
  • soit du type ionisation (un électron est alors libéré avec une grande énergie cinétique et peut conduire à une émission secondaire)
  • soit de type excitation avec émission finale d'un photon.
    • On caractérise l'atténuation d'un faisceau de rayons a selon une loi de type I = Io exp(-kx) où x est l'épaisseur parcourue, et Io l'intensité initiale du faisceau à l'entrée du matériau.

    A titre d'exemple précisons que le parcours d'un de 3 MeV est de 25 mm dans l'air, 20µm dans le papier ou le plastique et 6 µm dans le fer. Son utilisation pratique sera la mesure de pression de gaz ou le contrôle d'épaisseur de matériaux minces et de faible densité (ex film plastique pour pots de yaourt).

    béta

    Le rayonnement - est un électron. Quelques radionucléides émettent des + dont la durée de vie sera extrêmement brève car ils se désintègreront en rencontrant un électron, en donnant un photon très énergétique. Pour les distinguer, on parle de négaton pour les électrons classiques et de positon pour leur homologue en antimatière.


    En fait il est toujours accompagné lors de la transition de l'émission d'un antineutrino n qui ne semble pas interagir avec la matière traversée, et d'un
    Rappelons qu'un neutrino serait une particule élémentaire de masse et de charge nulles, mais de spin 1/2 (et -1/2 pour l'antineutrino), particule déterminée par la théorie et supposée intervenir dans nombre de phénomènes nucléaires, en particulier au niveau des étoiles et des trous noirs, mais dont on n'a pu expérimentalement prouver l'existence à ce jour, puisque la seule méthode d'identification d'une particule élémentaire consiste à en dévier la trajectoire grâce à un champ de forces (électrique ou magnétique) ce qui est inapplicable dans ce cas!
    Pour une source donnée, le spectre d'énergie des va de zéro à Wmax (avec un max d’intensité Wm vers Wmax/3) et Wmax s'étend de 18keV à 13MeV selon les matériaux. L'énergie qui n'est pas transférée à l'électron se retrouve évidemment dans l'anti neutrino. La figure ci-dessous représente cette répartition spectrale de l'énergie pour le 32P


    Les sont beaucoup plus rapides que les à énergie identique. Dès 0.7MeV on atteint 270000km/s.


    Rappelons que si l'on admet (ce qui est controversé aujourd'hui) que la teneur en CO2 dans l'air est constante par suite de l'action des rayons cosmiques, il en résulte dans une plante un taux initial de 14C constant. La mesure du taux résiduel permet alors une datation de l’âge de la plante fossilisée.

    Le pouvoir de pénétration est supérieur à celui des , ainsi pour une même énergie de 3MeV on obtient:
  • 98 mm pour l'air,
  • 12.5 mm pour le Plexiglas,
  • 50mm pour l'aluminium.
    • Cependant, il faut tenir compte des interactions avec le matériau qui entraînent une trajectoire en ligne brisée et même une rétrodiffusion pouvant atteindre 30% des particules incidentes. Ce phénomène qui dépend à la fois du matériau et de la profondeur atteinte par les particules est utilisé à des fins de mesure (en particulier lors de la mesure d'un revêtement de surface de numéro atomique très différent du support et bien sûr d'épaisseur inférieure à la pénétration dans ce matériau.

    gamma

    Il s'agit de photon de h 104 à 107 fois supérieure aux photons visibles. Ils sont toujours émis lorsque le radionucléide retourne à son état stable après avoir expulsé un ou un . Ce retour peut se faire par paliers et donc un même élément peut conduire à l'apparition de plusieurs d'énergies différentes. Le spectre de rayonnement d'une source peut ainsi s'étaler de quelques keV à quelques MeV, ainsi:
    137Cs --> 137Ba + 0.6 MeV période 33 ans

    60Co --> 60Ni + + 1.3 et 1.2 MeV période 5.5 ans.

    L'interaction avec la matière s’effectue selon 3 processus différents :

    Cependant, en fin de compte, chacun de ces processus aboutit à la libération d'électrons plus ou moins rapides qui vont éventuellement entraîner des ionisations ou des excitations de la matière (avec émission subséquente de photon lumineux ) .
  • L’effet Compton : un électron de l’atome est projeté, en même temps qu’il apparait un photon diffusé d’énergie plus petite que celle du rayonnement incident. Notons que si ce photon est encore assez énergétique il pourra provoquer un nouvel effet Compton lors de la rencontre d'un autre électron.


    • Le photon arrive avec une énergie h, heurte l'électron et l'envoie dans une direction faisant un angle avec sa direction initiale tandis qu'un nouveau photon de fréquence plus faible est émis avec un angle . La conservation de la quantité de mouvement et de l'énergie permet d'évaluer les angles et en fonction des longueurs d'onde des deux photons.

  • L’effet de matérialisation : le photon disparaît mais donne naissance à deux électrons, l’un positif, l’autre négatif qui sont lancés dans le milieu. Cet effet se produit préférentiellement pour les de très haute énergie. Le positon disparait très vite par rencontre avec la matière en donnant une émission d'énergie et ce phénomène n'est identifiable en pratique que dans les grands accélérateurs de particules.
  • Le processus photoélectrique est assez complexe : le photon est absorbé, son énergie h libère un électron des couches profondes avec une énergie We = h-Wl1. Ensuite le trou est comblé par un électron plus périphérique dont l'excès d'énergie est lui même émis sous forme de photon X tel que
    hx = Wl1 - Wl2. Ce processus se produit pour des g de relativement faible énergie.
    • La pénétration des est évidemment très supérieure. Ainsi si l'on définit la distance de demi atténuation comme étant celle au bout de laquelle 50% des photons auront été absorbés par le milieu, on obtient pour 1 MeV
  • 83 m d'air,
  • 100 mm d'eau,
  • 15 mm de fer.
    • On utilisera les pour mesurer l'épaisseur de tôles, pour étudier le vieillissement de structures en béton armé ou déterminer le niveau de liquides dans une cuve, ou encore déterminer la densité d'un sol au cours d'un forage (pétrolier par ex) en mesurant le taux de rétrodiffusés.

    neutrons

    Le neutron est une particule instable qui se désintègre en proton et électron
    Mais en pratique cette réaction est rare, car, le plus souvent, un neutron libre va être capturé par un noyau proche et conduire à une réaction de fission (centrale nucléaire).
    Le lithium, le bore et le béryllium matériaux légers, émettent spontanément des neutrons sous l'effet de ou . Ceux-ci ont une pénétration importante puisqu'ils n’interagissent pas avec les électrons de la matière, mais seulement par chocs élastiques avec les noyaux. Un neutron de 10 MeV traverse plusieurs dizaines de cm de béton. Ce sont les noyaux les plus légers qui ralentissent le mieux les neutrons, d'où l'emploi de graphite et d'eau comme modérateurs dans les centrales nucléaires.

    Lorsqu'un neutron est suffisamment ralenti (0.025eV ce qui correspond à 2200m/s environ) on dit qu'il s'agit d'un neutron thermique qui peut alors (et seulement alors) réagir avec le bore ce qui nous intéresse ici en terme de métrologie, mais aussi être absorbé par d'autres noyaux tels 238U conduisant alors à la génération du 239Pu et aux réactions de fission qui n'entrent pas dans le champ de ce chapitre. La réaction avec le bore est la suivante :


    C'est pratiquement la seule méthode de détection des neutrons lents : le détecteur de neutrons thermiques sera donc un détecteur d'alpha associé à un composé de bore tel BF3 par exemple.

    Les sources de neutrons sont indirectement 210Po, 226Ra, 241Am associés à du Be. En effet un alpha émis par ces sources réagit avec le béryllium selon

    et de même

    Remarque: Problème de l'emploi des sources radioactives.
    Un détecteur de radioactivité va délivrer une impulsion électrique lorsqu'une particule interagit dans la partie sensible de son volume utile. On va donc soit compter les impulsions, soit mesurer leur amplitude. Dans l'emploi industriel d'une source de radio-isotope, il faut tenir compte de la période/activité de la source qui implique un réétalonnage fréquent. Lorsque la source a vu son activité décroître, il peut arriver qu'elle ne parvienne plus à activer le détecteur, ce n'est pas une raison pour la jeter n'importe où.