Rayonnements ionisants

• Radioactivité
• Dosimétrie

Radioactivité

La métrologie de la radioactivité concerne la caractérisation et la quantification des rayonnements produits lors de la désintégration de nombreux radio-nucléides.

La diversité des sources en terme de nature chimique (métaux, halogènes) ou d'état physique (solide, gazeux, liquide), combinée à la variété des rayonnements émis, rend difficile l'utilisation d'étalons. Le fait même que les sources radioactives soient par nature impermanentes est une difficulté supplémentaire : les désintégrations se produisent en effet de façon continue dans le temps, modifiant ainsi les caractéristiques d'origine. Contrairement aux autres domaines de la métrologie l'utilisation d'étalon primaire unique dans ce domaine n'existe pas, bien que les étalons de Radium aient joué ce rôle par le passé. En conséquence, les mesures de radioactivité se font par mesure directe (i.e. sans étalonnage) et nécessitent donc de disposer d'une combinaison d'instruments spécifiques et de méthodes de mesures pour chaque radio-nucléide. Elles constituent ainsi les références dites primaires.

Nous citerons en particulier les techniques de mesure directes suivantes :

• pour les sources émettrices de rayonnement γ, l’utilisation de chambres d’ionisation de référence qui servent à comparer ces sources à des étalons de très longue durée de vie (comme le radium) ;
• pour les sources émettrices de rayonnement β, l’utilisation de méthodes de comptage par scintillation liquide fondées sur la détection des impulsions lumineuses émises par des liquides fluorescents sous l’action des rayonnements ionisants. Au LNE-LNHB, c’est la méthode du rapport des coïncidences triples aux coïncidences doubles (RCTD) qui est employée ; pour le cas des émetteurs β gazeux, on utilise les méthodes avec les compteurs proportionnels internes ou avec le cristal puits 4π ;

Installation pour la mesure d'émetteurs par la méthode RCTD

• pour les sources émettrices de rayonnement α, l’utilisation de la méthode dite à angle solide défini (ASD) qui consiste à utiliser des conditions géométriques définies et à calculer l’angle solide d’interaction entre la source et le détecteur ;
• pour les sources émettrices d’au moins deux rayonnements susceptibles d’être distingués (α-γ,β-γ, ...), l’utilisation de la méthode des coïncidences. Deux voies de détection sont utilisées, chacune étant équipée d’un détecteur adapté au rayonnement requis. Une voie comparative de la quantité de détections synchrones provenant d’une même source permet de remonter à l’activité de cette dernière.

Dispositif de mesure des émetteurs α en ASD

Dosimétrie

La métrologie de la dose consiste en la détermination de grandeurs caractérisant les transferts et dépôts d’énergie dans les milieux irradiés.

Tout comme pour la métrologie de la radioactivité, la variété des rayonnements - que ce soit en nature (électrons, photons, neutrons, ...) et/ou en énergie - ainsi que les limites instrumentales, impliquent qu'il ne peut y avoir d'étalon unique pour chacune des grandeurs dosimétriques. De fait, on est amené à considérer comme références des chaînes d'instrumentation, allant de la source de rayonnement à la méthode de mesure.

Pour les champs de rayonnement de référence, et afin de couvrir les gammes d'énergies utiles, il faut disposer de sources d'irradiation et d'accélérateurs. Actuellement, le laboratoire a mis en oeuvre et/ou développé les équipements et bancs de références suivants :

• pour les photons, des sources de ²⁴¹Am (60 keV), ¹³⁷Cs (660 keV), ⁶⁰Co (1,25 MeV), des installations comme un accélérateur linéaire (4 MV à 25 MV) et des installations de rayons X (20 kV à 320 kV) ;

Accélérateur linéaire de type médical du LNE-LNHB

• pour les électrons, des sources de ¹⁴⁷Pm (Emax = 225 keV), ⁸⁵Kr (Emax = 687 keV), ⁹⁰Sr + ⁹⁰Y (Emax = 2,28 MeV) et un accélérateur linéaire (4 à 21 MeV) ;
• pour les neutrons, outre les sources de ²⁵²Cf (avec ou sans écran (sphère d'eau lourde)) et de ²⁴¹Am-Be, le laboratoire dispose d'une ligne de faisceau d'un accélérateur électrostatique Van de Graff de 4 MV (pour les neutrons monocinétiques de 120 keV à 2,8 MeV), ligne raccordée aux références primaires de la PTB.

Concernant les instrumentations et méthodes de mesure, on utilise principalement l'ionométrie (mesures par chambres d'ionisation) et la calorimétrie.

L'ionométrie, basée sur la mesure du courant d'ionisation généré par le rayonnement dans une chambre d'ionisation, est utilisée en particulier pour les photons de basse et moyenne énergies (chambres à paroi d'air), pour les photons du ⁶⁰Co (chambres à cavité) et pour les électrons obtenus à partir de sources (chambres à extrapolation).

Mise en place d'une chambre d'ionisation de référence dans un faisceau de photons.

La calorimétrie permet un accès direct à l'énergie transférée à la matière par le rayonnement, via la mesure de quantité de chaleur évacuée par le système. Ainsi, on utilise d'une part, un calorimètre étalon en graphite pour les photons du ⁶⁰Co, ainsi que pour les photons et les électrons de haute énergie et, d'autre part, un calorimètre eau pour les neutrons et les protons de haute énergie utilisés en radiothérapie.

La dosimétrie chimique, et plus particulièrement la dosimétrie de Fricke, est aussi utilisée comme outil de transfert pour calculer la dose absorbée dans l'eau à partir de la dose absorbée dans le graphite.

Système de lecture des dosimètres de Fricke (spectrophotomètre)

crédit photos : LNE-LNHB ; Expressions