Détection des rayonnements ionisants

La législation évolue trés rapidement dans le domaine de la radioprotection.
Certaines parties de ce cours peuvent mentionner des dates, des articles ou des valeurs caduques.
Cependant,les principes de bases et certains modes de calcul restent d'actualité.

Introduction
        1. Mode de fonctionnement
        2. Paramètres caractéristiques d'un détecteur

II. Les appareils mettant en jeu l'ionisation des gaz
        1. Principe de fonctionnement
        2. Caractéristiques et comparaison des différents détecteurs à gaz
                 2a. La chambre d'ionisation
                 2b. Le compteur proportionnel
                 2c. Le compteur Geiger - Muller

 

III. Les détecteurs à scintillations
        1. Mode de fonctionnement
        2. Caractéristiques et comparaison des différents détecteurs à scintillations

IV. Principe du dosimètre photographique ou détecteur à lecture latente

V. Conclusions

 

I. Introduction

L'émission de rayonnements est toujours associée à la radioactivité. Aucun des sens dont dispose l'être humain n'est sensible aux rayonnements émis par les substances radioactives.

On ne peut détecter ces rayonnements donc déceler la radioactivité qu'en utilisant deux des types d'interaction entre les rayonnements ionisants et la matière : l'ionisation et l'excitation. Les différents types de détecteurs sont présentés dans le tableau suivant.

La classification des détecteurs de rayonnements ionisants

L'émission de rayonnements est toujours associée à la radioactivité. Aucun des sens dont dispose l'être humain n'est sensible aux rayonnements émis par les substances radioactives.

On ne peut détecter ces rayonnements donc déceler la radioactivité qu'en utilisant deux des types d'interaction entre les rayonnements ionisants et la matière : l'ionisation et l'excitation.

Source : "Manuel pratique de radioprotection" D.-J. Gambini & R. Granier (1997) - ed. TEC & DOC Lavoisier

classification detecteur rayonnement ionisant

Remarque : il faut faire la distinction entre détecter la présence de radiations et mesurer une grandeur caractéristique telle que le dénombrement des rayonnements, leur énergie, la dose absorbée, le débit de dose absorbée...

Détecter est relativement simple, mesurer une grandeur est plus complexe.

1. Mode de fonctionnement

Quel que soit le mode de fonctionnement d'un détecteur et donc le principe sur lequel s'appuie la détection des rayonnements, il est toujours constitué des mêmes éléments:

  • un capteur au niveau duquel le rayonnement interagit avec la matière ;
  • un système d'amplification qui met en forme et amplifie le signal produit par la sonde ;
  • éventuellement un système de traitement du signal ;
  • un système d'affichage qui indique :
    1. un flux de particules : le compteur ;
    2. l'énergie des particules : le spectromètre ;
    3. la dose absorbée ou le débit de dose absorbée : le dosimètre ou le débitmètre.

2. Paramètres caractéristiques d'un détecteur

  • l'efficacité de détection : c'est le rapport du nombre de particules détectées au nombre de particules reçues par le détecteur. L'efficacité dépend donc de la nature et de l'énergie du rayonnement ;
  • le temps mort : c'est le plus petit intervalle de temps entre deux informations pour que chacune d'entre elles soit prise en compte par le système ;
  • le mouvement propre : c'est le taux de comptage (notion définie plus loin) enregistré en absence de toute source de rayonnement ;
  • les caractéristiques géométriques : elles définissent la forme du détecteur, l'importance de sa surface sensible et sa directivité.

Haut de page

 

II. Les appareils mettant en jeu l'ionisation des gaz

1. Principe de fonctionnement

Qu'ils soient ionisant ou non ionisant, les rayonnements d'une source vont ioniser et/ou exciter les atomes du gaz dans l'enceinte du détecteur.

On applique une différence de potentiel entre deux électrodes :

  • en absence de rayonnements ionisant le courant électrique qui traverse l'enceinte reste nul quelle que soit la différence de potentiel appliquée ;
  • en revanche, si une particule ionisante pénètre dans l'enceinte, elle crée sur son passage un grand nombre de paires d'ions : électrons arrachés et atomes du gaz ionisés positivement.

detecteur ionisation gaz

Source : "Manuel pratique de radioprotection" D.-J. Gambini & R. Granier (1997) - ed. TEC & DOC Lavoisier

Sous l'action du champs électrique, les électrons vont migrer vers la cathode et les atomes ionisés vers l'anode qui est la paroi extérieure du détecteur reliée à la masse.

Le signal exploité est la collection des électrons : elle induit une variation de tension aux bornes de la résistance R. Ce " paquet d'électrons " collectés que l'on appelle l'impulsion de charges, a une amplitude qui dépend, pour un type de particule donné, de la différence de potentiel appliquée entre les électrodes.

Si l'on reporte l'amplitude de l'impulsion en fonction de la tension, on obtient un graphique sue lequel on distingue différentes régions qui correspondent à différents régimes de fonctionnement.

Région 1 : régime de recombinaison partielle

Pour une différence de potentiel inférieure à 100 V, les ions se recombinent totalement ou partiellement avant d'atteindre l'électrode et l'amplitude de l'impulsion est nulle ou faible. Aucun détecteur ne fonctionne dans cette région.

Région 2 : régime d'ionisation primaire

Au dessus de 100 V, la recombinaison est négligeable et tous les électrons sont collectés. Pour une particule donnée, l'amplitude de l'impulsion est constante et indépendante de la différence de potentiel appliquée entre les électrodes, mais elle dépend de l'énergie de la particule. Les détecteurs qui fonctionnent dans cette région sont les chambres d'ionisation.

Région 3 : régime de proportionnalité

Entre 300 et 1000 V, les ions crées par le rayonnement ionisant sont suffisamment accélérés par le champs électrique pour provoquer des ionisations secondaires s'ajoutant à l'ionisation primaire.

Le nombre d'électrons collectés, N, est proportionnel au nombre d'électrons primaires, n : N = k . n

k est le coefficient de multiplication gazeux. Il varie avec la tension appliquée entre les électrodes et peut atteindre des valeurs de 105 à 106, mais est il indépendant du nombre d'ions primaires.

Les détecteurs qui fonctionnent dans cette région sont les compteurs proportionnels.

regime ionisation radioactivite

Source : "Manuel pratique de radioprotection" D.-J. Gambini & R. Granier (1997) - ed. TEC & DOC Lavoisier

Région 4 : régime de semi-proportionnalité

Entre 1000 et 1100 V, k n'est plus indépendant de n. Comme il n'y a plus de proportionnalité, aucun détecteur ne fonctionne dans cette région.

Région 5 : régime de Geiger - Muller

A partir de 1100 V, chaque ionisation primaire entraîne une avalanche d'ions secondaires et le nombre d'ions collectés devient indépendant du nombre d'ions primaires. C'est une ionisation quasi-totale du gaz de l'enceinte et l'amplitude de l'impulsion est grande mais constante. Le détecteur fonctionne en régime de Muller et les détecteurs qui fonctionnent dans cette région sont les compteurs de Geiger - Muller. Le premier compteur de ce type fût construit par Geiger et Rutherford en 1908. En 1928, Geiger et Muller apportèrent des modifications, notamment en ce qui concerne la finesse de l'anode.

Région 6 :

Au dessus de 1400 à 1500 V, le détecteur devient instable du fait ,de décharges permanentes et donc inutilisable. Certains compteurs Geiger - Muller et certains compteurs proportionnels fonctionnent cependant avec des tensions pouvant atteindre respectivement 3000V et 4000V.

Haut de page

 

2. Caractéristiques et comparaison des différents détecteurs à gaz

Un compteur capable de fonctionner indifféremment dans les trois régimes (chambre d'ionisation, compteur proportionnel et compteur de Geiger - Muller) n'existe pas en raison des spécificités technologiques nécessaire pour un fonctionnement performant dans chacun de ces régimes.

Le tableau suivant résume les caractéristiques de ces trois types de détecteurs.

detecteur gaz ionisation

Source : "Manuel pratique de radioprotection" D.-J. Gambini & R. Granier (1997) - ed. TEC & DOC Lavoisier

Il indique qu'un détecteur donné est plus adapté ou non à un type et une énergie de rayonnements. La première fonction d'un détecteur (de quelque type que ce soit) est de permettre un dénombrement.

Les paquets d'électrons issus de l'interaction entre un rayonnement ionisant et la matière est appelé l'impulsion de charge, i.

Le dénombrement consiste à compter le nombre d'impulsions N, pendant un temps t fixé et d'en déduire le taux de comptage, n en impulsions par seconde :

                               N
      n (i.s-1)  =   ------------
                                t

La seconde fonction d'un détecteur est de permettre la conversion de ces mesures en grandeurs essentielles en radioprotection :

  • la dose absorbée dans les tissus : cette grandeur quantifie l'exposition une fois que celle-ci a été subie. Elle est un constat a posteriori
  • le débit de dose absorbée : cette grandeur a un aspect prospectif car elle permet d'estimer les doses absorbées qui seront reçues dans telle ou telle condition de travail, et donc d'adopter les dispositions de protection pour les limiter

2a. La chambre d'ionisation

Les débitmètres sont des chambres d'ionisation. La chambre d'ionisation est en général destinée à la mesure de photons X ou γ, mais le rendement est inférieur à 10%.

Cependant, équipée d'une fenêtre mince, elle peut être utilisée pour la mesure de particules β, voire de particules α, avec un rendement qui peut atteindre 100% selon la fenêtre choisie.

Remarques :  toutes mesures avec un détecteur n'est pas une mesure absolue. Il faut donc calibrer le détecteur équipé d'une sonde donnée avec une source d'activité connue (et délivrant le même type de rayonnement que celui détecté par la sonde !).

a. On détermine ainsi le rendement du détecteur, qui dépend :

  • de la distance entre la source et le détecteur ;
  • de la surface de la source ;
  • du support sur lequel elle se trouve.
  • d'un point de vue pratique, on détermine le rendement par une mesure au contact d'une source ponctuelle.

b. Cependant, le rendement est défini par la plupart des constructeurs de matériel de radioprotection comme : " le rapport entre le nombre d'impulsions comptées et le nombre de particules émises par la source sous 2p, donc un nombre de rayonnements".

c. Il faut convertir les impulsions mesurées par la sonde en désintégrations (en Bq) qui correspondent à l'activité de la source.

Exercice : Pour étalonner un détecteur, on dispose de 2 sources test d'une surface de 100 cm2.

Les caractéristiques des radioéléments sont :

  • 14C : Eβmax = 156 keV ; I = 100 % ; T = 5730 ans
  • 137Cs : Eβmax = 512 keV ; I = 95 % ; T = 30 ans

En mai 1985, les taux d'impulsion mesurés sous 2p avec une sonde équipée d'une fenêtre de 12 cm2 étaient : 14C : 2960 i.s-1 ; 137Cs : 3198 i.s-1

En mai 2000, on lit : 14C : 40 i.s-1 ; 137Cs : 80 i.s-1

Quelle est l'activité de chacune de ces sources et le rendement, en mai 2000 ?

14C : A = 2 x 2960 = 5920 Bq

  • le facteur 2 permet de passer de 2p (la surface de la fenêtre du détecteur) à 4p (la sphère réelle de rayonnement de la source).
  • de plus, 15 années écoulées (1985 à 2000) sont négligeables, en regard de la période du 14C.

Le taux d'impulsions théorique est donc : 5920 x (12/100) = 710 i.s-1

137Cs : A = 2 x 3198 x (100/95) x exp - [Ln 2 . (15/30)] = 4761 Bq

  • le facteur 2 permet de passer de 2p (la surface de la fenêtre du détecteur) à 4p (la sphère réelle de rayonnement de la source).
  • cette fois, 15 années écoulées ne sont pas négligeables, puisque la période du 137Cs n'est que de 30 ans.
  • enfin, puisque I = 95%, on ne mesure 95 impulsions que d'un type de rayonnement donné. L'activité réelle, qui tient compte de tous les rayonnements de cette source, représente donc (100/95) % de ces impulsions.

Le taux d'impulsions théorique est donc : 4761 x (12/100) = 571 i.s-1

En conséquence, les rendements sont :

  • 14C : 40 / 710 = 5,6 %
  • 137Cs : 80 / 571 = 14 %

Un modèle type de chambre d'ionisation est la "babyline 91 ", très utilisée en radioprotection .

Source : "Manuel pratique de radioprotection" D.-J. Gambini & R. Granier (1997) - ed. TEC & DOC Lavoisier

babyline detection ionisation

  • lors de l'exposition à des photons X ou γ d'énergies comprises entre 8 keV et 2 MeV
  • elle permet la mesure de débits de dose absorbée de 5 µGy.h-1 à 100 mGy.h-1 ce qui permet la détermination de débits d'équivalent de dose absorbée de 0,1 µSv.h-1 à 10 µSv.h-1
  • deux épaisseurs de paroi de la chambre sont utilisées :

7 mg . cm-2 : évaluation du débit de dose absorbée au niveau de la couche basale de l'épiderme

300 mg . cm-2 : évaluation du débit de dose absorbée en profondeur et au niveau du cristallin

                                                                           débit de 7 mg . cm-2

Rappel :            dose absorbée    =    -----------------------------------------------    = 70 µm (3 mm en profondeur)
                              par la peau                 1 g. cm-3 (densité tissus mous)

Haut de page

 

2b. Le compteur proportionnel

De manière schématique ce genre de compteur est constitué d'un cylindre conducteur qui contient un gaz. Il diffère de la chambre d'ionisation par la tension de fonctionnement qui varie de 1000 à 4000 V.

Il est utilisé pour effectuer :

  • de la spectromètrie, c'est-à-dire la discrimination des rayons X de faible énergie (quelques keV) ;
  • la détection des neutrons par le biais des particules a émises après interaction de ces neutrons avec les atomes du gaz de l'enceinte du compteur.

La sonde alpha SAP 100-2 est équipée d'un compteur proportionnel à air dont quelques caractéristiques sont :

  • surface de détection : 100 cm2
  • rendement : 10% pour 239Pu (Eα = 5,24 MeV)
  • fenêtre en mylar d'une épaisseur de 6 µm
  • mouvement propre : 0,02 i.s-1

2c. Le compteur Geiger - Muller

Aucun des 2 détecteurs précédents n'est prioritairement employé pour le dénombrement, en raison principalement de leur électronique.

En revanche, le compteur Geiger - Muller ne permet que des dénombrements. Ceci s'explique par la zone de tension dans laquelle il fonctionne : quel que soit le nombre d'ions primaires créés par le rayonnement incident, le compteur Geiger - Muller délivre des impulsions de grande amplitude.

C'est donc un détecteur très sensible, d'un emploi universel. Par ailleurs, si la fenêtre par laquelle entre le rayonnement est très mince, le compteur peut détecter des particules β de très faible énergie (30 keV). L'enceinte contient un gaz rare (Ar, Xe).

Il présente un inconvénient important : un fort temps mort qui entraîne un temps de résolution élevé, ce qui le rend inutilisable pour les forts taux de comptage ( ==> compteur proportionnel dans ce cas ? )

Haut de page

 

III. Les détecteurs à scintillations

1. Mode de fonctionnement

Schématiquement, ce type de détecteur contient une substance que l'on appelle le scintillateur et un photomultiplicateur couplé à ce scintillateur.

Les électrons des molécules du scintillateur passent dans un état excité sous l'action des rayonnements ionisants.

La désexcitation des molécules du scintillateur s'effectue par émission de photons de fluorescence ou de phosphorescence comme le montre la figure ci-contre.

Source : "Manuel pratique de radioprotection" D.-J. Gambini & R. Granier (1997) - ed. TEC & DOC Lavoisier

mode desexcitation detecteur ionisation

  • fluorescence : transition permise entre un état singulet excité S1 et l'état singulet fondamental S0
  • phosphorescence : transition interdite entre un état triplet excité T1 et l'état singulet fondamental, S0
  • fluorescence retardée : transition entre un état singulet excité S1, peuplé à partir d'un état triplet T1, et l'état singulet fondamental, S0

On détecte donc une lumière émise entre 300 et 500 nm, la longueur d'onde étant caractéristique du scintillateur employé. Ce signal lumineux est ensuite converti en signal électrique.

En conséquence, ce type de détecteur est utilisé pour :

  • le dénombrement
  • la spectromètrie
  • la mesure de débits de dose absorbée

2. Caractéristiques et comparaison des différents détecteurs à scintillations

Il existe 2 types de scintillateurs :

  • minéraux
  • organiques (soit plastiques soit liquides)

Type de scintillateur minéraux  organiques
plastiques liquides
exemple
  • NaI activé au thallium
  • sulfure de zinc activé à l'argent
cristaux d'anthracène ou de stilbène
  • solvant primaire : toluène
  • solvant secondaire : éthylène glycol
  • soluté scintillant : POPOP
modèle
  • sonde γ SG 70-2
  • sonde α SA 70-2
sonde β SB 70-2 ---------------------
détection
  • NaI : X et γ
  • SZn : α
β : E > 200 keV β de faible énergie : 3H : Eβmax = 18,6 keV
avantages
  • bon pouvoir d'arrêt
  • bon rendement lumineux
  • faible constante de temps
  • facilité d'usinage
---------------------
inconvénients
  • forte constante de temps 
  • sensibilité aux variations de température
  • mauvais rendement lumineux
  • mauvais pouvoir d'arrêt
mélange de la source au liquide scintillant => source irrécupérable

Remarques

  • une forte constante de temps est non adaptée au taux de comptage élevé
  • le solvant primaire absorbe l'énergie des particules β- et solubilise les autres éléments du mélange
  • POPOP : 1, 4-bis 2-(5 phényloxazolyl) benzène

Le rendement et la sensibilité des scintillateurs solides sont plus élevés que ceux des détecteurs à gaz.

L'efficacité de détection est d'autant meilleure que le volume du scintillateur est important et que son numéro atomique, Z, est élevé.

Haut de page

 

IV. Principe du dosimètre photographique ou détecteur à lecture latente

C'est l'instrument légal à partir duquel sont comptabilisés les équivalents de dose absorbées reçus par un travailleur au niveau de la peau et en profondeur. En conséquence, les travailleurs de catégorie A doivent être munis de dosimètres photographiques individuels, comme le spécifie la réglementation française.

En général, il est porté au niveau de la poche poitrine pendant les heures de travail et stocké dans un lieu précis le moins exposé possible aux radiations le reste du temps. Il est relevé et révélé tous les mois en général.

Enfin, dans la plupart des cas, il existe un film témoin qui est accroché à un tableau.

Historiquement, Becquerel ayant stocké des sels d'uranium près d'un film photographique, a constaté que ce film était impressionné.

Les rayonnements ionisants ont donc la propriété d'impressionner les émulsions photographiques qui sont constituées :

  • d'une suspension de grains de bromure d'argent cristallisés
  • d'ions Ag+ interstitiels
  • d'impuretés S- dans de la gélatine

L'interaction du rayonnement ionisant avec la suspension entraîne la libération d'électrons du brome :     Br- <==> Br° + e-

Cet électron est capturé par le soufre :     S- + e- <==> S2-

L'impureté S2- réduit ensuite l'argent interstitiel en lui cédant un électron :     Ag+ + e- <==> Ag

Il se forme un germe d'argent métallique (2 à 3 atomes par grain) qui est responsable de l'image latente.

Le révélateur (ex : hydroquinone) complète la réduction des ions Ag+ des grains qui présentent un germe (5 105 à 106 ions par grain) ce qui fait apparaître l'image.

Le fixateur (un thiosulfate) solubilise l'argent non réduit.

A partir du film, on détermine la dose absorbée par l'intermédiaire de la densité optique du film révélé.

Source : Formation radioprotection à l'intention des personnes compétentes - Cours "Détection des rayonnements ionisants" G. Moreau - M. Ammerich / C.E.A. - I.N.S.T.N.

dose absorbe film absorbance dosifilm

En effet, il existe une plage dans laquelle la densité optique est proportionnelle à la dose absorbée ;

  • pour de faibles doses absorbées, il se forme un voile qui correspond au seuil minimum de sensibilité du film choisi. Ce seuil se situe aux alentours de 0,2 mSv pour des rayonnements de particules β et des rayonnements γ
  • pour de fortes doses absorbées, on observe un phénomène de saturation.

Le principal inconvénient du dosimètre photographique est la dépendance de sa plage d'utilisation (la partie linéaire entre " voile " et " saturation ") aux basses énergies (il y a un facteur 50 entre E = 50 keV et E = 1 meV).

Pour chaque situation professionnelle, il est donc nécessaire de disposer de films dosimètres sous des écrans convenablement choisis, afin que la réponse soit indépendante de la gamme d'énergie qui caractérise cette situation.

a. Les deux cylindres de plomb inclus dans la faxe arrière du boîtier permettent de déceler une exposition reçue dans le dos. En conséquence, le film doit être placé de telle manière que le nom du porteur soit visible.

b. Le boîtier correspond à un équivalent tissus de 300 mg.cm-2 pour les rayonnements électromagnétiques.

c. La plage "nue" sans écran correspond à une mesure effectuée sous 20 mg.cm-2, qui est l'épaisseur de la pochette contenant l'émulsion.

d. La plage 200 µGy à 8 mGy et la plage 6 mGy à 300 mGy permettent la mesure de l'exposition mensuelle subie par la peau et l'organisme en profondeur, en situation normale.

e. Le boîtier plus l'écran 1,5 mm d'aluminium, qui correspondent à un équivalent tissus de 700 mg.cm-2, arrêtent tous les rayonnements électroniques d'énergie inférieure à 1,6 MeV.

f. Les autres écrans, d'épaisseur et de nature variables, permettent d'effectuer une spectromètrie des rayonnements électromagnétiques, essentiellement pour les doses absorbées les plus faibles. Pour une énergie d'une centaine de keV, une correction doit être effectuée pour tenir compte du voile dû à la grande sensibilité des émulsions dans ce domaine d'énergie.

g. La plage 200 mGy à 8 Gy n'est lue qu'en cas d'accident d'exposition.

h. Enfin, une nacelle amovible située en dessous du dosifilm contient deux pastilles de fluorure de lithium qui, faute de mieux, seront lues si le film est inexploitable. 

Si l'on observe un éclaté du dosifilm (figure ci-contre) employé au Commissariat à l'Énergie Atomique.

Source : Formation radioprotection à l'intention des personnes compétentes - Cours "Détection des rayonnements ionisants" G. Moreau - M. Ammerich / C.E.A. - I.N.S.T.N.

eclate dosifilm cea

Haut de page

 

V. Conclusions

1. Le dosifilm est l'instrument légal dont les travailleurs de catégorie A doivent être munis. Il contient des écrans qui permettent l'évaluation de l'exposition à différent types de rayonnements de gamme d'énergie distinctes. Il permet notamment la détermination de la dose absorbée par la peau (équivalent tissu de 70 mg.cm-2) et en profondeur (équivalent tissu de 300 mg.cm-2).

2. De manière générale, les dosimètres utilisés en radioprotection sont classés en 2 catégories :

dosimetre actif

dosimetre passif

Source : "Manuel pratique de radioprotection" D.-J. Gambini & R. Granier (1997) - ed. TEC & DOC Lavoisier

  • les dosimètres actifs à lecture directe qui enregistrent en permanence l'effet instantané des rayonnements ionisant sur le détecteur. Ils permettent une surveillance en temps réel des travailleurs exposés.
  • les dosimètres passifs à lecture différée qui mesurent une modification durable du détecteur. La dose absorbée par un travailleur n'est connue qu'après exploitation du dosimètre avec un délai de 1 mois en général.

 

Valid XHTML 1.0 Transitional         Flux RSS Retour haut de page