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Basses activités - Principe de fonctionnement

 

Le cristal de Germanium (semi-conducteur) est maintenu sous vide, à la température de l'azote liquide, dans un cryostat présentant une forme coudée en J. Tous les matériaux entrant dans la composition du cryostat ont été préalablement sélectionnés pour leur faible teneur ou absence d'éléments radioactifs. Un blindage formé d’une succession de couches de plomb et de cuivre (contre les rayonnements gamma externes) entoure complètement le cryostat. La partie interne du blindage, proche du cristal de Ge, est formée de couches de plomb archéologique.

 

 

 

 

Ci-contre, les bruits de fond observés dans un laboratoire en surface (1), dans un laboratoire en surface avec un bon blindage autour du détecteur (2) et enfin au Laboratoire Souterrain de Modane (3) sous 1750 mètres de roche et avec un bon blindage.

Le LSM permet donc des mesures de radioactivités bien plus faibles qu'en surface.

 

 

 

Le rayonnement gamma

Le rayonnement issu d'un radio-élément peut-être de différentes natures : on parle d'émission alpha, bêta ou gamma (Voir la page sur les rayonnements ). Le rayonnement gamma, qui suit généralement une émission alpha ou bêta, est issu du noyau de l'atome et correspond à une désexcitation de ce dernier. En effet, après une désintégration alpha ou bêta, le nouveau noyau n'est pas toujours dans un état d'équilibre énergétique : il possède encore "un trop plein d'énergie", on dit qu'il est excité. Pour se débarrasser de cet excédent, il va émettre un ou plusieurs rayonnements gamma d'énergie détermninée et caractéristique du noyau et donc de l'atome en présence. c'est en quelque sorte la signature du radioélément.

Le rayonnement gamma est un rayonnement analogue à celui de la lumière, mais beaucoup plus énergétique. On appelle "photon" la particule associée à ce rayonnement.

La spectrométrie gamma

D'où l'idée que si l'on dispose d'un appareil qui permet d'une part de mesurer exactement l'énergie des photons gamma émis et d'autres part d'en comptabiliser le nombre pendant une certaine durée, on peut alors identifier les radioéléments présents et déterminer leur activité. Cet appareil d'analyse n'est autre qu'un spectromètre gamma.

Qu'est ce que le détecteur ?

Mais voilà, on dit que les rayonnements sont imperceptibles, qu'on ne peut pas les toucher, les voir, les sentir ; ce qui est vrai pour l'homme, l'est aussi pour l'électronique associée à la chaîne de mesure qui gère les informations. Pour assurer la détection, il faut avoir recours à un organe intermédiaire qui va transformer les rayonnements en une grandeur (en l'occurence une tension électrique) directement exploitable par l'électronique associée à la chaîne de mesure.

Que se passe-t-il quand un photon gamma pénètre dans le détecteur ?

- Soit il se balade sans laisser la moindre trace de son passage et il n'est pas détecté. (N'oublions pas qu'à l'échelle d'un photon la matière peut-être assimilée à une "passoire".)
- Soit il y a interaction du photon avec les atomes constituant le cristal de germanium et la détection devient possible, elle repose alors sur les effets engendrés par le rayonnement gamma sur la matière et est optimale pour un effet donné (appelé effet photoélectrique).

Une particule avec une énergie suffisante, rencontrant un semi-conducteur, va arracher un électron à un atome du cristal (par effet photoélectrique , effet Compton ou création de paires ) en lui cédant une partie ou la totalité de son énergie sous forme d'énergie potentielle (ionisation) et cinétique. Le semi-conducteur a la particularité de se comporter comme un conducteur lorsqu'il y a interaction du rayonnement et comme un isolant lorsqu'il n'y a pas interaction. Le gap est l'énergie minimum qui doit être apportée au cristal pour qu'un électron de la bande valence (participant aux liaisons entre les atomes) soit libéré dans la bande de conduction. Le semi-conducteur est particulièrement bien adapté à la mesure de rayonnements gamma car il permet de discriminer le courant provoqué par les particules du courant de bruit thermique.

L'électron éjecté lors de l'interaction va déclencher à son tour d'autres ionisations en cascade. Après thermalisation avec le cristal, on obtient au sein du semi-conducteur un nuage de porteurs libres . Le semi-conducteur étant polarisé par une haute tension, les porteurs libres vont être attirés vers les électrodes et engendrer ainsi un courant mesurable dans un circuit connecté au détecteur.

Les spectres ?

L'analyse d'un échantillon par spectrométrie gamma donne naissance à un spectre : histogramme du nombre de photons détectés en fonction de leur énergie. Le spectre est caractérisé par un fond continu (bruit de fond) décroissant avec l'énergie et par la présence de plusieurs pics. Chaque pic correspond à un rayonnement gamma issu de la désexcitation des noyaux instables ou atome radioactif présent dans l'échantillon.

Le détecteur analyse chaque particule incidente séparément.

Les charges sont collectées aux électrodes et forment un signal électrique transitoire appelé impulsion. Si la collecte est complète, l'intégrale du courant mesuré est proportionnelle à l'énergie déposée par la particule incidente. On utilise un circuit électronique pour mesurer cette intégrale ; en général il s'agit soit d'un condensateur , soit d'un préamplificateur de charge.

On obtient la correspondance entre la valeur du signal électrique intégré et l'énergie déposée par la particule à l'aide d'un étalonnage du détecteur.

Et les pics ?

On mesure donc pour chaque particule incidente une valeur proportionnelle à son énergie. Si l'on mesure pendant un temps donné le rayonnement incident, on peut compter le nombre de particules ayant frappé le cristal (on parlera de "coups") et les classer par énergie.

On obtient ainsi un spectre montrant le nombre de coups par niveau d'énergie. On pourra ainsi observer des pics à des énergies bien précises, correspondant aux énergies des particules incidentes.

Les éléments radioactifs émettant des rayonnements avec des énergies bien précises, on peut retrouver quel élément est la source des rayonnements mesurés.

 

1°) Par la position des pics (ou énergie des photons), on entreprend l'analyse qualitative du spectre : on
détermine les radioéléments présents dans l'échantillon analysé.

2°) Par la surface des pics (ou nombre d'impulsions), on entreprend l'analyse quantitative du spectre : on
détermine pour chaque radioélément (présent dans l'échantillon) son activité en becquerels ramenée à la masse ou au volume de l'échantillon (Bq/kg sec ou Bq/L).

Et la durée de comptage ?

La désintégration d'un noyau par l'émission d'un photon gamma est un phénomène spontané. S'il est possible de prévoir le comportement d'un grand nombre de radioéléments dans le temps, estimation de l'activité, en revanche il est impossible de dire exactement à quel moment un noyau va se désintégrer. Cette particularité, impose de faire des mesures sur un temps suffisamment grand pour gommer les irrégularités et obtenir un résultat d'activité le plus exact possible.

A titre d'exemple, les analyses d'échantillons de l'environnement réalisées au laboratoire souterrain de Modane, nécessitent des temps de comptage allant de 15 heures à 3 jours, les analyses d'échantillons destinés à la caractérisation des matériaux nécessitent un temps de comptage beaucoup plus long, de plusieurs jours car ils sont très peu radioactifs.

 

 

 

 

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