Caractéristiques et comparaison des différents détecteurs à gaz

Télécharger le fichier pdf d’un mémoire de fin d’études

Moyens de surveillance dosimétrique

La dosimétrie est la mesure de la dose absorbée par une personne exposée à des rayonnements  ionisants. Dans un établissement ou l’on effectue des travaux sous rayonnements, il est nécessaire de disposer de toute une gamme de techniques et d’appareils qui devront permettre de mesurer la dose des rayonnements reçus afin d’obtenir les renseignements nécessaires à l’évaluation du risque lie à l’exposition. Les appareils de mesures doivent être rigoureusement étalonnés au départ, puis subir des contrôles de qualité périodiques. On distingue selon les modes d’utilisation des dosimètres en radioprotection : [53]
– Des dosimètres adaptés à la dosimétrie individuelle (fig9)
– Des dosimètres d’ambiance pour la zone contrôlée et surveillée (fig10)
– Des détecteurs de contamination des surfaces (fig11)

Les appareils de dosimétrie individuelle

On distingue parmi les appareils de dosimétrie individuelle :

Les dosimètres à chambre d’ionisation : stylo dosimètres

¾ Principe de la chambre d’ionisation
Elle est essentiellement constituée par un cylindre métallique formé d’une électrode centrale parfaitement isolée du cylindre, reliée à un appareil de mesure et portée à un potentiel positif.
Le cylindre métallique est porté à un potentiel négatif grâce à une batterie.
Cette cavité cylindrique renferme de l’air ou un gaz comme l’argon.
La face interne de la paroi extérieure conductrice constitue donc la cathode, l’électrode constitue l’anode entre lesquels on a établi une tension de 50 à200 volts. Les particules incidentes qui pénètrent dans la chambre provoquent une ionisation de l’air ou du gaz qu’elle contient, les ions positifs du gaz sont attirés donc par la cathode (parois du cylindre) alors que les ions négatifs sont attirés vers l’anode (électrode centrale). Le courant mesuré par l’appareil est proportionnel à l’intensité du rayonnement qui traverse la chambre.
Les lectures se font sur plusieurs échelles (ex : en Gy /heure)
‐ les dosimètres à chambre d’ionisation = (stylo dosimètre)
Ayant la forme d’un stylo, il est constitué par une petite chambre d’ionisation reliée à une capacité dont la charge diminue en fonction de la quantité des rayonnements qui traverse l’appareil. Le stylo dosimètre contient un petit électromètre à fibre de quartz relié à l’électrode interne de la chambre. La dose est indiquée par la position de la fibre et on peut la lire au moyen de petits microscopes, incorporés à l’instrument, les capacités des appareils doivent être chargés avant leur utilisation à l’aide d’un chargeur approprié. La période de surveillance ne doit pas dépasser une semaine, car il peut y avoir une déperdition de charge.
Les stylo dosimètres ne conviennent en général qu’à la détection des rayons X ou Gama et particulièrement dans les situations ou existe un risque d’irradiation permanent à débit de dose élevé. Ils ont l’inconvénient d’être couteux. On peut utiliser des chambres d’ionisation à lecture indirecte, mois coûteuse et d’une fabrication simple. [52]

Les dosimètres photographiques 

Les dosimètres photographiques sont constitués d’un ensemble d’émulsions sensibles constitués par du bromure d’argent (Br- Ag+), fixé à la gélatine, ces émulsions enfermées dans un sachet scellé et placées dans des boitiers comportant un ensemble d’écrans de natures différentes ; la réduction par voie chimique du bromure d’argent sous l’action des rayonnements provoque le noircissement de l’émulsion. Emulsions et écrans sont choisis en fonction des types d’expositions auxquels les porteurs sont soumis : X et Gama d’énergie basse ou élevée, béta purs, neutrons thermiques ou rapides, divers rayonnements simultanés. La dose est déterminée par comparaison du noircissement de l’émulsion avec le noircissement des films étalonnés par exposition à doses connues.
Les dosimètres photographiques seront portés strictement pendant les heures de travail. En dehors, ils seront sur un tableau d’accrochage. Le dosifilm est identifié au nom du porteur. Il doit être changé chaque mois. Le dosimètre est toujours individuel et nominatif.
Il ne doit pas être porté par une personne à laquelle il n’est pas destiné. Le dosimètre poitrine doit être porté du coté gauche (fixé au vêtement de travail par un épingle ou bouton).
Æ Avantages du dosifilm :
Il constitue un témoignage permanent des doses d’exposition reçues par l’usage.
– Il renseigne sur la qualité du rayonnement auquel l’individu a été exposé.
– On peut s’en servir comme détecteur de zone
– Sa gamme de sensibilité est étendue
Æ Inconvénients du dosifilm :
– Il ne permet pas un renseignement immédiat sur l’exposition après un accident.
– Il doit être à l’abri des températures élevées de l’humidité et des vapeurs chimiques. [50]

Les dosimètres thermo luminescents

Actuellement, la plupart des problèmes dosimétriques en radiothérapie sont résolus par les mesures effectuées au moyen de chambres d’ionisations ou de films radiographiques, mesures traitées ensuite par ordinateur. Mais dans certains types de mesures, la chambre d’ionisation de par sa taille, ne peut permettre des mesures pour la dosimétrie in vivo. Les films posent un problème de par leur présentation et leur dépendance énergétique dans le domaine des basses énergies. L’utilisation des dosimètres thermo luminescents tels que le fluorure de lithium (LiF) ou le borate de lithium (Li2 B7 O4) sous forme de bâtonnets, de carrés, de pastilles ou de poudre que l’on peut introduire dans des tubes fins ou des récipients adaptés à l’anatomie est très souhaitable à cause de leur petite taille qui permet de faire des mesures sur malades sans perturber l’examen ou le traitement en cours, ni causer d’inconfort au patient. Ils constituent des détecteurs équivalents tissus et ont une réponse linéaire dans une large gamme de dose. D’autre part, le vieillissement de ces dosimètres thermo luminescents n’apparait qu’au bout de plusieurs mois après des doses totales reçues de l’ordre de 10000 Gy ; pendant ce temps, la réponse du matériau thermo luminescent n’est pas altérée. [44]
Les dosimètres thermo luminescents sont des matériaux capables d’emmagasiner de l’énergie au moment de l’irradiation par des rayonnements électromagnétiques ou corpusculaires et de les restituer ultérieurement sous formes de photons lumineux lorsque l’on élève leur température.
La détermination de la quantité de lumière émise par une masse donnée des matériaux luminescents à l’aide d’un appareil de lecture approprié, permet d’évaluer la dose absorbée par le matériau thermo luminescent.
Les matériaux thermo luminescents utilisés sont choisis sur les critères suivants :
‐ leur utilité courante et leur disponibilité commerciale, leurs applications spécifique incluant aussi bien la dosimétrie en radioprotection que celle en radiothérapie.
‐ Ils doivent posséder une forte concentration de pièges à électrons ou à trous pour permettre de mesurer des doses faibles.
‐ Ils doivent émettre une grande luminescence, cette luminescence doit être située dans la partie du spectre visible (400 à 700 nanomètres) et de l’ultraviolet (200 à 400 nanomètres), zone de fonctionnement des photomultiplicateurs (200 à599 nm) qui servent à la détecter.
‐ Ils doivent posséder des pièges dont la profondeur ne doit pas être trop grande pour que la température nécessaire pour les vider ne soit pas excessive.
‐ Ils doivent avoir une bonne stabilité des pièges.
‐ Il doivent être de bon dosimètres, c’est-à-dire, être constitués d’atomes aussi proches que possible de ceux des tissus humains de façon à obtenir une réponse du dosimètre identique à celle des tissus, quelque soit l’énergie du rayonnement.
Les plus utilisés sont : le fluorure de lithium : LiF, le borate de lithium :
Li2B4 O7 ; le sulfate de calcium : CaSO4, et fluorure de calcium : CaF2.
La dosimétrie par thermoluminescence est la méthode dosimétrique la plus utilisée pour mesurer les doses délivrées au personnel travaillant dans un service sous rayonnements. Pour ce type de mesure, on utilise des bandages contenant des dosimètres thermo luminescents. [15][14]

Les appareils mettant en jeu l’ionisation des gaz (tableau II)

Principe de fonctionnement 

Qu’ils soient ionisants 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 ;
Sous l’action du champ 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.
¾ 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.
¾ 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.
¾ Région 3 : régime de proportionnalité
Entre 300 et 1000 V, les ions crées par le rayonnement ionisant sont suffisamment accélérés par le champ 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.
¾ 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.
¾ Région 5 : régime de GEIGER – MÜLLER
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 MÜLLER et les détecteurs qui fonctionnent dans cette région sont les compteurs de GEIGER – MÜLLER.
Le premier compteur de ce type fût construit par GEIGER et RUTHERFORD en 1908. En 1928, GEIGER et MÜLLER apportèrent des modifications, notamment en ce qui concerne la finesse de l’anode.
¾ Région 6 :
Au dessus de 1400 à 1500 V, le détecteur devient instable du fait, de décharges permanentes et donc inutilisable.
Certains compteurs Geiger – Müller et certains compteurs proportionnels fonctionnent cependant avec des tensions pouvant atteindre respectivement 3000V et 4000V.

Les détecteurs à scintillations 

Les scintillateurs réalisent une conversion du rayonnement incident en photons lumineux avec proportionnalité entre l’intensité du signal lumineux et l’énergie déposée dans le scintillateur par le rayonnement.
La longueur d’onde de la lumière émise par le scintillateur est caractéristique de celui-ci. Elle est en général comprise entre 300 et 500 nm.
¾ Les caractéristiques d’un scintillateur
• Efficacité de détection :
Elle est d’autant meilleure que le volume du scintillateur est plus important et que son numéro atomique Z est plus élevé.
Elle est de l’ordre de 20 à 60% pour les rayons X et gamma
• Rendement lumineux :
Il est égal au rapport de l’énergie lumineuse émergeant du scintillateur à l’énergie délivrée à celui-ci par le rayonnement. Il doit être le plus élevé possible, ce qui implique une bonne transparence du détecteur à son propre rayonnement de fluorescence. Le rendement lumineux d’un cristal d’iodure de sodium activé au thallium est couramment inférieur à 10%.
L’absorption d’un photon de 100 Kv dans un cristal dont le rendement est de 8% donne une émission lumineuse de 8 Kev.
• Linéarité :
C’est la propriété d’un scintillateur de fournir des scintillations dont l’intensité lumineuse est proportionnelle à l’énergie des rayonnements incidents. Elle traduit l’invariance du rendement lumineux en fonction de l’énergie des photons détectés.

Table des matières

INTRODUCTION
PREMIERE PARTIE
CHAPITRE I : BIOPHYSIQUE DES RADIATIONS
1) Historique
2) Rappels physiques
2.1Structure de l’atome
2.1.1 Le noyau .
2.1.2 Les électrons
2.2Rayonnements ionisants
2.2.1 Définition
2.2.2 Nature des rayonnements ionisants .
2.2.3 Radioactivité alpha, béta, gamma
2.2.4 Rayon x ..
2.2.4.1 Production des rayons X ..
2.2.4.2 Mécanismes d’absorption des rayons X par la matière
CHAPITRE II : DOSIMETRIE
1) Moyens de surveillance dosimétrique
1.1 Les appareils de dosimétrie individuelle..
1 .1.1 Les dosimètres à chambre d’ionisation
1.1.2. Les dosimètres photographiques
1.1.3. Les dosimètres thermoluminescents
1.1.4. Dosimètres radio-photo-luminescents
1.2 Les appareils portatifs
1.2.1 Les appareils mettant en jeu l’ionisation des gaz
a. Principe de fonctionnement
b. Caractéristiques et comparaison des différents détecteurs à gaz
b1. La chambre d’ionisation
b2. Le compteur proportionnel
b3. Le compteur Geiger – Müller.
1.2.2 Les détecteurs à scintillations
1.3 Les autres méthodes
1.3.1 Méthode calorimétrique d’un rayonnement ionisant
1.3.2 La dosimétrie chimique
2) Définition des grandeurs et des unités de mesure
2.1 La dose absorbée
2.2 La dose équivalente (équivalent de dose)
2.3La dose efficace : dose efficiente
2.4La dose équivalente engagée
2.5La dose efficace engagée
2.6Le concept de dose collective
2.7La limite annuelle d’incorporation (LAI)
2.8La limite dérivée de concentration atmosphérique (LDCA)
CHAPITRE III : SOURCES D’IRRADIATION DANS UN CENTRE DE RADIODIAGNOSTIC
1) Radiologie conventionnelle
2) Scanner
3) Amplificateur de brillance
4) Angiographie
CHAPITRE IV : RADIOBIOLOGIE ET RADIOPATHOLOGIE
1) Effets biologiques des rayonnements
1.1 effets cellulaires
1.2 Effets moléculaires
1.3 Les lésions de l’ADN
1.4 Réparation de l’ADN
2) Radiopathologie humaine
2.1 Les effets déterministes
2.1.1 Irradiation globale
2.1.2 Irradiation partielle
2.2Les effets stochastiques
2.2.1 Les effets cancérogènes
2.2.2 Les effets génétiques
CHAPITRE V : RADIOPROTECTION
1) Définition
2) Historique de la radioprotection
3) Principes fondamentaux de protection
3.1 Justification des pratiques
3.2 Optimisation de la protection
3.3 Limitation des doses individuelles
4) Les organismes réglementaires
4.1. U.N.S.C.E.A.R. (« United Nations Scientific Committee on the Effects of Atomic Radiation »)
4.2. L’A.E.I.A.L’Agence Internationale de l’Energie Atomique
4.3. Commission Internationale de Protection Radiologique (CIPR)
4.4. Commission des Communautés Européennes (EURATOM)
4.5. Direction Générale de la Sûreté Nucléaire et de Radioprotection (DGSNR)
4.6. Institut de Radioprotection et de Sûreté Nucléaire (IRSN)
4.7. Organisme de Protection contre les Radiations Ionisantes (OPRI)
DEUXIEME PARTIE
I – INTRODUCTION
II – MATERIEL ET METHODE
III – RESULTATS
IV – DISCUSSION
V – CONCLUSION
VI – RESUME
REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES

Télécharger le rapport complet