Interaction de rayonnements électromagnétiques avec la matière

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Emission de rayonnement gamma

Les rayonnements gamma sont souvent produits en même temps que d’autres formes de rayonnement comme les désintégrations alpha et êtab. Quand un noyau émet une particule alpha ou bêta, il se retrouve souvent dans un état excité. Il peut alors redescendre vers un niveau de moindre énergie en émettant un rayon gamm.
Le type de ce rayonnement est décrit comme étant indirectement ionisant car il n’est pas porteur de charge électrique. Le rayonnement indirectement ionisant se déplace dans le milieu absorbant sans exercer aucune force sur les électrons en orbite jusqu’à ce que par hasard il entre en collision avec une partie d’un atome.

Sources des rayonnements naturels

Notre corps humains est toujours exposé à un certain nombre de composantes de la radioactivité naturelle. Chaque composante varie avec l’espace. C’est-à-dire, tous les espaces n’ont pas le même composant de la radioactivité naturelle. Les deux principaux composants proviennent des sources de rayonnement cosmique et des radionucléides présents dans l’écorce terrestre.

Rayonnement primaire

Le rayonnement primaire a son origine en partie à l ’intérieur de notre galaxie et une partie à l’extérieur. Ces rayonnements cosmiques primaires d’origine extraterrestre ont une composition bien connue, au dessus de 1 TeV. Le rayonnement primaire est constitué de 85% de proton, 12,5% de particule alpha, 1,5% de composante lourde (Z>2) et 1% de négaton. Il est accompagné par de bruit de fond constitué par esd photons et des neutrinos.

Rayonnement secondaire

Les rayonnements primaires interagissent avec les noyaux présents dans la couche supérieure de l’atmosphère et produisent le rayonnement secondaire reçu au niveau du sol. Ceux sont surtout les photons qui interagissent pour donner des pions, π+, π- et π0. Ces pions interagissent à leur tour et créent de gerbes :
les pions chargés créent des gerbes nucléaires constituées par des protons, des neutrons et des muons.
les pions neutres créent des gerbes électromagnétiques constitués par des négatons, des positons, des photons ainsi que de neutrinos et antineutrinos.
Au niveau de la mer, il n’existe plus des pions ou d’autre particule à durée de vie relativement courte, on trouve des muons d’énergie de 2 GeV, des neutrons et des négatons ainsi que des photons et quelques protons.

Rayonnement ambiant terrestre

Les radionucléides naturels dans l’environnement peuvent être divisés en deux classes : cosmogéniques et primordiaux.

Radionucléides cosmogéniques

Ils sont produits quand les nucléons cosmiques de haute énergie interagissent avec des atomes cibles dans l’atmosphère, la terre ou la biosphère les active pour produire des isotopes radioactifs. Les radionucléides cosmogéniques ont été détectésansdle sol, la glace polaire, les sédiments, l’atmosphère et même dans l’Homme. En particulier, les 4 radionucléides cosmogéniques les plus fréquents sont le carbone-14, le tritium-3, natrium-22 (sodium) et le béryllium-7.

Radionucléides primordiaux

Ces rayonnements proviennent des radionucléides terestres. Depuis la création de la terre, il y a des radionucléides qui ont de période radioactive suffisamment longue, comparable à l’âge de la terre (de l’ordre de 10 9 ans). Donc ils subsistent jusqu’à nos jours.
Les plus abondants et importants de ces radionucléides primordiaux sont ceux des familles radioactives naturelles, potassium-40 et rubidium-87. Dans les familles radioactives naturelles, il y a de famille de l’uranium-238, famille de l’uranium-235 et famille de thorium-232. Elles sont caractérisées par le nombre de masses A= 4n+p où p = {0 ou 2 ou 3}

Potassium-40 et rubidium-87

Le rubidium possède 32 isotopes connus, de nombre de masses variant entre 71 et 102. Seul deux de ces isotopes sont présents dans la nature : le rubidium-85 (72,2%) est un isotope stable de rubidium, et le rubidium-87 (28,8%) qui est radioactif. Il se désintègre pour donner de strontium-87 (désintégration bêta moins).
Le potassium-40 est un isotope de potassium dont le nombre de masse égale à 40 : son noyau atomique compte 19 protons et 21 neutrons. C’est un radioisotope du milieu naturel. Sa période radioactive est de 1,248 10 ans. Pendant laquelle, on observe :
· une désintégration bêta moins dans 88,8% de cas pour donner du calcium-40.
· une capture électronique dans 11,2% de cas pour donner de l’argon métastable, et suivie de l’émission de rayonnement gamma pour aller à l’état stable.
· une désintégration bêta plus, en proportion négligeable par rapport aux deux autres réactions précédentes (de ordre de 0,001%),et pour donner de l’argon stable.

Famille de l’uranium-238

Elle est caractérisée par le nombre de masss A= 4n + 2, le père de cette famille est l’uranium-238 qui a de périodde radioactive environ 4,5.109 ans. C’est un constituant principal de l’uranium naturel, avec une abondance de 99,27%. Dans cette chaîne, il y a des désintégrations alpha et bêta accompagnes par l’émission gamma. Cette chaîne est terminée par un isotope stable, le plombb-206. (Figure 1.1)

Famille de l’uranium-235

Elle est caractérisée par le nombre de masss A= 4n + 3, le père de cette famille est l’uranium-235 qui a une périiode radioactive 7,04.108 ans. Leur abondance est très faible car elle constitue de 0,72% de l’uranium naturel. Dans cette chaîne, il y a des désintégrations alpha et bêta accompagnées ar l’émission gamma.

Interaction de négaton avec la matière

En comparant avec les particules alpha, les négatons sont très petits. Ils ont une seule charge négative et une masse presque négligeable. En fait, ils sont identiques aux électrons orbitaux de l’atome absorbant et leur similitude en charge peut provoquer l’ionisation directe en repoussant les électrons orbitaux de l’atome. Les négatons sont moins susceptibles de provoquer l’ionisation directe le long de leurs trajectoires que les particules alpha et donc de se rendre plus loin qu’une particule de même énergi. Ainsi, une particule bêta de 3,5 MeV parcourra environ 11 m dans l’air et 17 mm dans les tissus.

Production du Bremsstrahlung

En se déplaçant près des noyaux absorbants, certaine particules bêta, notamment celles ayant des énergies plus élevées, vont subir une force d’attraction qui les pousse à se dévier, il ressort avec une perte d’énergie qui apparait sous forme de rayon X. Ce type de rayonnement est connu sous le nom du Bremsstrahlung, ce terme allemand signifie « rayonnement de freinage ».

Dose équivalente engagée et dose efficace engagée

Dans le cas d’incorporation de substances radioactives par inhalation ou par ingestion, des doses équivalentes sont délivrées aux organesuotissus pendant toute la durée de présence de ces substances dans l’organisme. L’intégrale dans le temps du débit de dose équivalente est une grandeur appelée dose équivalente engagée, H(τ), τ étant la durée d’intégration. Si sa valeur n’est pas précisée, elle est implicitement de 50 ans pour les adultes et 70 ans pour les enfants. La dose efficace engagée est définie de la même façon ; la dose équivalente engagée et la dose efficace engagée s’expriment en sievert.

Dose équivalente collective et dose efficacecollective.

Toutes les grandeurs ci-dessus se référent à l’exposition d’un individu. Pour estimer l’impact global d’une pratique sur un groupe d’indi vidus (une population), on définit les notions des doses équivalentes collectives, S , et des doses efficaces collectives, S : c’est la somme des doses individuelles (équivalentes ou efficaces) reçues par tous les individus de la population concernée. Ces deux grandeurs s’expriment en homme sievert.

Cas de Vinaninkarena-Antsirabe

Les études de niveau de dose ont été faites sur lesanciens sites d’exploitation minière de Vinaninkarena-Antsirabe. Les zones d’étude sont les anciens sites de Fitatahana, d’Ambohitrinimasina et de Vatovory.
L’évaluation des doses reçues par le public est nécessaire pour la protection des habitants. Alors, des mesures de débit de dose et de concentration de radon-222 ont été faites sur les villages situés aux alentours des anciens ites : le village d’Ambohitraivo, le village de Vatovory et le village de jeunesse.

Historique

La découverte des indices d’uranium dans le bassin « plio-pléistocène » d’Antsirabe par le Commissariat à l’Energie Atomique fran çais (CEA) datée de 1910. Les travaux effectués dans la région ont permis l’exploitation de gisements de minerais oxydés d’uranocircite qui aurait fourni une quarantaine de tonnes de concentrés exportés avant 1940 pour l’extraction d’uranium et de radium.
Après 1945, les recherches ont été reprises par leCEA par des travaux de prospection de surface (levés géologiques et scintillométriques) et de sub-surface (sondage) jusqu’en 1954. Depuis 1976, la mise en valeur des ressources uranifères d’Antsirabe figure dans le programme de l’Office des Mines National pour les Industries Stratégiques (OMNIS), avec l’assistance de l’Agence Internationale de l’E nergie Atomique (AIEA 1976-1977) et du Programme des Nations Unies pour le Développement (PNUD 1979-1982). Les indices sont localisés de part et d’autre de la rivière de Manandona. On y accède par la route nationale N° 7 (Antananarivo-Fianarantsoa).
De la Commune de Vinaninkarena, une route menant au Village de Jeunesse permet d’atteindre les anciens travaux d’exploitation du C EA à ciel ouvert et par galeries. L’uranium, sous forme d’autunite et d’uranocir cite y a été reconnu. L’autunite provient de l’altération de pechblende, associé souvent à lachalcolite, dans les pegmatites et granites uranifères de la zone d’oxydation.

Table des matières

PARTIE THEORIQUE
CHAPITRE 1 : LA RADIOACTIVITE
1.1. Généralités
1.1.1. Désintégration alpha
1.1.2. Désintégration beta
1.1.3. Emission de rayonnement gamma
1.2. Sources des rayonnements naturels
1.2.1. Rayonnements cosmiques
1.2.1.1. Rayonnement primaire
1.2.1.2. Rayonnement secondaire
1.2.2. Rayonnements ambiants terrestres
1.2.2.1. Radionucléides cosmogéniques
1.2.2.2. Radionucléides primordiaux
1.2.2.2.1. Potassium-40 et rubidium-87
1.2.2.2.2. Famille de l’uranium-238
1.2.2.2.3. Famille de l’uranium-235
1.2.2.2.4. Famille de thorium-232
1.2.3. Radon et ses descendants
CHAPITRE 2 : INTERACTION DES RAYONNEMENTS AVEC LA MATIERE
2.1. Interaction des particules chargées avec la matière
2.1.1. Interaction des particules lourdes avec la matière
2.1.2. Interaction des négatons avec la matière
2.1.2.1. Ionisation directe
2.1.2.2. Production du Bremsstrahlung
2.1.3. Interaction des positons avec la matière
2.2. Interaction de rayonnements électromagnétiques avec la matière
2.2.1. Effet photoélectrique
2.2.2. Effet Compton
2.2.3. Effet de production de paire
CHAPITRE 3 : GRANDEURS ET UNITES DE MESURES
3.1. Grandeurs dosimétriques fondamentales
3.1.1. Dose absorbée
3.1.2. Débit de dose absorbée
3.1.3. Dose équivalente
3.1.4. Dose efficace
3.2. Les grandeurs dosimétriques complémentaires
3.2.1. Dose équivalente engagée et dose efficace engagée
3.2.2. Dose équivalente collective et dose efficace collective
CHAPITRE 4 : VOIES D’EXPOSITION
4.1. Exposition externe
4.2. Exposition interne
4.3. Effets des rayonnements ionisants
4.3.1. Effets déterministes
4.3.2. Effets stochastiques
4.4. Radioprotection
4.4.1. Définition
4.4.2. Principes de la Radioprotection
4.4.2.1. Justification de la pratique
4.4.2.2. Optimisation de la protection et de la sureté
4.4.2.3. Limitation des doses
CHAPITRE 5 : DETECTIONS DES RAYONNEMENTS
5.1. Détecteur à remplissage gazeux
5.1.1. Principe de fonctionnement
5.1.2. Chambre d’ionisation
5.1.3. Compteur Geiger-Muller
5.2. Etalonnage
PARTIE PRATIQUE
CHAPITRE 6 : LOCALISATION
6.1. Cas de Ranobe-Toliara
6.2. Cas de Vinaninkarena-Antsirabe
6.2.1. Historique
6.2.2. Représentation de zone d’étude
CHAPITRE 7. MATERIELS ET METHODES UTILISES
7.1. Alphaguard
7.1.1. Caractéristiques de l’Alphaguard
7.1.2. Mode de fonctionnement
7.2. Débitmètres
7.2.1. Description des appareils
7.2.2. Caractéristiques du débitmètre Graetz
7.2.3. Caractéristiques du débitmètre Thermo FISHER
7.3. GPS (Global Positioning System)
CHAPITRE 8. RESULTATS DES MESURES ET INTERPRETATIONS
8.1. Cas de Ranobe-Toliara
8.1.1. Débits de dose ambiante dans chaque zone étudiée
8.1.1.1. Débits de dose ambiante dans les villages situés aux alentours du site d’exploitation
8.1.1.2. Débits de dose ambiante dans la ville de Toliara
8.1.1.3. Débits de dose ambiante mesurés sur le site d’exploitation minière et aux alentours
8.1.1.4. Site de stockage des échantillons de sable minéralisé : Coordonnées géographiques : « -22,92013 » ; « 43,68528 »
8.1.1.5. Débits de dose ambiante sur le futur site de stockage
8.1.2. Mesures de la concentration du radon dans l’environnement
8.1.2.1. Emanation du radon
8.1.2.2. Mesures de la concentration de radon
8.2. Cas de Vinaninkarena-Antsirabe
8.2.1. Débits de dose ambiante
8.2.1.1. Débits de dose dans l’air libre
8.2.1.2. Débits de dose sur la route de la commune de Vinaninkarena vers Ambohitraivo et dans le village d’Ambohitraivo
8.2.1.3. Débits de dose à l’intérieur des habitations situées à proximité des anciens sites
8.2.2. Concentrations du radon dans l’environnement et dans les enceintes confinées
8.2.2.1. Emanation du radon
8.2.2.2. Variation de la concentration de radon-222 dans le village d’Ambohitraivo
8.2.2.3. Variation de la concentration de radon-222 dans le village de Vatovory
8.2.2.4. Variation de la concentration de radon-222 dans l’ancien site d’Ambohitrinimasina
8.2.2.5. Variation de la concentration de radon-222 au village de Jeunesse
CHAPITRE 9. ESTIMATION DE DOSE REÇUE
9.1. Cas de Ranobe-Toliara
9.1.1. Dose reçue due à l’irradiation externe
9.1.2. Dose reçue due à l’inhalation du radon
9.2. Cas de Vinaninkarena
9.2.1. Dose reçue due au rayonnement ambiant
9.2.2. Contribution de dose du radon
9.2.3. Doses annuelles
CHAPITRE 10. CONCLUSIONS ET RECOMMANDATIONS
10.1. Cas de Ranobe-Toliara
10.2. Cas de Vinaninkarena-Antsirabe
CONCLUSION GENERALE

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