La spectrometrie gamma

La radioactivité est l’émission d’énergie, du noyau d’un atome instable, sous forme de rayonnement. La radioactivité est omniprésente dans notre environnement : dans la matière vivante ou non. Elle se présente sous deux types, la radioactivité naturelle qui avait déjà existé depuis la naissance de l’univers et la radioactivité artificielle qui a vu le jour depuis le développement de la physique nucléaire. Les rayonnements émis par les radioéléments sont indétectables par les organes humains, mais par des détecteurs conçus par l’humain. Il existe plusieurs détecteurs de rayonnements radioactifs de nos jours. Dans le Laboratoire de Physique Nucléaire et Physique de l’Environnement, où notre stage s’est déroulé, il y a trois détecteurs NaITl et un détecteur CZT. C’est ce dernier que nous utilisons avec le MCA pour avoir la chaîne spectrométrique. La mise en place de cette chaine est encore en cours d’exécution.

PARTIE THEORIQUE

LA SPECTROMETRIE GAMMA

L’analyse spectrométrique est le seul moyen physique de caractériser une source de rayonnements. Cela consiste à placer un échantillon devant un détecteur afin de compter un nombre de coups pendant un temps donné. Il existe deux types de spectrométries : la spectrométrie ϒ qui est la méthode la plus courante et la spectrométrie α qui est beaucoup plus ardue à mettre en œuvre du fait du caractère difficilement détectable de ce type de particules. En ce qui concerne les émetteurs β, un comptage peut être effectué mais toute caractérisation est impossible.

Définition

La spectrométrie gamma est l’étude de répartition en énergie des rayonnements électromagnétiques de très courtes longueur d’onde émis par un noyau excité ou produit par le phénomène d’annihilation.

L’onde métrique est une radiation de longueur d’onde supérieure à 1m tandis que celle de microonde et l’infrarouge est situé entre 1 et 10⁻⁶ m. La longueur d’onde des radiations visible par l’œil humain est comprise entre 0,8.10⁻⁶ m (longueur d’onde de la couleur rouge) et 0,4.10⁻⁶ m (longueur d’onde de la couleur violette). L’ultraviolet est une radiation qui a de longueur d’onde de 0,4.10⁻⁶ à 10⁻⁸ m. En allant de 10⁻⁸ à 10⁻¹²m, on trouve le rayon X. Le rayon gamma admet de longueur d’onde inférieure à 10⁻¹² m. Les rayons gammas ne sont pas détectables par nos cinq sens usuel à cause de sa longueur d’onde très courte.

Les résultats obtenus par spectrométrie sont des résultats physiques, car issus d’une mesure et donc représentatif de la réalité.

Principe de la spectrométrie gamma

Le but d’une spectrométrie est de connaître la distribution en énergie des rayonnements gammas émis par une source radioactive. On va recueillir l’énergie véhiculée par ces rayonnements à l’aide d’un volume de détecteur approprié dans lequel les photons vont interagir et être transformés en signal électrique.

A la sortie du détecteur, on trouve un préamplificateur suivit d’un amplificateur qui vont tous deux, augmenter la taille du signal afin qu’il soit perceptible par l’ADC (Analogique Digital Converter). Celui-ci va transformer le signal analogique en signal numérique pour l’envoyer vers le logiciel de spectrométrie. La taille de l’impulsion est proportionnelle à l’énergie du rayonnement ayant interagit dans le volume détecteur. Les signaux (ou coups) vont être classés afin de former un spectre en énergie. A partir de celui-ci, on va déterminer la composition isotopique de la source et/ou l’activité de chacun de ces radioéléments présents.

ORIGINE du RAYON GAMMA

Le rayon gamma provient : soit du phénomène d’annihilation, soit par l’émission des radionucléides.

Phénomène d’annihilation 

Ce phénomène est appelé aussi phénomène de dématérialisation. Vu de son deuxième nom, il consiste à faire disparaitre la matière quand elle rencontre son antimatière correspondante. Exemple du phénomène d’annihilation : le rencontre d’un électron avec un antiélectron. Ils disparaissent en laissant deux rayons gammas qui partent de deux côtés opposés.

Emission du rayon gamma par des nucléides

Le rayon gamma qui provient des radionucléides est dû à leur désexcitation. Un noyau d’un atome se désintègre pour donner un autre noyau et au cours de cette désintégration, il arrive parfois que le nouveau noyau formé soit à l’état excité et doit émettre un rayon gamma à une certaine énergie pour atteindre sa stabilité.

GENERALITES sur le CESIUM-137 

Origines et propriétés du césium

Le césium en tant que élément chimique

Origine
Le césium est un élément naturel de couleur argentée, présent dans la croûte terrestre à raison de 1-4 mg/kg. Dans la nature, le césium ne se trouve pas à l’état métallique. Il se dépose sous forme d’oxyde de Césium (Cs2O) dans le minerai de pollucite (annexe (2)), dont les principaux gisements se trouvent au Canada. Il peut également sous forme d’hydroxyde de Césium CsOH dans l’eau. Le césium possède une faible mobilité dans les sols. Il s’adsorbe principalement dans les zones argileuses et les sols riches en potassium échangeable. La dispersion du Césium naturel dans l’environnement est essentiellement due à l’érosion des sols.

Propriétés physico-chimiques
Le césium est un élément chimique de symbole Cs, de numéro atomique 55 et de masse molaire 133g/mol. Son point de fusion est de 28.4°C, il peut donc se présenter sous forme liquide ou solide. Le césium fait partie de la famille chimique des métaux alcalins, tout comme le sodium et le potassium. Il présente un seul degré d’oxydation, et sa forme ionique est donc Cs+ . Outre ses formes oxydées et hydroxydées mentionnées précédemment, le césium peut également se trouver sous forme de carbonate, (Cs2CO3) de nitrate (CsNO3) et de chlorure (CsCl). La plupart des composés formés à partir du césium sont très soluble dans l’eau.

Propriétés radiologiques
Le césium est un élément possédant de nombreux isotopes allant du césium-114 au césium-146. L’isotope 133 est le seul isotope stable et seul présent à l’état naturel. Parmi les isotopes radioactifs, la plupart ont des demi-vies très courtes, de l’ordre de la seconde ou de la minute.

Utilisations
A l’heure actuelle, le césium naturel (¹³³CS) n’est presque plus utilisé de façon industrielle. Il était utilisé dans les cellules photoélectriques et les écrans télévision pour sa facilité à s’ioniser par la lumière visible ou les rayons ultraviolets. Il était également employé dans le revêtement de tungstène dans la lampe. De nos jours, il est encore utilisé en laboratoire, où il peut servir de catalyseur ou encore pour isoler l’ADN des cellules par centrifugation iso pycnotique dans un gradient de CsCl.

Table des matières

INTRODUCTION
PARTIE A
I. PARTIE THEORIQUE
1. LA SPECTROMETRIE GAMMA
a. Définition
b. Principe de la spectrométrie gamma
2. ORIGINE des RAYONS GAMMAS
a) Phénomène d’annihilation
b) Emission des rayons gammas par des nucléides
3. INTERACTION ENTRE RAYON GAMMA et MATIERE
a) Les mécanismes d’interaction
b) L’effet photoélectrique
c) L’effet Compton
d) La création de paires (e+ ; e-)
4. ATTENUATIONS des PHOTONS
5. GENERALITE sur le Césium-137
a. Origines et propriétés du césium
b. Le césium – 137
II. METHODOLOGIE
1. GENERALITES sur le DETECTEUR
a) Rôle du détecteur
b) Les différents types de détecteur
c) La chaine de détection
2. LE BLINDAGE
3. ETALONNAGE
a) Le choix du gain
b) Etalonnage en énergie du détecteur
4. PREPARATION des ECHANTILLONS
PARTIE B
I. ANALYSE de SPECTRES du RAYON GAMMA
1. ETUDE du SPECTRE de la SOURCE ETALON de l’IODE-131
2. ETUDE du SPECTRE du BRUIT DE FOND
3. ETUDE de SPECTRES des ECHANTILLONS
a) Méthode du choix de la région d’intérêt
b) Etude du spectre des échantillons
II. INTERPRETATION des RESULTATS OBTENUS
1. INTERPRETATIONS CONCERNANT l’ETALLONNAGE en ENERGIE
2. INTERPRETATIONS CONCERNANT le SPECTRE de l’ECHANTILLON
a) La région d’intérêt du césium 137
b) Interprétations des résultats pour les spectres des échantillons
CONCLUSION
RESUME
ABSTRACT
ANNEXE

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