Origine des rayons gammas

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.

INTERACTION du RAYONNEMENT GAMMA avec la MATIERE

Les mécanismes d’interaction

En pénétrant la matière, les rayonnements gammas peuvent interagir avec les atomes de différentes manières.

Les interactions sont dues aux :
– Electrons atomiques
– Noyaux
– Champs électriques du noyau
– Champs électriques des électrons .

L’atténuation et l’absorption d’un rayon gamma ont pour causes les trois effets suivants :
▶Effet photoélectrique
▶Effet Compton
▶Effet de matérialisation ou de création de paires (e+ , e-) .

L’effet photoélectrique et l’effet de matérialisation font disparaitre complètement le photon. Par contre, l’effet Compton est une diffusion avec cession d’énergie.

A ces 3 effets principaux s’ajoutent de nombreux autres effets de rôle négligeable dans l’absorption mais qui ont leur importance dans d’autres points de vue, comme par exemple :
✦ La diffusion de Rayleigh : qui est une diffusion élastique sur les électrons liés de l’atome, il n’y a pas de changement d’énergie ni de longueur d’onde mais une modification de la trajectoire.
✦ La diffusion Thompson : à partir d’électron libre.
✦ La diffusion Delbruck : diffusion sur le champ du noyau.
✦ Diffusion nucléaire résonnante : les rayons gammas incidents excitent le noyau qui se désexcite par émission de photon ou de particule.
✦ La photo désintégration du noyau : des particules peuvent être extraites par des rayons gammas d’énergie supérieure à 8 MeV.

L’effet photoélectrique

C’est l’interaction dominante pour des rayons gammas d’énergie faible. L’absorption totale ne peut avoir lieu que pour des électrons liés. La totalité de l’énergie du photon est cédée à l’atome pour extraire un électron.

Dispersion dans l’environnement

Le césium-137 est présent dans l’atmosphère sous forme d’aérosols qui peuvent être dispersés sur de très grandes zones du fait des vents et des pluies. Il se dépose dans les eaux, les couches supérieures des sols et les végétaux. Dans la flore, il est absorbé principalement au niveau des feuilles. La décomposition végétale participe à la contamination des sols. Etant d’origine artificielle, le césium 137 présent dans l’environnement est entièrement issu des activités humaines. La dispersion environnementale du césium-137 provient principalement de trois « sources » : les essais nucléaires, les accidents et les rejets dits « de routine ».

Les essais nucléaires

Depuis 1945, les pays ayant développé un programme nucléaire militaire (Etats-Unis, ex-URSS, Chine, France, Royaume-Uni et plus récemment Inde, Pakistan et Corée du Nord) ont mené des essais nucléaires atmosphériques, souterrains ou sous-marins. Ces essais sont considérés comme la principale source de dispersion du césium-137 dans l’environnement. En effet, les essais atmosphériques sont à l’origine d’environ 900.10¹⁵ Bq de césium-137, et les essais souterrains et sous-marins ont rejeté environ 200.10¹⁵ Bq de césium-137. Les retombées radioactives de ces essais sont peu à peu dispersées sur l’ensemble de la planète.

Les accidents des centrales nucléaires

Les accidents survenus sur des centrales nucléaires civiles sont à l’origine de la deuxième source des rejets environnementaux de césium-137. Les plus emblématiques et les plus médiatiques sont : l’accident de Tchernobyl (Biélorussie) et l’accident de Fukushima (Japon). En avril 1986, le réacteur numéro 4 de la centrale nucléaire de Tchernobyl explose. Suite à cette explosion, le cœur du réacteur, entré en fusion, est fracturé par la retombée des dalles de béton qui l’entouraient. Les radionucléides sont rejetés sous forme de débris, de gaz et d’aérosols. Ceux-ci se retrouvent dans le panache formé immédiatement après l’explosion et dans les fumées qui s’échappent en continu du cœur en fusion, jusqu’à son extinction 10 jours plus tard. Sur l’activité totale rejetée de 12,5.10¹⁸ Bq, 85.10¹⁵ Bq sont dus au seul césium137.

En mars 2011, la centrale nucléaire de Fukushima subit un accident suite au tsunami. L’étude de l’impact de l’accident de Fukushima est encore en cours. Des multiples accidents se sont produits au cours des années, dont certains avec des rejets radioactifs importants comme les accidents survenus sur les centrales nucléaires de Mayak (Russie) ou Windscale (Royaume-Uni) en 1957.

Les rejets « de routine »

Les rejets « de routine » sont les émissions de césium-137 des installations nucléaires en fonctionnement normal. Il représente une faible proportion du césium-137 généré lors du cycle de combustion. Ils interviennent soit lors du changement de combustible, soit lors du retraitement des déchets. Ils sont en majorité sous forme d’effluents liquides. Bien qu’ils soient émis de façon régulière, ils sont considérés comme une faible source de contamination environnementale en comparant à des essais nucléaires et des accidents nucléaires. A titre d’exemple, dans sa « fiche de radionucléide » de 2001 consacrée au césium-137, l’Institut de Protection et de Sûreté Nucléaire (IPSN) indique une estimation de rejet annuel de 1,3.10⁸ Bq de césium-137 pour un réacteur nucléaire de 1300 mégawatts électriques et de 1,3.10¹² Bq pour l’usine de retraitement de la Hague en 1999.

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
BIBLIOGRAPHIE et WEBOGRAPHIE

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