Paramètres caractéristiques d’un Triathler

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Radioactivité bêta

Il existe deux types d’émissions bêta β : l’émission β– et l’émission β+.
Lors de l’émission β–, le noyau émet un négaton et un antineutrino : le numéro atomique de l’élément initial augmente alors d’une unité. En plus de cette émission de particules, la nature des nucléons de ce noyau est modifiée. Ainsi, dans le cas d’une désintégration β–, un neutron se change en proton. Lors de l’émission β+, le noyau émet un positron et un neutrino : le numéro atomique diminue d’une unité. Dans le cas d’une désintégration β+, c’est un proton qui se change en neutron. Le noyau change donc de nature.
Dans les deux cas, le nombre de masse demeure inchangé. L’origine de la radioactivité bêta est une désintégration d’un proton ou d’un neutron par interaction faible.

Plus précisément, c’est un des quarks du nucléon qui se désintègre. Ainsi, dans le cas de la radioactivité β–, un quark down du neutron se désintègre en un quark up, un négaton et un anti-neutrino électronique. Il reste donc dans le nucléon deux quarks up et un quark down, le neutron devient donc un proton. Dans le cas de la désintégration β+, un quark up du proton se désintègre en un quark down, un positron et un neutrino électronique, le proton devient donc un neutron.

Rayonnement gamma

Le rayon gamma est un rayonnement électromagnétique à énergie élevée émis par deséxitation du noyau ou par annihilation. Les rayons gamma, beaucoup plus pénétrants que les rayons X, possèdent de nombreuses applications en biologie et en médecine.
L’origine de cette radioactivité est une excitation globale du noyau qui se désexcite en émettant ce photon. Cette excitation initiale du noyau est souvent due à une première désintégration par radioactivité alpha ou bêta et la radioactivité gamma accompagne donc souvent ces deux premières. La radioactivité gamma ne change pas la nature de l’atome qui la subit, puisque les nombres de protons et neutrons ne changent pas dans le noyau.
Exemples : ZA X ∗→ ZAX + γ
137 56Ba∗ →137 56Ba + γ Avec :
X ∗ : noyau père excité
X : noyau fils à l’état fondamental A : nombre de masse
Z : numéro atomique γ : photon gamma.

Rayonnement X

Le rayon X est rayonnement électromagnétique assez pénétrant, dont la longueur d’onde est dix mille fois plus petite que celle de la lumière. Les rayons X ont été découverts par hasard en 1895 par Wilhelm Röntgen, qui étudiait les rayons cathodiques dans un tube à décharge gazeuse sous haute tension. Bien que ce tube fût enchâssé dans un boîtier de carton noir, Röntgen nota qu’un écran de platinocyanure de baryum, placé par hasard à proximité, émettait une lumière fluorescente lorsque le tube fonctionnait.
Les rayonnements X sont produits par des changements d’orbite d’électrons provenant des couches électroniques internes des atomes.
Ils sont constitués de photons, caractérisés par leur énergie, inversement proportionnelle à leur longueur d’onde.
Les tubes spéciaux utilisés pour produire les rayons X peuvent être classés en deux catégories :
o les tubes à gaz ou tubes de Crookes (voir Figure 1.3.) ; ces tubes, dits à cathode froide, ne sont pratiquement plus utilisés aujourd’hui ;
o les tubes à vide poussé, ou tubes de Coolidge. Ces tubes, dits à cathode chaude, sont plus coûteux mais d’un meilleur rendement.

Effet de production de paire

L’effet de production de paire est prépondérant pour les photons de grande énergie, supérieure à 10 MeV.
Lorsque des éléments de masse atomique élevée sont irradiés par des rayons électromagnétiques à énergie extrêmement élevée, pénétrant dans la couche électronique la plus interne, on observe la production de paires de particules complémentaires : un négaton et un positron.

La production de paires est un exemple de conversion d’énergie en masse. Le photon requiert une énergie minimale de 10,2 MeV pour produire la masse de la paire. Si le photon incident possède plus d’énergie qu’il n’est nécessaire pour produire une paire, l’énergie en excès est transmise à la paire de négaton sous forme d’énergie cinétique. Les trajectoires des deux particules sont divergentes.
Lorsqu’un photon d’énergie au moins égale à 10,2 MeV, pénètre dans le champ électrique d’un noyau, il peut se matérialiser en un négaton et un positon. Cet effet peut se produire, mais beaucoup plus rarement, au voisinage d’un négaton. Le principe de conservation de l’énergie montre que :
– l’énergie hν du photon doit être au moins égale à 2 2m0c , soit 1.02 MeV.
– L’excès 2 hν – 2m0c est transféré, sous forme d’énergie cinétique, aux deux négatons formés, ou aux trois, lorsque la matérialisation s’est produite au voisinage d’un négaton.

Effet photoélectrique

C’est l’effet prépondérant pour les photons mous, de quelques eV à 1 MeV. Lorsqu’un quantum de rayonnement, appelé photon, situé dans la plage des rayons X du spectre électromagnétique, frappe un atome, il peut venir heurter un électron d’une couche interne et l’éjecter de l’atome. Si le photon transporte plus d’énergie que nécessaire pour éjecter le négaton, il va transmettre son énergie résiduelle au négaton éjecté sous forme d’énergie cinétique. Ce phénomène, appelé effet photoélectrique, apparaît principalement au cours de l’absorption des rayons X de faible énergie. L’effet photoélectrique peut aussi se définir comme étant une interaction s’il s’agit avec un électron orbital, surtout des couches profondes (K ou éventuellement L) d’un photon γ : à la suite du choc, le photon disparaît en communiquant tout son énergie à l’électron ; ce dernier est éjecté avec une énergie cinétique égale à : E = hν – EK (1.4)
Avec EK étant l’énergie de liaison de l’électron, supposé de la couche K.
L’atome ayant perdu un négaton K a gagné une énergie EK et il est excité ; il se désexcite par un réarrangement du cortège électronique et une émission de photons X, d’énergie totale EK . Ces photons X peuvent à leur tour provoquer de nouveaux effets photoélectriques, en général sur des négatons des couches plus externes, qui sont éjectés : c’est l’effet Auger.

FILIATION RADIOACTIVE

Définition

On appelle filiation radioactive la série de désintégrations en cascade que subissent certains noyaux. Dans la nature, les filiations radioactives concernent principalement trois éléments lourds dont le temps de vie est de l’ordre du milliard d’années : l’238U, l’235U et le 232Th.
La Terre étant vieille de 4,5 milliards d’années, il s’est établi, à l’intérieur de ces trois filiations radioactives, un équilibre entre les proportions du noyau ancêtre et de ses descendants. Ces proportions évoluent si lentement que cet équilibre est dit séculaire. A chaque instant, il se forme autant de noyaux d’un élément de la descendance qu’il ne s’en désintègre. Toutes les activités sont pratiquement constantes et égales à celle du noyau ancêtre.

L’établissement de cet équilibre séculaire n’a pas été immédiat. Il a nécessité une période transitoire qui est révolue. Un exemple caractéristique est celui de la filiation de l’238U. Cet élément possède une durée de vie beaucoup plus longue que tous les noyaux instables qui sont issus de lui. Sa désintégration est si lente que tout se passe comme si la filiation était alimentée par une goutte à goutte constante.
Le descendant de l’238U qui possède la plus longue durée de vie est un autre isotope de l’uranium, l’234U dont la période est de 245 000 ans. Ce laps de temps très long ne représente qu’un vingt millième des 4,5 milliards d’années de l’238U. Au bout de quelques périodes de l’234U – environ un million d’années – l’équilibre que nous observons aujourd’hui a été atteint. Il arrive que l’équilibre séculaire soit localement rompu, quand un des noyaux intermédiaires quitte le milieu où sont confinés ses ascendants.
Un exemple de rupture locale d’équilibre est celui d’un descendant de l’uranium, le radon, qui étant gazeux s’échappe d’un minerai. Dans le tunnel d’une mine d’uranium, un ventilateur accélère sa migration dans l’atmosphère. Si l’on considère la mine et l’atmosphère comme un tout, l’équilibre séculaire continue de prévaloir. Mais dans la mine, la descendance radioactive de l’uranium s’arrête au radium, le précurseur du radon : en dehors de la mine, dans l’air, elle se continue à partir de ce dernier. Dans chacun des deux milieux, considérés séparément, l’équilibre est rompu.

Equilibre et déséquilibre radioactif

Dans une filiation radioactive, un radionucléide A va se transformer en un radionucléide B, qui va donner un autre radionucléide C et ainsi de suite jusqu’à l’élément stable N.
A ⎯⎯→ λa B ⎯⎯→ λb C ⎯⎯→ λc ⋅⋅⋅ ⎯⎯→ λm M ⎯⎯→ λn N.

Utilisations industrielles

Le radium, premier radioélément mis en évidence, a été largement utilisé pendant plus de 60 ans dans les domaines médicaux et industriels. On évoque souvent des utilisations étonnantes du radium (soda au radium, pommades au radium…), mais les principales applications ont été thérapeutiques.
Parallèlement, le 226Ra a été utilisé en raison de ses qualités photo luminescentes dans les peintures destinées à l’horlogerie, à l’aviation et aux dispositifs de signalisation de secours. Le radium a enfin été utilisé pour la conception de détecteurs de fumée et de paratonnerres. Depuis 1960, l’utilisation du radium est désormais abandonnée, mais il subsiste dans le milieu médical des quantités non négligeables et mal localisées.

Expositions

Les coefficients de dose efficace du 226Ra et de chacun de ses descendants sont issus du rapport n°12 du Federal Guidance (1993), et sont valables quel que soit l’âge de l’individu exposé. Ils ont été sommés pour obtenir les coefficients de dose du 226Ra et de ses descendants à l’équilibre.

Le Radon

Définitions

Le radon est un gaz radioactif invisible et inodore. Il est produit par la désintégration du radium, un produit de désintégration de l’uranium. Le radon émet des particules alpha et il produit plusieurs substances radioactives solides appelées produits de filiation du radon.
Le radon et ses produits de filiation sont présents partout dans le sol, dans l’eau et dans l’air, en quantités plus ou moins grandes. La teneur en radon est particulièrement élevée dans les régions dont le sol ou la roche sont riches en uranium. Le radon est émis par le radium dans le sol, l’eau souterraine et les matériaux de construction. Il peut pénétrer dans l’air intérieur où il s’accumule, avec ses produits de filiation, dans les zones mal ventilées. Le radon et ses produits de filiation peuvent s’accumuler et atteindre des niveaux nocifs dans l’air des espaces confinés, par exemple les sous-sols et les vides sanitaires.
Les produits de filiation du radon sont inhalés avec l’air et ils se déposent dans les poumons. Les poumons absorbent les particules alpha émises par les produits de filiation du radon. La dose de rayonnement résultante augmente le risque de cancer du poumon.

Effets du radon

L’inhalation des produits de filiation du radon accroît le risque de cancer du poumon. Le lien établi entre la teneur de l’air en produits de filiation du radon et le risque de cancer du poumon est basé principalement sur les données d’une étude de la mortalité par cancer du poumon chez les travailleurs de mines d’uranium et d’autres travailleurs exposés à des niveaux très élevés de produits de filiation du radon. Il n’existe aucune preuve directe d’un lien entre l’exposition au radon dans les bâtiments et un accroissement du risque de cancer du poumon.
Le radon est un gaz chimiquement inerte. Il ne réagit pas avec les tissus du corps. Bien qu’une partie du radon inhalé se dissolve dans les liquides organiques, la concentration résultante est tellement faible que la dose de rayonnement produite par le radon lui-même est négligeable.

Les produits de filiation du radon sont des particules solides. La plupart des produits de filiation du radon se fixent sur des particules de poussière infimes contenues dans l’air intérieur. Une fraction variable reste libre. Lorsque les produits de filiation du radon sont inhalés, une fraction des particules fixées et des particules libres se déposent dans les poumons. À l’intérieur des poumons, les produits de filiation du radon émettent des particules alpha qui sont absorbées dans les tissus pulmonaires avoisinants. Comme les particules alpha ne peuvent pas pénétrer à plus d’une fraction de millimètre dans le tissu, le dommage est confiné au tissu pulmonaire de la zone située à proximité immédiate. Les produits de filiation du radon émettent aussi des particules bêta et des rayons gamma de faible intensité qui pénètrent plus profondément dans les tissus pulmonaires. Comme les particules bêta et les rayons gamma sont absorbés dans un grand volume du poumon, leurs effets nocifs sont présumés minimes.
Les personnes exposées à des concentrations élevées de radon présentent un risque accru d’être atteintes de cancer du poumon. Le degré de risque dépend de la teneur en radon de l’air et de la durée de l’exposition. D’après les estimations du Committee on the Biological Effects of Ionizing Radiation (BEIR IV, 1988), le risque à vie s’élève à 350 cas de cancer du poumon excédentaires si un million de personnes sont exposées à 1 niveau opérationnel-mois (WLM) de produits de filiation du radon.

Les unités de mesure de la teneur en radon

La teneur en radon de l’air est mesurée en picocuries par litre (pCi.l-1) ou en becquerels par mètre cube (Bq/m3). Un Bq correspond à une désintégration par seconde. Un pCi.l-1 est équivalent à 37 Bq.m-3.
L’unité de mesure de la teneur en produits de filiation du radon est le niveau opérationnel (WL), lequel donne une indication de l’énergie potentielle alpha par litre d’air. Un WL de produits de filiation du radon correspond à une teneur en radon d’environ 200 pCi.l-1 dans un environnement intérieur type. Cependant, la teneur relative en radon et en produits de filiation du radon peut varier d’un bâtiment à un autre. Dans le cas extrême, 1 WL correspond à une teneur en radon de 100 pCi.l-1. Cette situation est qualifiée d’équilibre complet et elle risque très peu de se produire. L’exposition professionnelle des travailleurs aux produits de filiation du radon est exprimée en niveaux opérationnels-mois (WLM). Un niveau opérationnel-mois correspond à une exposition à une concentration moyenne de 1 WL pendant 170 heures de travail. Les résultats des mesures sont fournis dans l’une ou l’autre des unités susmentionnées.

Processus de transfert de radon

Le radium présent dans le sol juste au-dessous d’un bâtiment constitue normalement la principale source de radon à l’intérieur. L’eau souterraine et les matériaux de construction sont des sources moins importantes de radium.

La présence d’uranium dans le sol et la roche donne une bonne indication des endroits où du radium et du radon peuvent être présents. Comme le radon est un gaz, une partie du radon produit dans le sol peut s’infiltrer dans les bâtiments. Le reste est piégé dans le sol. Dans l’air, le radon se désintègre en produits de filiation du radon, qui sont des solides et se retrouvent dans l’air des bâtiments sous forme de fines particules.
Étant donné que le radon est un gaz, les variations de pression atmosphérique influent aussi sur son taux d’émission à partir du sol et sur son taux d’accumulation dans l’air des bâtiments.
Les teneurs en radon à l’intérieur des bâtiments sont presque toujours plus élevées que les teneurs à l’extérieur. Une fois qu’il a pénétré dans un bâtiment, le radon ne peut pas s’échapper facilement. Les bâtiments étanches construits dans le but de conserver l’énergie laissent moins entrer l’air extérieur, ce qui aggrave la situation. Les teneurs en radon sont généralement les plus élevées dans les caves et les sous-sols, car ces endroits sont ceux qui se trouvent le plus près de la source et ils sont habituellement mal ventilés.

Norme d’exposition

La limite d’exposition annuelle en milieu de travail est de 4 WLM. La limite d’exposition annuelle du grand public est de 70 Bq.m-3. Dans les maisons et les autres milieux non professionnels, la teneur moyenne maximale admissible sur une base annuelle en produits de filiation du radon résultant de l’exploitation d’une installation nucléaire est de 0,02 WL (teneur en radon de 148 Bq.m-3). Santé Canada recommande une valeur de 0,1 WL (teneur en radon de 800 Bq.m-3) comme limite supérieure. Lorsque cette limite est dépassée, des mesures doivent être prises pour réduire la teneur en radon.

Table des matières

INTRODUCTION
PARTIE THEORIQUE
Chapitre 1. LA RADIOACTIVITE
1.1. Généralités
1.1.1. Définition
1.1.2. Demi-vie d’isotopes
1.2. Formes de la radioactivit
1.2.1. Radioactivité alpha
1.2.2. Radioactivité bêta
1.2.3. Rayonnement gamma
1.2.4. Rayonnement X
1.3. Interaction avec la matière
1.3.1. Effet Compton
1.3.2. Effet de production de paire
1.3.3. Effet photoélectrique
Chapitre 2. LA FILIATION RADIOACTIVE
2.1. Définition
2.2. Equilibre et déséquilibre radioactifs
2.3. Les radionucléides cibles
2.3.1. Le radium
2.3.1.1. Caractéristiques
2.3.1.2. Origine
2.3.1.3. Utilisations industrielles
2.3.1.4. Expositions
2.3.1.5. Effets biologiques
2.3.1.6. Protection
2.3.2. Le radon
2.3.2.1. Définitions
2.3.2.2. Effets du radon
2.3.2.3. Taux du radon
2.3.2.4. Les unités de mesure de la teneur de radon
2.3.2.5. Processus de transfert de radon
2.3.2.6. Norme d’exposition
Chapitre 3. LA DETECTION
3.1. Généralités
3.1.1. Mode de fonctionnement
3.1.2. Paramètres caractéristiques d’un Triathler
3.2. Les détecteurs basés sur la luminescence
3.2.1. Luminescence : fluorescence et phosphorescence
3.2.2. Luminescence et mesure des radiations
3.3. Les détecteurs à scintillation
3.3.1. Mode de fonctionnement
3.3.2. Caractéristiques et comparaison des différents détecteurs
3.4. Compteur à scintillation liquide
3.4.1. Généralités
3.4.2. Principes
3.4.3. Scintillations liquides
3.4.3.1. Cocktail miscible
3.4.3.2. Cocktail non miscible
3.4.4. Scintillations solides
PARTIE EXPERIMENTALE
Chapitre 4. LE TRIATHLER
4.1. Principe de fonctionnement et configuration
4.1.1. Introduction
4.2. Caractéristiques
4.3. Mode de comptage
4.4. Autres caractéristiques du Triathler
Chapitre 5. PROCEDURES DE MESURE
5.1. Conditions de mesure
5.2. Efficacité
5.2.1. Efficacités absolues et intrinsèques
5.3. Limite de détection
5.4. Résolution en énergie
5.5. Procédure d’analyse
5.5.1. Mode de comptage
Chapitre 6. LE PRELEVEMENT
6.1. Localité
6.2. Prélèvement d’échantillon
6.3. Préparation de l’échantillon
6.4 Source d’étalon
6.5. Matériels utilisé lors de la mesure
Chapitre 7. RESULTATS ET INTERPRETATIONS
7.1. Coups détectés par minute
7.1.1. Coups détectés par minute par rapport au mode de comptage
7.1.1.1. Avant cinq minutes
7.1.1.2. Après quinze minutes
7.1.1.3. Après vingt un jours
7.1.1.4. Comptage alpha séparé
7.1.2. Rapport des CPM par rapport au temps de mesure
7.2. Réalisation cartographique
7.2.1. La carte
7.2.2. Les système d’information géographique
7.2.3. Les données géographiques
7.2.4. Projection Laborde de Madagascar
7.3. Estimation des activités
7.3.1. Mesure 1 : avant 05 minutes
7.3.1.1. Grosse αβ
7.3.1.2. Bêta avec séparation
7.3.1.4. Alpha avec séparation
7.3.2. Mesure 2 : après 15 minutes
7.3.2.1. Grosse αβ
7.3.2.2. Bêta avec séparation
7.3.2.4. Alpha avec séparation
7.3.3. Mesure 3 : après 21 jours
7.3.3.1. Grosse αβ
7.3.3.2. Bêta avec séparation
7.3.3.4. Alpha avec séparation
CONCLUSION
Annexes
Références bibliographiques

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