Instrumentation, électronique nucléaire, traitement du signal

Instrumentation de mesure dosimétrique

Le LNHB a acquis une longue expérience dans la conception et la réalisation de chambres d’ionisation à cavité, étalons primaires destinées à caractériser en kerma dans l’air des faisceaux de photons de haute énergie. Ces chambres sont des instruments de forme sphérique ou cylindro-sphérique avec une cavité d’air de volume déterminé avec précision, et avec une paroi externe et une électrode centrale fabriquées en graphite. Un tel instrument a été réalisé récemment pour la caractérisation en kerma dans l’air d’un faisceau de photons d’environ 7 MeV réalisé au laboratoire à partir d’un des faisceaux de son accélérateur médical. Ce faisceau est destiné à l’étalonnage des dosimètes de radioprotection utilisés en milieu nucléaire.

Des chambres étalons de ce type sont en cours de fabrication pour plusieurs laboratoires nationaux de métrologie européens afin de les doter d’instruments primaires pour la réalisation de leurs références de kerma dans l’air pour les photons du cobalt 60.

RÉFÉRENCES BIBLIOGRAPHIQUES :
Delaunay F., et al., “New LNHB primary standard for Co-60 air kerma”, Metrologia, 47, 2010, 652-658
DOI : http://dx.doi.org/10.1088/0026-1394/47/6/004

Instrumentation de mesure d’activité

Instrumentation pour les mesures des radiopharmaceutiques

Les produits radiopharmaceutiques utilisés en diagnostic et thérapie doivent faire l’objet d’une mesure d’activité avant injection au patient. Cette mesure est faite dans les services de médecine nucléaire au moyen d’activimètres (chambres d’ionisation à puits) qui doivent être étalonnés au moyen d’instruments de transfert raccordés au laboratoire national avec des sources radioactives étalons mesurées par des méthodes primaires.

Pour certains produits à durée de vie très courte (quelques minutes), la seule possibilité de raccordement des activimètres serait l’étalonnage sur site avec un appareil de mesure primaire. Or, il n’existe pas à ce jour d’appareil de ce type pouvant directement mesurer les niveaux d’activité rencontrés avec ces solutions injectables. L’objet de cette première étude est donc de développer un appareil de mesure primaire d’activité permettant la mesure directe de solutions radioactives de haute activité. Cet appareil devra inclure un système de prélèvement microfluidique étalonné en débit et volume, un système optique de mesure de l’activité par la méthode RCTD (Rapport des Coïncidences Tripes à Doubles) fondé sur la transformation du rayonnement ionisant en impulsions lumineuses et un système de traitement du signal permettant de remonter à l’activité volumique de la solution à mesurer. Cet appareil sera destiné à étalonner in situ les activimètres des services de médecine nucléaire.

Une seconde étude porte sur le développement d’un nouvel instrument secondaire permettant la mesure d’activité des radionucléides émetteurs bêta purs de haute énergie avec une reproductibilité moins sensible à l’inhomogénéité des contenants que les chambres d’ionisation utilisées dans les hôpitaux. Le principe du nouveau dispositif de mesures est fondé sur un fonctionnement en mode « comptage » afin d’être moins sensible à la variabilité de la distribution en énergie du bremsstrahlung émis le long du parcours des électrons (Bobin et al., 2017). Afin de réduire le risque de saturation du comptage pour les hautes activités (> 1 GBq), un faible rendement de détection sera obtenu en mettant à profit le seuil Cherenkov de l’émission de photons optiques produits suite à l’interaction du bremsstrahlung dans un milieu transparent. Ce mode de comptage présente l’intérêt de pouvoir conserver une géométrie à puits similaire à celle des activimètres.

RÉFÉRENCES BIBLIOGRAPHIQUES
Bobin, C., Thiam, C., Chauvenet, B., 2017. A radionuclide calibrator based on Cherenkov counting for activity measurements of high-energy pure β¯-emitters. Applied Radiation and Isotopes Vol. 119, 60–65.

Collaboration : CETIAT

Projet européen : MRTDosimetry (Metrology for clinical implementation of dosimetry in molecular radiotherapyhttp://mrtdosimetry-empir.eu/

Instrument étalon de mesure de thoron

Les risques associés au thoron (220Rn) sont connus depuis longtemps dans le domaine de la manipulation des composés du thorium. La concentration en thoron en France est estimée au dixième de celle du radon (222Rn), mais est rarement mesurée. Du fait de sa très courte période radioactive de 55,8 s, il n’était pas possible d’utiliser la même chaîne de traçabilité métrologique que celle du radon. Un nouvel instrument étalon a donc été développé et validé pour raccorder les instruments de mesure de l’activité volumique du thoron dans l’air.

Le dispositif de mesure conçu est un volume composé d’un détecteur semi-conducteur silicium couplé à un champ électrique permettant la capture des descendants solides chargés électriquement du thoron à la surface du détecteur. Des simulations avec un code déterministe ont permis d’optimiser la forme et les dimensions du dispositif pour obtenir un champ électrique efficace pour la capture de ces descendants malgré un débit de circulation rapide à l’intérieur du volume de mesure. Des calculs Monte-Carlo ont également permis de définir le rendement de détection du dispositif, ainsi que la forme du spectre alpha. Les rendements de détection calculés pour la mesure du radon et du thoron ont été validés expérimentalement avec une atmosphère étalon de radon produite à l’aide d’un banc de dilution spécifiquement conçu. L’analyse des spectres alpha obtenus a permis de qualifier précisément l’activité volumique d’une atmosphère en thoron avec une incertitude-type relative associée de 1 %.

Le dispositif, portable, a ainsi permis d’étalonner l’atmosphère en thoron produite dans l’enceinte BACCARA, le banc expérimental du Laboratoire de physique et de métrologie des aérosols de l’IRSN dédié aux études sur la métrologie du radon.

RÉFÉRENCES BIBLIOGRAPHIQUES :
– Sabot, Étalonnage des instruments de mesure de l’activité volumique du thoron (220Rn) dans l’air, Thèse de doctorat, NNT 2015SACLS122, https://tel.archives-ouvertes.fr/tel-01253649/document
– Sabot, S. Pierre, P. Cassette, N. Michielsen, S. Bondiguel, Development of a primary thoron activity standard for the calibration of thoron measurement instruments, Radiation Protection Dosimetry, Volume 167, Issue 1-3, 1 November 2015, Pages 70–74, https://doi.org/10.1093/rpd/ncv221
– B.Sabot, S.Pierre, N.Michielsen, S.Bondiguel, P.Cassette, A new thoron atmosphere reference measurement system Applied Radiation and Isotopes Volume 109, March 2016, Pages 205-209 https://doi.org/10.1016/j.apradiso.2015.11.055

Projet européen : MetroNORM (Metrology for processing materials with high natural radioactivity, http://metronorm-emrp.eu/

BACCARA et l’étalonnage des instruments mesurant l’activité volumique de radon 222 dans l’air : (lien vers page IRSN dédiée)

Transition analogique/numérique

Une instrumentation nucléaire classique est composée de modules électroniques dédiés aux différentes fonctionnalités spécifiques au traitement du signal fourni par un système de détection nucléaire. En particulier, pour répondre aux contraintes métrologiques en termes d’incertitudes sur la mesure primaire d’activité (de l’ordre de 0,1 % selon le radionucléide mesuré), le LNHB a développé une électronique analogique spécialisée pour appliquer une gestion instrumentale des pertes de comptages dans une chaîne de détection (saturation, post-impulsions, etc.). Par exemple, un module spécifique a été développé pour traiter les comptages en coïncidences entre trois photomultiplicateurs pour la méthode RCTD (Bouchard et Cassette, 2000). L’électronique associée repose sur l’utilisation d’un temps mort reconductible commun aux trois voies et sur la mesure du temps actif. Basé sur le même principe, le module MTR2 (Bouchard, 2000) est utilisé pour les mesures primaires par les méthodes du cristal-puits et des coïncidences.

Depuis le milieu des années 2000, la disponibilité de cartes numériques équipées de numériseurs rapides de fréquences supérieures à 100 MHz a permis d’envisager l’évolution des instruments de mesures primaires. En particulier, ces dispositifs offrent la possibilité de numériser les signaux au plus près des détecteurs et de traiter le signal à l’aide de composants numériques de type FPGA (Field Programmable Gate Array). Outre l’avantage de disposer d’une instrumentation plus compacte, la transition vers la technologie numérique a également pour objectif d’assurer la pérennité des installations de mesures primaires à travers un algorithme implémenté dans un composant programmable. Cette évolution s’est généralisée dans un grand nombre de laboratoires nationaux. La pratique courante est d’enregistrer les informations d’intérêt des signaux (horodatage, amplitudes, etc.) pour procéder ensuite à un traitement hors ligne des comptages, des temps morts et des spectres en amplitudes (Keightley et Park, 2007).

Depuis 2007, le laboratoire contribue à cette évolution en étudiant les possibilités d’un traitement en ligne des signaux dans un circuit FPGA (sans apport de périodes de temps morts supplémentaires). Les premières études ont été réalisées dans le cas des instrumentations dédiées aux méthodes RCTD (Bobin et al., 2010) et du cristal-puits (Censier et al., 2010a ; 2010b). Une première phase de validation d’un dispositif numérique s’est notamment focalisée sur le traitement en ligne des temps morts générés par les post-impulsions en scintillation liquide au niveau du circuit FPGA. Cette étude a également conduit à l’élaboration d’une nouvelle technique de comptages des coïncidences à l’aide d’un convertisseur temps-numérique spécifique à la méthode RCTD (Bobin, 2011). Suite à des premiers résultats satisfaisants, une plateforme multi-détecteurs a été développée dans le but d’explorer les capacités des circuits FPGA dans le cas d’un traitement en temps réel de l’ensemble des fonctionnalités d’une chaîne de mesure primaire d’activité par la technique des anti-coïncidences. Son application est en général basée sur l’utilisation d’un détecteur scintillateur (NaITl). Une électronique frontale spécifique à ce détecteur a également été réalisée (Bobin et al., 2014).

Une nouvelle étude met à profit ces résultats pour réaliser une instrumentation temps réel dédiée à la spectrométrie gamma à bas bruit de fond pour les mesures environnementales (détecteur HPGe couplé à des systèmes de vétos anti-cosmique et anti-Compton). Un dispositif numérique permettra une acquisition bi-paramétrique destinée à la mise en œuvre d’un véto anti-Compton. Les limites de détection seront diminuées très significativement en réduisant le fond Compton de photons qui perturbe l’identification de radionucléides à l’état de traces.
Ce nouveau dispositif numérique pourra également être utilisé pour la mesure primaire d’activité par la méthode des coïncidences.

RÉFÉRENCES BIBLIOGRAPHIQUES :
– Bobin, C., Bouchard, J., Censier, B., 2010. First results in the development of an on-line digital counting platform dedicated to primary measurements. Applied Radiation and Isotopes Vol. 68, 1519–1522.
– Bobin, C., 2011. Procédé de mesure du taux de comptage de coïncidences, utilisant une conversion temps-numérique et une méthode de temps mort reconductible avec mesure du temps actif. Brevet WO2012084802A1.
– Bobin, C., Bouchard, J., Thiam, C., Menesguen, Y., 2014. Digital pulse processing and optimization of the front-end electronics for nuclear instrumentation. Applied Radiation and Isotopes Vol. 87, 195-199.
– Bouchard, J., et Cassette, P., 2000. MAC3: an electronic module for the processing of pulses delivered by a three photomultiplier liquid scintillation counting system. Applied Radiation and Isotopes Vol. 52, 669-672.
– Bouchard, J., 2000. MTR2: a discriminator and dead-time module used in counting systems. Applied Radiation and Isotopes Vol. 52, 441-446.
– Censier, B., Bobin, C., Bouchard, J., Aubineau-Lanièce, I., 2010a. Digital instrumentation and management of dead time: First results on a NaI well-type detector setup. Applied Radiation and Isotopes Vol. 68, 1314–1319.
– Censier, B., Bobin, C., Bouchard, J., 2010b. Instrumentation et gestion numérique des temps morts pour la métrologie de la radioactivité. Revue française de métrologie n° 23, Vol. 2010-3, 27-35.
– Keightley, J., et Park, T.S., 2007. Digital coincidence counting for radionuclide standardization. Metrologia 44, S32.
Projet européen EMPIR : DigitalSTD (Standard for digital data format for nuclear instrumentation) – (lien vers le site dédié)