Bolométrie

Calorimètres métalliques magnétiques pour la métrologie des rayonnements ionisants

Le LNHB développe et utilise des détecteurs cryogéniques pour la spectrométrie en énergie des particules et des rayonnements (α, β, e, X ou γ…) émis suite aux désintégrations radioactives. Un détecteur cryogénique est un détecteur thermique qui mesure l’énergie de chaque particule absorbée sous forme d’une élévation de température grâce à un thermomètre extrêmement sensible et rapide. Les thermomètres utilisés sont des thermomètres magnétiques, ils convertissent une variation de température en une variation d’aimantation. Grâce à une électronique à SQUID (« Superconducting Quantum Interference Device ») bas bruit, le signal est converti en tension et est amplifié.

La grande sensibilité ne peut être obtenue qu’en faisant fonctionner le détecteur à très basse température (environ 20 mK au-dessus du zéro absolu, soit -273,13 °C) afin de diminuer les sources de bruit d’origine thermique et d’augmenter l’amplitude du signal mesuré. Ces températures extrêmes sont obtenues grâce à un réfrigérateur à dilution He-3 / He-4. Les détecteurs cryogéniques offrent alors des performances inaccessibles aux détecteurs conventionnels à semi-conducteur ou à scintillateur en matière de résolution en énergie et de seuil de détection.

 

Appliqué à la spectrométrie de photons X et γ de basse énergie, inférieure à 100 keV, le détecteur SMX3 offre une résolution à mi-hauteur de 30 eV à 60 keV, soit un ordre de grandeur meilleur que celui d’un détecteur semi-conducteur HPGe. Les spectres complexes XL et γ émis par le Pb-210 et l’Am-241 ont pu être mesurés avec une grande précision mettant à jour la présence de raies dites « satellites » jusqu’ici imperceptibles par les détecteurs conventionnels.

Par ailleurs, les détecteurs cryogéniques du LNHB sont utilisés pour la spectrométrie β. Dans ce cas, le radionucléide mesuré est enfermé dans le détecteur pour absorber toutes les particules β et avoir un rendement de détection de 100 %. Les spectres β du Ni-63 et du Pu-241 ont été mesurés avec un seuil de détection très bas mettant en évidence l’importance de l’effet d’échange à basse énergie pour ces radionucléides. Ces spectres β mesurés avec fidélité sont indispensables à l’amélioration des codes de calcul théorique.

 

Spectre XL de l’Am-241 (gauche) – Spectre bêta du Ni-63 (droite)

Notre métier : la métrologie

La dose

Les méthodes utilisées pour l’établissement des références nationales doivent être adaptées à la nature du rayonnement considéré et à son intensité. Elles reposent sur des techniques de mesure telles que la calorimétrie, l’ionométrie et la dosimétrie chimique.

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La radioactivité

La variété des rayonnements émis et les formes physiques des sources obligent à adapter à chaque cas les procédés de mesure pour établir les références nationales : méthode à géométrie définie, méthodes à géométrie 4 π, méthode des coïncidences …

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