Spectrométrie gamma


La spectrométrie de photons est une technique de mesure nucléaire couramment répandue permettant d’identifier et de quantifier les radionucléides émetteurs X et gamma présents dans un échantillon quelconque.
Elle est non-destructive et ne nécessite pas de préparation spécifique de l’échantillon. Les spectromètres conventionnels sont conçus autour de détecteurs à semi-conducteur, généralement au germanium de haute pureté (« germanium hyperpur » GeHP).

La spectrométrie X s’intéresse plus particulièrement à la gamme des énergies inférieures à 10 keV et nécessite pour cela la mise en œuvre de techniques spécifiques, tandis que la spectrométrie gamma s’intéresse à des énergies allant jusqu’à 2,5 MeV.

Les radionucléides mesurés émettent des photons X ou gamma d’énergies spécifiques et leurs interactions avec le détecteur dépendent de plusieurs paramètres (géométrie ou conditionnement : forme physique de l’objet, densité, quantité, type de conteneur, énergie des photons émis, taille, forme et type de détecteur,…)

Ces interactions produisent des impulsions électriques à la sortie du détecteur. Celles-ci sont traitées par une chaîne d’acquisition analogique ou numérique qui permet d’amplifier et de mettre en forme les signaux avant de les convertir afin de constituer le spectre en énergie.

La gamme d’énergie couverte s’étend de quelques keV à quelques MeV. Le LNHB dispose d’une dizaine de détecteurs GeHP utilisés pour la spectrométrie gamma et X, chacun étant adapté à une gamme d’énergie et/ou d’activité spécifiques (quelques becquerels à quelques centaines de mégabecquerels). L’étalonnage en énergie est réalisé au moyen de radionucléides dont les énergies d’émission ont été précisément évaluées.

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Exemple de sources

La mesure d’activité par spectrométrie nécessite un étalonnage en rendement qui dépend notamment de la géométrie de mesure (type de source, détecteur et distance source-détecteur). Son usage métrologique nécessite l’utilisation de sources étalons de référence, dont l’activité a été caractérisée à l’aide de méthodes de mesure primaires disponibles au LNHB, permettant d’atteindre des incertitudes standard relatives inférieures ou égale à 1 %.
Le conditionnement de ces sources est réalisé au laboratoire à l’aide d’installations dédiées. Enfin, leur positionnement précis, indispensable à la reproductibilité des mesures, nécessite l’utilisation de supports spécifiques à chaque type de source. Ceux-ci, auparavant fabriqués de façon coûteuse en PMMA par usinage, sont maintenant conçus et réalisés au laboratoire à l’aide de techniques d’impression additive.

Dans le cas où la géométrie de mesure est différente de la géométrie d’étalonnage, un facteur de correction est calculé par méthode de Monte Carlo ou à l’aide du logiciel ETNA, développé au LNHB. Celui-ci permet aussi de réaliser les calculs de correction de coïncidences.

Mesure par spectrométrie très bas bruit de fond

Les mesures des échantillons de l’environnement nécessitent des conditions expérimentales particulières, en particulier en utilisant un spectromètre avec un bruit de fond extrêmement faible, afin d’atteindre des limites de détection aussi basses que possible.

Ces échantillons sont mesurés dans un laboratoire en sous-sol permettant ainsi la mesure de faibles activités (de l’ordre de quelques millibecquerels). Il comporte en particulier un détecteur GeHP muni d’un blindage passif multi-couches (de l’extérieur vers l’intérieur : 10 cm de plomb faible activité (FA), 3 mm de cadmium, 5 cm de plomb très faible activité (TFA) et 4 mm de cuivre), ainsi que d’un blindage actif destiné à s’affranchir du rayonnement cosmique (scintillateurs plastique utilisé comme veto et électronique développée au LNHB).

Au LNHB, cette méthode est utilisée pour différentes études :

DÉLIVRANCE DE CERTIFICAT COFRAC :

Le LNHB peut raccorder les laboratoires utilisant les techniques de spectrométrie gamma en délivrant des certificats d’étalonnages sous accréditation COFRAC pour la mesure de sources radioactives de différents types.

CONTRÔLE DE LA PURETÉ DES SOLUTIONS RADIOACTIVES :

Les solutions radioactives peuvent contenir des impuretés, généralement inhérentes au processus de fabrication. La spectrométrie gamma permet d’identifier tous les radionucléides gamma et X présents dans un même échantillon, et donc de quantifier les possibles impuretés. Ces informations sont indispensables pour les mesures primaires et sont utilisées dans le cadre d’études particulières, par exemple pour l’optimisation des procédés de purification des solutions radiopharmaceutiques.

DONNÉES NUCLÉAIRES FONDAMENTALES :

Des mesures par spectrométrie sont réalisées pour déterminer les probabilités d’émission photonique de différents radionucléides, contribuant en cela à l’amélioration des schémas de désintégration évalués par le DDEP .

Logiciels de traitement

Différents logiciels ont été développés afin d’assurer le traitement détaillé des spectres et le calcul de facteurs correctifs nécessaires pour les analyses quantitatives.

RÉFÉRENCES BIBLIOGRAPHIQUES :
– L. Ferreux, J. Bouchard, Improvement of a low-level measurement system used at LNHB, Applied Radiation and Isotopes 109, 425-429 (2016)
– M. Lépy, A. Pearce, O. Sima, Uncertainties in gamma-ray spectrometry, Metrologia 52, S123-S145 (2015)

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