Spectrométrie gamma

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Spectre gamma d'un minerai d'uranium : permet d'identifier la présence des radionucléides 226Ra, 214Pb, 214Bi de la chaîne de désintégration de l'uranium.

La spectrométrie gamma est une technique de mesure nucléaire très utilisée pour identifier des éléments radioactifs par la mesure de l'énergie des rayonnements gamma émis, à l'opposé de la technique utilisant un compteur Geiger qui lui ne détecte que la présence de rayonnement gamma sans pouvoir fournir une information sur la nature de la source détectée.

Les mesures par spectrométrie gamma permettent de construire des spectres : histogrammes donnant la population de photons détectés en fonction de leur énergie.

Principes[modifier | modifier le code]

Les noyaux atomiques ont une structure en niveaux d'énergie analogue à celle des niveaux d'énergie des atomes, de sorte qu'ils peuvent émettre (ou absorber) des photons d'énergie particulière. Comme les atomes, les niveaux d'énergie particuliers des noyaux sont caractéristiques de chaque espèce d'atome, de sorte que l'énergie des photons gamma émis, qui correspondent aux différences d'énergie des noyaux, peuvent être utilisés pour identifier les éléments particuliers et des isotopes. La distinction entre les rayons gamma d'énergie légèrement différente est très importante dans l'analyse de spectres qui peuvent être complexes, et la qualité d'un spectromètre est notamment caractérisée par sa résolution en énergie (exactitude avec laquelle l'énergie de chaque photon est mesurée).

La détection de particules comme les photons gamma est obtenue à l'aide de matériaux sensibles au dépôt d'énergie des interactions de gamma. Trois effets physiques sont à l'origine de dépôt d'énergie dans la matière par les photons gamma :

Instrumentation[modifier | modifier le code]

Les instruments, détecteurs et systèmes associés, permettant de produire des données spectrométriques font partie de la famille de l'instrumentation nucléaire.

Les trois grandes familles de spectromètres gamma sont :

Couplage à un détecteur à germanium de haute pureté[modifier | modifier le code]

Pour le spectromètre gamma à haute résolution, les rayons gamma interagissent avec le détecteur au germanium de haute pureté (HPGe) amenant la production de paires d’électrons étant excités à un niveau plus élevés énergétiquement, laissant un « trou » à son ancien niveau. Cette paire chargée est collectée par un champ électrique appliqué. Un amplificateur amplifie les impulsions de la charge électrique résultant de l’interaction photon gamma. Des analyseurs ou ordinateurs sont utilisés pour séparer et ranger les impulsions selon l’énergie absorbée dans le cristal. L’émission gamma par les radionucléides dans l’échantillon est mesurée dans le taux de comptage selon la région d’énergie caractéristique de ce radionucléide. Des corrections peuvent être apportées pour la contribution d’autres radionucléides.

Le grand avantage de cette spectroscopie est son habilité à mesurer les émetteurs de rayons gamma directement dans l’échantillon original sans avoir à faire une séparation chimique au préalable. De plus, elle permet une analyse autant qualitative que quantitative des radionucléides de l’échantillon.

Matériel[modifier | modifier le code]

Le système de spectroscopie gamma entier comprend un détecteur au germanium avec refroidissement par l'azote liquide, un analyseur multicanal avec un ordinateur correspondant puissant et des logiciels servant à l'interprétation des données et des analyses. Des standards de radionucléides avec la même géométrie que les échantillons sont utilisés.

Le détecteur est construit par conversion d’une face d’un bloc de germanium au type de semi-conducteur opposé par évaporation et diffusion ou par implantation ionique. Sur le bloc, on crée une couche positive sur une face, puis on applique la polarisation inverse sur le détecteur. Cela permettra de créer une couche d'appauvrissement à travers le matériau. Ceci est la base de toute fabrication de détecteur au germanium. L’efficacité relative peut être estimée en divisant le volume actif du détecteur par 4,33. En 2003, le plus grand détecteur au germanium de haute pureté produit était fait de 4,4 kg de germanium avec une efficacité relative de 207,6 %[1].

Les détecteurs conventionnels HPGe à grand volume sont généralement limités à compter des taux de l'ordre de dix mille coups par seconde, cependant, leur efficacité est limitée pour les applications à haut débit de comptage. Pour remédier à cette limitation, un nouveau prototype de détecteur HPGe a été conçu en 2015 pour être capable d'atteindre la résolution voulue et avec un taux de comptage de plus de un million de coups par seconde[2]. Les tests de ce premier prototype d'appareil démontrent de bonnes performances de collecte de charge et à faible bruit de fond. Les détecteurs au germanium de haute pureté restent la norme pour la spectroscopie de rayons gamma à haute résolution. L’excellente résolution en énergie que les détecteurs HPGe offrent les rend souvent comme les détecteurs de choix pour les applications aussi diverses que la recherche en physique nucléaire ou l'imagerie médicale. Lorsque l'identification et la quantification des isotopes sont nécessaires, la résolution des détecteurs HPGe minimise certaines incertitudes systématiques. Ceci est particulièrement important dans les cas où les spectres de rayons gamma complexes sont susceptibles d'être rencontrés. Le HPGe est plus adapté pour la surveillance de la radioactivité de plusieurs radionucléides dans les produits provenant des opérations des entreprises du secteur nucléaire que le détecteur à scintillation solide[3].

Applications[modifier | modifier le code]

La méthode est applicable pour la mesure de n’importe quel radionucléide émettant des rayons gamma avec une énergie supérieure à 20 keV[4]. Cette spectroscopie convient à une mixture complexe de radionucléides. De plus, l’échantillon peut être sous forme liquide ou gazeuse. La méthode est appliquée à une grande variété de nourriture allant des légumes à des produits d’origine animale[3].

L’analyse des radionucléides dans les météorites martiennes est un grand défi radioanalytique en raison de la haute valeur scientifique de ces météorites et la nécessité d'appliquer des méthodes non destructives d'analyse[5]. Les météorites martiennes ont été éjectées de Mars suite à l'impact d'astéroïdes ou de comètes, puis tournent autour du Soleil, avant de pouvoir finalement atterrir sur la Terre. Ainsi, elles sont porteurs d'informations sur les caractéristiques et la composition du sol de Mars jusqu'à une certaine profondeur. Ce sont des échantillons particulièrement intéressants, parce qu’il n’y a pas actuellement d'autre possibilité pour enquêter sur des couches du sous-sol de la planète Mars. Sur 61 000 météorites trouvées sur Terre, seulement 132 ont été identifiées comme martiennes[5]. L’origine martienne est reconnue par leurs compositions élémentaires et isotopique et les gaz atmosphériques piégés identiques à l'atmosphère sur Mars. En effet, ces gaz sont comparés avec ceux analysés à partir de vaisseaux spatiaux.

Références[modifier | modifier le code]

  1. Gilmore, G., Practical Gamma-ray Spectroscopy, Wiley, 2011.
  2. Cooper, R.J. ; Amman, M. ; Luke, P.N.; Vetter, K., A prototype High Purity Germanium detector for high resolution gamma-ray spectroscopy at high count rates, Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment, 2015, 795, 167-173.
  3. a et b Nollet, L.M.L. ; Toldra, F., Handbook of Food Analysis, 3e éd., en 2 vol., CRC Press, 2015.
  4. Register, United States. Office of the Federal Register, L.S.A., List of C.F.R. Sections Affected. National Archives of the United States, 2003.
  5. a et b Povinec, P. ; Sýkora, I. ; Kováčik, A. ; Koeberl, C., High-sensitivity HPGe gamma-spectrometry analysis of radionuclides in Martian meteorites, J. Radioanal. Nucl. Chem., 2015, 1-5.