P.C.R. DÉTECTION MESURES

P.C.R.DÉTECTIONMESURES

Jacques DAUDÉ

SDIS 78

jacques.daude@sdis78.fr

Sdis 78

DÉTECTION ET MESURES

DÉTECTEURS

✓ ionisation✓ scintillations✓ semi-conducteurs✓ autres

MESURES

✓ seuil de décision✓ limite de détection✓ activité minimale mesurable✓ exercices

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DÉTECTEURSDéfinition

Un détecteur est un «écran» dans lequel il est possible de mesurer la quantité d’évènements produit lors des interactions entre les particules radioactives ou les rayonnements électromagnétiques et le milieu détecteur.

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DÉTECTEURSInteractions

Les interactions des rayonnements avec le détecteur sont principalement fonction de :• La nature des rayonnements• Le nature du détecteur

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DÉTECTEURSRayonnements directement ionisants

Les particules Alpha et Bêta sont dotées d’une masse au repos et d’une quantité de charge électrique.

Elles sont directement ionisantes, c’est-à-dire qu’elles ont la capacité à interagir directement avec les électrons des atomes qui constituent le détecteur, créant ainsi des IONS et par conséquence un courant d’ionisation.

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DÉTECTEURSRayonnements indirectement ionisants

Les rayonnement électromagnétiques n’ont pas de masse au repos, et ne sont pas porteur de charge électrique.

Ils sont indirectement ionisants, c’est-à-dire qu’ils n’ont pas la capacité à interagir directement avec les électrons des atomes qui constituent le détecteur.

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DÉTECTEURSRayonnements indirectement ionisants

Il est nécessaire de réaliser une «conversion» qui a pour but de produire des électrons qui auront la capacité d’interagir avec le détecteur.

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DÉTECTEURSDétecteurs à ionisations

En appliquant une différence de potentiel électrique entre une anode et une électrode, on se met en capacité de collecter des ions.

La variation du courant est significative du nombre d’ions créés dans le détecteur.

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DÉTECTEURSDétecteurs à ionisations

anode

cathodefenêtre

Sdis 78

DÉTECTEURSDétecteurs à ionisations

anode

cathodefenêtre a b

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DÉTECTEURSDétecteurs à ionisations

anode

cathodefenêtre a b

Création d’ions par interactions.

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DÉTECTEURSDétecteurs à ionisations

anode

cathodefenêtre a b

Création d’ions par interactions.

Chambre d’ionisationDétecteur Geiger-MüllerCompteur proportionnelJonction P N semi-conducteur

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DÉTECTEURSDétecteurs à ionisations

36 VoltsTHT

Z

o

n

e

d

e

r

e

c

o

m

b

i

n

a

i

s

o

n

0

Sdis 78

DÉTECTEURSDétecteurs à ionisations

400

36 VoltsTHT

0

Chambre d’ionisation

Sdis 78

DÉTECTEURSDétecteurs à ionisations

400

36 1200 1600 VoltsTHT

0

Compteur proportionnel

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DÉTECTEURSDétecteurs à ionisations

400

36 1200 VoltsTHT

0

Zone de proportionnalité vraie

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DÉTECTEURSDétecteurs à ionisations

400

36 1200 1600 VoltsTHT

Mode GEIGER-MULLER

0

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DÉTECTEURSDétecteurs à ionisations

400

36 1200 1600 VoltsTHT

Claquage du détecteur

0

Mode GEIGER-MULLER

Zone de proportionnalité vraie

Compteur proportionnel

C

h

a

m

b

r

e

d

’

i

o

n

i

s

a

t

i

o

n

Z

o

n

e

d

e

r

e

c

o

m

b

i

n

a

i

s

o

n

Sdis 78

DÉTECTEURSDétecteurs à ionisations

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DÉTECTEURSDétecteur à scintillations

Un scintillateur est placé dans le flux de rayonnements

Il va se désexciter en émettant un photon ultra-violet

Au niveau d’une photocathode, il est transformé enélectron.

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DÉTECTEURSDétecteur à scintillations

Le rendement de conversion étant très faible, un photomultiplicateur amplifie le courant électrique

Le nombre d’électrons arrivant sur l’anode est proportionnel au nombre d’évènements, ainsi, on peut ainsi calculer l’énergie captée

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DÉTECTEURSDétecteur à scintillations

Photocathode

Dynodes Réflecteur

ScintillateurAnode

g ou X

Rayons U.V.

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DÉTECTEURSDétecteur à scintillations

Scintillateur g Plastique organique

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DÉTECTEURSDétecteur à scintillations

SCINTILLATEURS EMETTANT UN RAYONNEMENT DE DESEXITATION.

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DÉTECTEURSDétecteur à scintillations

Photocathode

DynodesRéflecteur

ScintillateurAnode

Rayons U.V.

a ou b

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DÉTECTEURSDétecteur à scintillations

Scintillateur aSulfure de zinc SZn

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DÉTECTEURSDétecteur à scintillations

Scintillateur bplastique organiqueà base de composés benzèniques :anthracène,naphtalène,stilbène, terphényle, que l'on retrouve sous forme de plastiques ou en solution liquide

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DÉTECTEURSDétecteur à scintillations liquide

Elle permet la mesure des b de faibleénergie (3H 14C 63Ni etc.), mais aussi des a

(210Po, etc.)

La source est intégrée dans du liquidescintillant (PPOPOPOP)

ex: Ultimagold

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DÉTECTEURSDétecteur à semi conducteur

Principe :

Création de lacunes dans un cristal par mouvements des électrons du cortège électronique (couche de valence) suite à l’excitation des atomes.

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DÉTECTEURSDétecteur à semi conducteur

Si

Si

Si

SiSi

Le silicium ou le germanium ont une structure cristalline cubique : tétravalent, chaque atome

possède 8 électrons périphériques

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DÉTECTEURSDétecteur à semi conducteur

Si

Si

Si

SiSi

Sous l’action d’un photon, un électron peut se libérer en laissant un vide

Le vide est comblé par un électron pris à un atome voisin, et de proche en proche, le trou semble se déplacer dans le sens inverse des électrons :

on l’assimile à une charge positive

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DÉTECTEURSDétecteur à semi conducteur

Jonction p n

Afin de multiplier le nombre d’électrons et de “trous”, on dope le cristal aux impuretés

NaITl, CsLi, CdZnTe

As

Si

Si

SiSi Ga

Si

Si

SiSi

Jonction de type P Jonction de type N

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DÉTECTEURSDétecteur à semi conducteur

L’arsenic ou le phosphore dispose de 5 électrons, il auront donc tendance à donner un électron aux atomes de Silicium

Il s’agit d’une “conduction “électronique”

As

Si

Si

SiSi

Jonction de type p

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DÉTECTEURSDétecteur à semi conducteur

Ga

Si

Si

SiSi

Jonction de type n

Le Gallium ne dispose que de 3 électrons, il aura donc tendance à prendre un électron

aux atomes de Silicium

Il s’agit d’une “conduction par trou”

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DÉTECTEURSDétecteur à semi conducteur

Jonction Ge HP 10%Utilisé en spectrométrie g

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DÉTECTEURSDétecteur à hélium 3 ou Bore 10

Réaction 3He (n,p) 3H ionisant le gaz de remplissage grâce aux

protons (E = 573 keV)

photons (E = 191 keV)

Réaction 10B (n,4He) 7Li

La particule induite crée l’ionisation

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DÉTECTEURSDétecteur à fissions

Réaction de fissions de l’235U.

Les produits de fission sont très énergétiqueset l’ionisation dans le gaz du détecteur est trèsimportante.

Détection des neutrons dans les réacteurs.

Lutte contre la non-proliferation.

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DÉTECTEURSDétecteur

LES MATÉRIELS

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DÉTECTEURSFamilles de détecteurs

DESTINES A LA MESURE DE L’EXPOSITION EXTERNE OU IRRADIATION

mGy, mGy.h-1 mSv, mSv.h-1

DESTINES A LA MESURE DE L’EXPOSITION INTERNE OU CONTAMINATION

COUPS ou C/S ou IMP/S

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DÉTECTEURSDétecteur de l’exposition externe

MESURES DIRECTES

-BABYLINE (Chambre ionisation)

-FH 40 (Geiger Muller)

-TELETECTOR ( Geiger Muller)

-Berthold LB6411 ( Compteur proportionnel)

-DMC / EPDN ( Semi conducteur)

EXPOSITION EXTERNE

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DÉTECTEURSDétecteur de l’exposition externe

Sdis 78

DÉTECTEURSDétecteur de l’exposition externe

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DÉTECTEURSDétecteur de l’exposition externe Isotropie

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DÉTECTEURSDétecteur de l’exposition externe

DÉTECTEURSDétecteur de l’exposition externe

40 KeV 3 Mev

Direction 45°

DÉTECTEURSDétecteur de l’exposition externe

SAPHYMO 6150 Adb/H

DÉTECTEURSDétecteur de l’exposition externe

DÉTECTEURSDétecteur de l’exposition externe

DÉTECTEURSDétecteur de l’exposition externe

DÉTECTEURSDétecteur de l’exposition externe

MESURES INDIRECTES

-Radiographies numériques OSL

-THERMOLUMINESCENTS ( FLI )

-PHOTOLUMINESCENTS (RPL-OSL)

-A BULLES ( Neutron )

DÉTECTEURSDétecteur de l’exposition externe

DÉTECTEURSDétecteur de l’exposition externe

DOSIMETRE PASSIF RPL gX

DÉTECTEURSDétecteur de l’exposition externe

Photons de 20 keV à 10 MeV

Neutrons de 0,025 eV à 15 MeV

EPD N2 - Dosimètre gamma / neutron

DÉTECTEURSDétecteur de l’exposition interne

MESURES DIRECTES

-MIP 10D (Avior) etc. avec ses sondes α, β, x, γ-SPP2-DG5-BERTHOLD LB 124 170 (300)-COMO 170 (300)-APA sur FILTRES -TRITIUMETRE-SIRIUS-PORTIQUES

DÉTECTEURSDétecteur de l’exposition externe et interne

DÉTECTEURSDétecteur de l’exposition interne

Alpha, beta and gamma surface contamination measurement

Geiger-Mueller detector with a 15 cm2 and 2.0 mg.cm-2 end window.

Units available: cps, CPM, Bq, Bq/cm2, DPM, DPM/100 cm2

Efficiency over 2

– 14C: 17%– 90Sr90Y: 51%

– 60Co: 31%– 241Am: 35%

SONDE SABG 15+

DÉTECTEURSDétecteur de l’exposition interne

SONDES PHOTONS

Détecteur NaI (Tl) de diamètre 1,5"

et d'épaisseur 3 mm à fenêtre

béryllium Basses énergies à partir

de 5 keV

EMETTEURS : Gamma et X.

DETECTEUR : Scintillateur NaI(Tl) de

20’’ x 20’’.

GAMME D’ENERGIE : 40 keV . 1,5

MeV

GAMME DE MESURE : 0 . 50 µSv/h, 0

. 90 kc/s.

SENSIBILITE GAMMA POUR LE 137Cs

: 1450 c/s par µGy/h.

TEMPS MORT : 50 µs

BRUIT DE FOND :

Dans une ambiance 100 nSv/h : 120

c/s.

DÉTECTEURSDétecteur de l’exposition interne

Scintillateur ZnS métallisé sur plastique

Rendement sur 2p : 45% 239Pu

Dimensions : 70 x 3 mm - Surface 30 cm2

Limite inférieure d'énergie : 1 MeV

Détecteur à scintillation ZnS(Ag) de 100 cm²

SONDES ALPHA

DÉTECTEURSDétecteur de l’exposition interne

Scintillateur plastique SOUS

ZnS métallisé

Rendement sur 4p : 45% 36Cl

Dimensions : 70 x 3 mm - Surface 30 cm2

Limite inférieure d'énergie : 0,1 MeV

Détecteur à scintillation plastique de 100 cm²

SONDES BETA

DÉTECTEURSDétecteur de l’exposition externe Rendement de détection

SONDES TYPE COMPTEUR ENERGIES RENDEMENT

2 pMouvement

propre

α SCINTILLATEUR

SZn

4 à 9 Mev 40 % < 0,1 c/s

β « mous » GEIGER MULLER > 30 kev 15 % 0,5 c/s

β SCINTILLATEUR

PLASTIQUE

> 200 kev 20 % 2 à 5 c/s

Ҳ SCINTILLATEUR

NaI mince 2 mm

< 200 kev 50 % 8 à 12 c/s

γ SCINTILLATEUR

NaI épais 20 mm

> 200 kev 50 % 20 à 30 c/s

DÉTECTEURSDétecteur de l’exposition interne

DÉTECTEURSNOTION D’ÉQUILIBRE ÉLECTRONIQUE

La traversée de la matière par les rayonnements ionisants engendre un dépôt d’énergie dans cette matière.

Pour cela, on fait appel à la dosimétrie qui permet d’évaluer quantitativement cette énergie.

DÉTECTEURSNotion d’équilibre électronique

Lors du passage des rayonnements ionisants par la matière, plusieurs phènomènes sont produits (collisions, diffusions, absorptions).

L’équilibre électronique est la conséquence de ces phénomènes, très utilisé en dosimétrie, sa réalisation nécessite certaines conditions.

DÉTECTEURSNotion d’équilibre électronique

La variation du Kerma et de la Dose absorbée en fonction de la profondeur z est representée par cette courbe.

DÉTECTEURS

Une pause s’impose

MESURESSEUIL DE DECISION

Pourquoi faire des mesures à bas niveau

MESURESSEUIL DE DECISION

En intervention

Levée de doute

Conformité aux normes de transport (ADR, RID…)

En contrôles internes

Contrôles des sources

Contrôles d’ambiance

En contrôle OARP

Contrôles des sources

Contrôles d’ambiance

MESURESSEUIL DE DECISION

• Les mesures des phénomènes radioactifs ne sont jamais égales à zéro

• Les phénomènes radioactifs sont toujours présents et sont régis par la loi des grands nombres (distribution Gaussienne).

MESURESSEUIL DE DECISION

Représentation graphique

MESURESSEUIL DE DECISION

ECART TYPE 2s

MESURESSEUIL DE DECISION

Faible taux de comptage

MESURESSEUIL DE DECISION

Faible taux de comptage

MESURESSEUIL DE DECISION

SDBdF

2

s

MESURESSEUIL DE DECISION

SDBdF

2

s

2

s

MESURESSEUIL DE DECISION

Définition :

Le Seuil de décision (SD) est une valeur fixée du résultat de mesure permettant de dire, moyennant des hypothèses plausibles et prudentes, qu’un résultat de mesure est non détecté si sa valeur est inférieure à celle du seuil de décision de l’appareil utilisé. Si cette valeur est supérieure à celle du seuil de décision de l’appareil utilisé on fait appel à la LD.

MESURESSEUIL DE DECISION

Définitions :

La Limite de détection (LD) qui est une valeur du signal vrai, est la plus petite valeur du signal vrai ayant une probabilité au moins égale à 95,4% d’être détectée. LD=2*SD

L’Activité Minimum Détectable (AMD) est définie comme étant le rapport entre la LD et le rendement de détection du contaminamètre donné pour un radionucléide donné.

MESURESSEUIL DE DECISION

Limite de Détection des contaminamètresContaminamètres équipés d’une échelle de comptage MIP10 DNorme : ISO DIS 11929-1

LD : c/s

BdF : c/s

t : s

AMD : Bq

4p : en c/s/Bq

4p= εi.εs

Pour un niveau de confiance de 97,5% : k1-a = k1-b = 1,96 ~ 2

Si tBdF= tm, alors le temps minimum de comptage pour atteindre la Limite d’Activité (LA en Bq) :

p

ba

4

11 )11

().(

LDAMD

ttBdFkkLD

mBdF

BdFLA

t

2

4 )(

36

p

MESURESSEUIL DE DECISION

Limite de Détection des contaminamètresContaminamètres équipes d’un ictomètre analogique à échelle linéaire (MIP 10 ancienne génération) :Norme : ISO DIS 11929-4

Appareils qui vont intégrer directement les impulsions par l’intermédiaire de leur étage d’entrée dont la constante de temps () est établie par un filtre RC.

LD : c/s

BdF : c/s

: s (8 s avec un MIP10 sur l’échelle X1)

AMD : Bq

4p : en c/s/Bq

4p=εi. εs p

4

2.4

LDAMD

BdFLD

MESURESSEUIL DE DECISION

Limite de Détection des contaminamètres

TD n°1 de calcul de limite de détection :

Problème

Moyen de mesure :

Sonde SBM 2D

de surface sensible : S = 30 cm²

de rendement de détection pour le 60Co : 4p = 12%

Ictomètre analogique de type MIP 10

de constante de temps : = 2s

Nous souhaitons savoir si nous pouvons détecter avec un niveau de confiance de 97,5% une contamination au 60Co de l’ordre de 4 Bq.cm-² sur du matériel ?

Une mesure de BdF initial, réalisée à l’endroit de la mesure donne un comptage de 40 c.s-1

A partir de quel BdF nous ne pouvons plus utiliser cette sonde pour mesurer cette activité ?

MESURESSEUIL DE DECISION

Limite de Détection des contaminamètresTD n°1 de calcul de limite de détection :

Solution

Calcul de l’Activité Minimum à Détecter : A= 4 Bq/cm² x 30 cm² = 120 Bq

Calcul de la LD :

Calcul du BdF maximum :

BqLD

AMDscBdF

LD 10512,0

6,12/6,12

22

40.4

2.4

4

p

scBdF

BdFAMDAMDLD

AMD/52

24

8

212,0120

8max

max

2222

MESURESSEUIL DE DECISION

Limite de Détection des contaminamètres

TD n°2 de calcul de limite de détection :

Problème

Moyen de mesure :

Sonde SB-70

de surface sensible : S = 30 cm²

de rendement de détection pour le 60Co : 4p = 12%

Une échelle de comptage de type ECS 1

Temps de mesure : tm = 10 s

Nous souhaitons savoir si nous pouvons détecter avec un niveau de confiance de 97,5% une contamination au 60Co de l’ordre de 2 Bq/cm² sur le sol ?

Une mesure de BdF initial, réalisée à l’endroit de la mesure durant

tBdF= 30 s donne un comptage de BdF= 40 c/s

Que pouvons nous faire si nous ne pouvons pas détecter cette activité dans ces conditions ?

MESURESSEUIL DE DECISION

Limite de Détection des contaminamètres

TD n°2 de calcul de limite de détection :

Solution

Calcul de l’activité minimum à détecter :

A= 2 Bq.cm-² * 30 cm² = 60 Bq

Calcul de la LD :

BqLD

AMD

sctt

BdFkkLDmBdF

7712,0

2,9

/2,9)10

1

30

1(40).22()

11().(

4

11

p

ba

MESURESSEUIL DE DECISION

Limite de Détection des contaminamètres

TD n°2 de calcul de limite de détection :

Solution (suite)

Comme nous ne pouvons pas détecter avec un niveau de confiance de 97,5% une activité de 60 Bq, nous devons augmenter le temps de mesure ce qui aura pour effet de pouvoir atteindre une LD plus petite.

Soit le calcul du temps minimum de mesure pour mesurer 60 Bq avec un niveau de confiance de 97,5% :

𝑡𝑚𝑖𝑛 =36

𝐿𝐴 × 𝜌4𝜋2 × 𝐵𝑑𝐹 =

36

60 × 0,12 2 × 40 = 24,7 𝑠

Vérification pour tm= 25 s : LD = 6,7 c/s et AMD = 55 Bq

MESURESSEUIL DE DECISION

Limite de Détection des contaminamètres

TD n°3 de calcul de limite de détection :

Problème

Moyen de mesure : CABV31

de surface sensible : Ssonde = 200 cm²

de rendement de détection pour le 60Co : 4p = 15 %

Temps de mesure : tm = 2s

Temps de mesure BdF : tBdF=10 s

Nous souhaitons savoir si nous pouvons détecter avec un niveau de confiance de 97,5% une contamination au 60Co de l’ordre de 0,4 Bq/cm² sur du matériel

Une mesure de BdF initial, réalisée à l’endroit de la mesure donne un comptage de BdF=60 c/s

Que pouvons nous faire si nous ne pouvons pas détecter cette activité dans ces conditions ?

MESURESLimite de détection

TD n°3 de calcul de limite de détection :

Solution

Calcul de l’activité minimum à détecter :

A= 0,4 Bq.cm-² * 200 cm² = 80 Bq

Calcul de la LD :

²/8,016015,0

24

/24)2

1

10

1(60).22()

11().(

4

11

cmBqsoitBqLD

AMD

sctt

BdFkkLDmBdF

p

ba

MESURESLimite de détection

Limite de Détection des contaminamètresTD n°3 de calcul de limite de détection :

Solution (suite)

Nous ne pouvons pas mesurer 80 Bq sous la sonde avec un niveau de

confiance de 95,4% dans ces conditions de BdF ambiant.

Il faudrait faire la mesure dans un autre endroit afin de diminuer le BdF

ou encore « nettoyer » la zone de contrôle de façon à éliminer les

matériaux générant le BdF.

On vérifiera l’adéquation entre le BdF ambiant et la LD souhaitée en

calculant le BdF max :

BdFmax =

(A´ r)2

16

(1

tbdF

+1

tm

)

=

(80´ 0,15)2

16

(1

10+

1

2)

=15 c / s

MESURESSEUIL DE DECISION

LEVÉE DE DOUTE

Moyen de mesure : SAB 100 mode 𝛽

de surface sensible : Ssonde = 100 cm²

de rendement de détection pour le 60Co : 4p = 12 %

Temps de mesure : tm = 60 s

Temps de mesure BdF : tBdF=120 s

Nous souhaitons savoir si nous pouvons détecter avec un niveau de confiance de 95,4% une contamination au 60Co de l’ordre de 0,4 Bq/cm² sur une surface.

Une mesure de BdF initial, réalisée à l’endroit de la mesure donne un comptage de BdF= 360 cp en 120 s.

MESURESSEUIL DE DECISION

LEVÉE DE DOUTECalcul de l’activité minimum à détecter :

A= 0,4 Bq.cm-² * 100 cm² = 40 Bq

Calcul de l’AMD:

LD= (𝐾1−𝛼 + 𝐾1−𝛽) × 𝐵𝑑𝐹(1

𝑡𝐵𝑑𝐹+

1

𝑡𝑚)

LD= (1,96 + 1,96) × 360(1

120+

1

60) ×

1

0,12= 99 Bq (AMD)

Il existe un doute pour toutes les valeurs inférieures ou égales à 33 Bq

Message au CODIS :

« Nous ne sommes pas en présence de radioactivité ajoutée supérieure à 99 Bq qui est la limite de détection équivalent 60Co. »