P.C.R. DÉTECTION MESURES

P.C.R.DÉTECTIONMESURES

Jacques DAUDÉ

SDIS 78

[email protected]

mailto:[email protected]

Sdis 78

DÉTECTION ET MESURES

DÉTECTEURS

✓ ionisation✓ scintillations✓ semi-conducteurs✓ autres

MESURES

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

Sdis 78

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.

Sdis 78

DÉTECTEURSInteractions

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

Sdis 78

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.

Sdis 78

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.

Sdis 78

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.

Sdis 78

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.

Sdis 78


anode

cathodefenêtre

Sdis 78


anode

cathodefenêtre a b

Sdis 78


anode

cathodefenêtre a b

Création d’ions par interactions.

Sdis 78


anode

cathodefenêtre a b

Création d’ions par interactions.

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

Sdis 78


36 VoltsTHT

Z

o

n

e

d

e

r

e

c

o

m

b

i

n

a

i

s

o

n

0

Sdis 78


400

36 VoltsTHT

0

Chambre d’ionisation

Sdis 78


400

36 1200 1600 VoltsTHT

0

Compteur proportionnel

Sdis 78


400

36 1200 VoltsTHT

0

Zone de proportionnalité vraie

Sdis 78


400

36 1200 1600 VoltsTHT

Mode GEIGER-MULLER

0

Sdis 78


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


Sdis 78

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.

Sdis 78


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

Sdis 78


Photocathode

Dynodes Réflecteur

ScintillateurAnode

g ou X

Rayons U.V.

Sdis 78


Scintillateur g Plastique organique

Sdis 78


SCINTILLATEURS EMETTANT UN RAYONNEMENT DE DESEXITATION.

Sdis 78


Photocathode

DynodesRéflecteur

ScintillateurAnode

Rayons U.V.

a ou b

Sdis 78


Scintillateur aSulfure de zinc SZn

Sdis 78


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

Sdis 78

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

Sdis 78

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.

Sdis 78


Si

Si

Si

SiSi

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

possède 8 électrons périphériques

Sdis 78


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

Sdis 78


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

Sdis 78


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

Sdis 78


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”

Sdis 78


Jonction Ge HP 10%Utilisé en spectrométrie g

Sdis 78

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

Sdis 78

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.

Sdis 78

DÉTECTEURSDétecteur

LES MATÉRIELS

Sdis 78

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

Sdis 78

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

Sdis 78


Sdis 78


Sdis 78

DÉTECTEURSDétecteur de l’exposition externe Isotropie

Sdis 78



40 KeV 3 Mev

Direction 45°


SAPHYMO 6150 Adb/H





MESURES INDIRECTES

-Radiographies numériques OSL

-THERMOLUMINESCENTS ( FLI )

-PHOTOLUMINESCENTS (RPL-OSL)

-A BULLES ( Neutron )



DOSIMETRE PASSIF RPL gX


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


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+


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.


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


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


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


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


• 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).


Représentation graphique


ECART TYPE 2s


Faible taux de comptage


Faible taux de comptage


SDBdF

2

s


SDBdF

2

s

2

s


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.


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.


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


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


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 ?


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




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 ?




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




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




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


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


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.


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. »

Documents

P.C.R. DÉTECTION MESURES