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
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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
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DÉTECTEURSDétecteurs à ionisations
400
36 VoltsTHT
0
Chambre d’ionisation
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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
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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
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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. »
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