Bibliographie & annexes
Présentation
RÉSUMÉ
Les techniques de mesure de radioactivité par scintillation liquide sont assez faciles à mettre en œuvre et assez fiables. Elles sont, de ce fait, très utilisées. Pour comprendre ces techniques, il faut connaître les phénomènes physico-chimiques intervenant dans le processus d’émission de lumière, de détection et d’analyse des impulsions. La qualité des résultats obtenus repose sur la qualité des sources scintillantes, la détermination de leur rendement lumineux, l’étalonnage des détecteurs et l’appréciation de l’incertitude de mesure.
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Philippe CASSETTE : Laboratoire National Henri Becquerel (CEA/BNM)
INTRODUCTION
Les techniques de mesure d’activité par scintillation liquide sont apparues il y a une cinquantaine d’années et se sont imposées dans les domaines des sciences de la vie et de la terre, de la surveillance de l’environnement et en métrologie fine de la radioactivité.
Ces techniques consistent à mélanger la solution radioactive à mesurer à un liquide scintillant et à transformer les rayonnements ionisants, consécutifs aux désintégrations radioactives, en lumière, détectable et quantifiable.
Les principaux avantages de la scintillation liquide sont la facilité de préparation des sources radioactives, l’efficacité géométrique de détection de 4π et l’absence de barrière physique entre le radionucléide à mesurer et le détecteur, autorisant la détection de rayonnements de faible énergie. La mesure d’activité par scintillation liquide est une des seules méthodes permettant de mesurer l’activité de radionucléides bêta purs, où la désintégration radioactive n’est pas accompagnée de rayonnement gamma détectable par d’autres techniques. C’est également l’une des seules méthodes de mesure des radionucléides se désintégrant par capture électronique, surtout ceux conduisant à l’émission de rayonnements ionisants de faible énergie.
La scintillation liquide peut également être utilisée comme méthode absolue de mesure d’activité, c’est-à-dire sans faire appel à un étalon.
Les appareils modernes de comptage par scintillation liquide peuvent avoir des limites de détection extrêmement faibles autorisant la mesure de microactivités. Une des applications est la datation au carbone 14 et le traçage géologique.
Les inconvénients principaux de cette technique résident dans son rendement énergétique global qui est faible et variable en fonction de la composition de la source scintillante. Cela impose de calculer le rendement de détection pour chaque condition de mesure.
La maîtrise des techniques de mesure d’activité par scintillation liquide passe d’abord par la compréhension des phénomènes physico-chimiques intervenant dans le processus d’émission de lumière, de détection et d’analyse des impulsions. Elle repose ensuite sur la qualité des sources scintillantes, la détermination de leur rendement lumineux, l’étalonnage des détecteurs et l’appréciation de l’incertitude de mesure. Elle suppose enfin l’utilisation d’appareils de mesure fiables et vérifiables.
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VERSIONS
- Version courante de juin 2020 par Philippe CASSETTE
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Mesure d’activité avec étalon3. Compteurs à scintillation liquide
Le compteur à scintillation liquide le plus simple consisterait en une chambre de mesure comportant un support de flacon et un photodétecteur relié à une électronique de comptage. En pratique, sa réalisation est en général plus complexe du fait des limitations physiques des photodétecteurs disponibles.
3.1 Photodétecteurs et chambre de mesure
Le processus de scintillation liquide étant globalement très inefficace, le nombre moyen de photons émis peut être très faible ce qui implique, d’une part, d’utiliser des photodétecteurs très sensibles et, d’autre part, de concevoir la chambre de mesure afin de collecter le maximum de photons émis.
Le photodétecteur utilisé est en général un tube photomultiplicateur. Ce détecteur comporte une photocathode transparente qui émet des électrons par effet photoélectrique après absorption de lumière. Le rendement quantique de la photocathode, rapport entre le nombre de photons incidents et le nombre de photoélectrons créés, est de l’ordre de 20 à 25 % pour les tubes de diamètre 5 cm généralement utilisés dans les compteurs à scintillation liquide. Ces photoélectrons sont ensuite accélérés par un champ électrique pour atteindre une succession d’électrodes, les dynodes, ou ils sont multipliés.
Le schéma d’un photomultiplicateur utilisé classiquement dans les compteurs à scintillation liquide apparaît sur la figure 3. Le coefficient de multiplication de la première dynode peut atteindre 40 pour les meilleurs tubes et les coefficients des autres dynodes sont d’environ 5. Suivant le nombre de dynodes, le gain d’un tube peut atteindre 107 à 108.
L’amplitude des signaux délivrés par un photomultiplicateur correctement alimenté est, en première approximation, proportionnelle au nombre de photoélectrons émis par la photocathode et au nombre de photons ayant atteints le tube. Une analyse plus précise montre cependant que des causes de non‐proportionnalité existent, notamment du fait de l’inhomogénéité de la photocathode et des champs électriques accélérateurs. Les tubes sont également sensibles aux champs magnétiques et les blindages classiques, tels le mu‐métal, ne protègent pas des composantes de champs à très basse fréquence.
Les meilleurs tubes permettent la résolution...
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Compteurs à scintillation liquide
BIBLIOGRAPHIE
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(2) - REYNOLDS (G.T.), HARRISON (F.B.), SALVINE (G.) - Liquid scintillation counters. - Phys. Rev. 78, 488 (1950).
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(4) - DYER (A.) - Liquid Scintillation counting practice. - Heyden (1980).
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(5) - SIMONNET (G.), ORIA (M.) - Les mesures de radioactivité à l’aide de compteurs à scintillation liquide. - Eyrolles (1980).
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(6) - GRAU MALONDA (A.) - Free parameter models in liquid scintillation counting. - Editorial CIEMAT (1999).
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