Bibliographie & annexes
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NOTE DE L'ÉDITEUR
La norme NF ISO 11929 de mai 2010 citée dans cet article a été remplacée par la norme NF ISO 11929-1 à -3 (M60-200-1 à -3) : Détermination des limites caractéristiques (seuil de décision, limite de détection et extrémités de l'intervalle élargi) pour mesurages de rayonnements ionisants - Principes fondamentaux et applications
Partie 1 : applications élémentaires
Partie 2 : applications avancées
Partie 3 : application aux méthodes de déconvolution (Révision 2020)
Pour en savoir plus, consultez le bulletin de veille normative VN2007 (Septembre 2020).
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.
La scintillation liquide est une technique utilisée pour la mesure de la radioactivité. Après une description des principes physiques conduisant à la scintillation, les méthodes utilisées pour détecter les impulsions lumineuses sont décrites. La composition des scintillateurs est ensuite abordée, ainsi que le fonctionnement des compteurs. Deux méthodes de mesure sont décrites : les mesures avec étalon et les mesures directes utilisées en métrologie des radionucléides. L’évaluation des incertitudes de mesure et des limites de détection sont abordées, ainsi que les contrôles à effectuer pour assurer la qualité des mesures. Les développements futurs de ces techniques sont enfin discutés.
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Lire l’articleAuteur(s)
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Philippe CASSETTE : CEA, LIST, Laboratoire National Henri Becquerel, Gif-sur-Yvette, France
INTRODUCTION
Les techniques de mesure d’activité par scintillation liquide sont apparues il y a environ soixante-dix ans et se sont imposées dans les domaines des sciences de la vie et de la terre, de la surveillance de l’environnement et de la métrologie primaire de la radioactivité.
Ces techniques consistent à mélanger la solution radioactive à mesurer à un liquide scintillant qui transforme 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 très faibles autorisant la mesure de micro-activités. 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.
L’objectif de cet article est de faire le point sur ces techniques de scintillation liquide afin de permettre aux utilisateurs de maîtriser au mieux le processus de mesure et d’optimiser la qualité des résultats.
L'expertise technique et scientifique de référence
VERSIONS
- Version archivée 1 de mars 2004 par Philippe CASSETTE
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Composition des scintillateurs
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1. Du rayonnement ionisant à la lumière
Un historique de la mesure par scintillation liquide est donné dans l’encadré 1.
La technique de mesure d’activité par scintillation liquide consiste à transformer le rayonnement ionisant consécutif à la désintégration ou désexcitation d’un atome radioactif en un rayonnement lumineux détectable et quantifiable. Cette technique repose sur une cascade de phases de transfert d’énergie dont les vecteurs sont le rayonnement ionisant, les électrons, les photons lumineux et les électrons du photomultiplicateur. L’efficacité globale du phénomène dépend du couplage optimal de tous ces processus.
1.1 Interaction rayonnement-matière
La désintégration ou désexcitation d’un radionucléide conduit à une émission d’énergie sous forme de rayonnement (encadré 2). Dans la pratique de la mesure d’activité par scintillation liquide, les rayonnements rencontrés sont le rayonnement α, les électrons (rayonnement β–, électrons Auger et électrons de conversion), les positons (rayonnement β+) et le rayonnement photonique (X et γ). Les méthodes de scintillation liquide sont également utilisées pour la mesure des neutrons, mais ces techniques sortent du cadre de la mesure d’activité des radionucléides et ne seront pas abordées ici.
L’interaction entre le rayonnement et la matière est quantifiée en termes de transfert d’énergie par unité de longueur (TEL) ou pouvoir d’arrêt. Ce terme, généralement exprimé en MeV/cm est d’autant plus grand que le rayonnement est ionisant.
Une des plus anciennes techniques de mesure de la radioactivité a été l’utilisation par Rutherford de matériaux luminescents pour détecter le rayonnement α. À l’origine, la détection était faite directement par l’œil humain, mais le développement des photomultiplicateurs a permis la réalisation d’appareils susceptibles de détecter de très faibles niveaux de lumière.
La scintillation liquide a vu le jour en 1950 quand indépendamment Kallman ...
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Du rayonnement ionisant à la lumière
BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - KALLMAN (H.) - Scintillation counting with solutions. - Phys. Rev. 78, 621-622 (1950).
-
(2) - REYNOLDS (G.T.), HARRISON (F.B.), SALVINE (G.) - Liquid scintillation counters. - Phys. Rev. 78, 488 (1950).
-
(3) - BIRKS (J.B.) - The theory and practice of scintillation counting. - Pergamon Press. Oxford (1964).
-
(4) - HORROCKS (D.L.) - Measurement of sample quenching of liquid scintillators solutions with X-ray and gamma-ray sources. - Nature 202, p. 78-79 (1964).
-
(5) - VIVIER (A.), AUPIAIS (J.) - Optimization of the decision threshold for single radioactive counting. - Radiochemical Acta, 95 (2007).
-
(6) - Évaluation des données de mesure. Guide pour l’expression de l’incertitude de mesure. - JCGM,...
DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
NORMES
-
Instruments nucléaires – Ensembles de comptage à scintillation liquide – Contrôle du fonctionnement. - CEI 61304 - 1994
-
Qualité de l’eau – Détermination de l’activité volumique du tritium – Méthode par comptage des scintillations en milieu liquide. - ISO 9698 -
-
Mesurage de la radioactivité – Détermination de l’activité des radionucléides émetteurs β – Méthode d’essai par comptage des scintillations en milieu liquide. - NF ISO 19361 - 2017
-
Énergie nucléaire – Mesure de la radioactivité dans l’environnement – Air – Détermination par scintillation liquide de l’activité volumique du tritium atmosphérique prélevé par la technique de barbotage de l’air dans l’eau. - NF M60-312-1 - 2019
-
Énergie nucléaire – Technologie du cycle du combustible – Déchets – Détermination du strontium 90 dans les effluents et déchets après séparation chimique préa-lable. - NF M60-316 - 2002
-
Énergie nucléaire – Technologie du cycle du combustible –...
ANNEXES
L’institut National des Sciences et Techniques Nucléaires INSTN organise plusieurs cours annuels de formation permanente sur les techniques de mesure par scintillation liquide http://www-instn.cea.fr
HAUT DE PAGE1.2 Sociétés savantes et congrès
Un congrès international sur le développement des techniques de scintillation liquide est organisé avec une périodicité d’environ trois ans. Ces congrès rassemblent les industriels, les développeurs de méthodes et les utilisateurs des techniques de scintillation liquide, notamment en métrologie de la radioactivité, en biologie et médecine, en mesure d’environnement et en datation. Le premier congrès a eu lieu en août 1957 à l’Université Technologique du Northwestern (États-Unis) et le dernier a eu lieu à Copenhague (Danemark) en 2017. Les actes de ce dernier congrès ont été publiés dans « Journal of Radioanalytical and Nuclear Chemistry ».
Par ailleurs, le Comité International pour la Mesure des Radionucléides (ICRM), regroupe les laboratoires nationaux de métrologie de la radioactivité. Ce comité possède un groupe de travail dédié aux méthodes de mesure par scintillation liquide.
Sites Internet
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NIST Physics Laboratory : https://www.physics.nist.gov
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Laboratoire...
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