Mesurer la radioactivité: instruments et méthodes

Les méthodes et les instruments utilisés pour mesurer l'exposition externe aux rayonnements ionisants peuvent être regroupés en quatre catégories : dosimètres, détecteurs de rayonnement bêta et gamma, détecteurs de rayonnement alpha, et méthodes de détection des neutrons. Il existe également des méthodes, quoique moins directes, pour détecter une irradiation interne. Nous aborderons également la question des mesures des radionucléides dans l'air, l'eau, la végétation et le sol.

Les dosimètres

Les dosimètres sont des instruments qui rendent compte de l'exposition externe aux rayonnements d'un individu. Les deux dosimètres les plus couramment utilisés sont les dosimètres thermoluminescents (DTL) et les dosimètres photographiques personnels. Les deux instruments mesurent la dose accumulée sur une période de temps donnée. Par exemple, les dosimètres photographiques personnels peuvent être portés pendant un mois. Quand ils sont collectés et analysés, on peut déterminer l'exposition totale pour le mois.

Un modèle courant de dosimètre thermoluminescent utilise un cristal de fluorure de lithium. Quand les rayonnements sont absorbés par le fluorure de lithium, les électrons du cristal sont portés à des niveaux d'énergie plus élevés. Certains de ces électrons sont piégés par des impuretés dans le cristal où ils restent dans un état excité jusqu'à ce qu'on chauffeles cristaux. Quand la température du cristal s'élève, les électrons sont relâchés des endroits où ils sont piégés et émettent de la lumière. La lumière émise peut être mesurée et elle est proportionnelle à la quantité de rayonnement à laquelle le cristal du DTL, et vraisemblablement l'individu qui le portait, ont été exposés. Une fois que le cristal a été porté à une température suffisamment élevée, tous les électrons piégés sont relâchés et le dosimètre peut être utilisé à nouveau. Certains DTL sont suffisamment sensibles pour mesurer une dose de rayonnements bêta et gamma de quelques dizaines de microrads. Certains DTL peuvent également détecter les neutrons.

Les dosimètres photographiques personnels sont utilisés pour contrôler l'exposition personnelle aux rayonnements bêta et gamma. Pour évaluer simultanément plusieurs types de rayonnements, une pellicule de film est recouverte de couches absorbantes. En variant le type et l'épaisseur des couches, on peut déterminer la dose à la peau, la dose au cristallin, et la dose au corps entier. Certains dosimètres photographiques personnels ont une petite fenêtre protégée par une feuille de mica qui peut détecter les rayonnements bêta, et une ou plusieurs sections recouvertes de feuilles métalliques pour détecter les rayonnements gamma. L'exposition du film aux rayonnements est déterminée par le degré de noircissement du film après le développement de celui-ci. Les dosimètres photographiques personnels ressemblent à des badges classiques et peuvent être fixés à une poche ou à la ceinture.

Alors que les dosimètres photographiques personnels et les dosimètres thermoluminescents mesurent la dose reçue par un travailleur sur une longue période de temps, les dosimètres de poche mesurent la dose quotidienne reçue par un travailleur. Au lieu d'attendre des semaines, les dosimètres de poche peuvent détecter si un travailleur a pu recevoir une dose dangereuse au cours d'une séance de travail donnée. En principe, il faudrait porter en même temps un dosimètre photographique personnel ou un DTL et un dosimètre de poche. Les dosimètres de poche peuvent mesurer les rayonnements gamma jusqu'à des énergies atteignant deux MeV. Il s'agit en fait d'instruments capables d'emmagasiner une charge électrique. Ils sont constitués d'une paroi extérieure qui est pour l'essentiel un tube de plastique recouvert d'un matériau conducteur et d'un fil placé au centre à l'intérieur qui est isolé de la paroi extérieure. Un dispositif supplémentaire, appelé chargeur lecteur, est utilisé pour mettre une charge positive sur le fil central. Lorsqu'elle est exposée aux rayonnements, une partie de cette charge positive est neutralisée par les ions créés par les rayonnements. On peut lire les dosimètres directement ou en les plaçant dans le chargeur lecteur pour déterminer la dose de rayonnements effectivement reçue. Les dosimètres de poche ressemblent à des stylos et sont accrochés sur une poche de chemise.

Le dosimètre photographique personnel (Source: ICN Biomedicals, Inc.)		Les dosimètres de poche (Source: Biodex Medical Systems)

Les détecteurs de rayonnements bêta et gamma

Les détecteurs de rayonnements sont des instruments utilisés pour détecter les rayonnements bêta et gamma dans l'air. Ils diffèrent des dosimètres en ce sens qu'ils peuvent mesurer directement les rayonnements, en temps réel. La plupart des détecteurs détectent l'interaction des rayonnements avec des molécules de gaz. Au fur et à mesure que les rayonnements se ralentissent dans un gaz, ils provoquent l'ionisation des atomes de celui-ci en leur arrachant des électrons et en laissant des ions positifs. Dans un détecteur de type Geiger-Müller ou compteur Geiger, le vocable sous lequel il est le plus connu, le résultat de l'ionisation produit une émission constante d'impulsions électriques, quelle que soit la quantité d'énergie reçue par le détecteur ou la nature du rayonnement ionisant. Au contraire, la mesure en sortie des compteurs à scintillation et des compteurs proportionnels à circulation de gaz est proportionnelle à la quantité d'énergie reçue dans le détecteur.

Un compteur Geiger peut compter les particules bêta et le rayonnement gamma. S'il est équipé d'une fenêtre suffisamment fine (comme dans un détecteur de type "poële à frire"), un compteur Geiger peut également détecter les particules alpha. La totalité de l'instrument est en fait composée de deux éléments: un tube Geiger-Müller (le détecteur dans lequel les ionisations sont produites) et un amplificateur électronique (qui active un dispositif qui compte les ionisations). Le tube Geiger-Müller consiste en une chambre cylindrique avec un fil métallique tendu en son centre, qui est isolé de la paroi extérieure. Le tube contient un gaz inerte tel que l'hélium ou le néon. Le pôle positif de l'alimentation haute tension est connecté au fil métallique central; le pôle négatif est connecté à l'enveloppe extérieure du tube.

Pour mesurer une source de rayonnement, il faut commencer par positionner le compteur Geiger près de la source. Une particule bêta ou un rayonnement gamma incidents vont alors causer l'ionisation des atomes du gaz. Les électrons qui en résultent sont fortement attirés par le fil métallique positif. Sur le parcours des électrons il y a d'autres molécules de gaz qui seront également ionisées. Ces nouveaux électrons vont produire d'autres ionisations, aboutissant à des ionisations en cascade. Une ionisation initiale va aboutir à des milliards d'ionisation qui sont recueillies sur le fil métallique positif central. Un amplificateur électronique est alors utilisé pour activer un dispositif de comptage.

Les particules bêta qui atteignent le gaz du détecteur et provoquent des ionisations, sont comptées. Beaucoup de rayons gamma, toutefois, traversent la totalité du gaz sans aucune interaction, et ne sont donc pas enregistrés (à moins que des absorbeurs plus épais ne soient utilisés pour intercepter les rayonnements gamma à haute énergie). Bien qu'un tube Geiger-Müller soit plus efficace pour la détection des particules bêta que pour celle des rayonnements gamma, le tube doit être conçu de telle manière que la fenêtre soit suffisamment fine pour permettre aux particules bêta d'y pénétrer. Le signal de sortie ne peut être utilisé pour fournir une information sur le type de particule incidente qui a produit un coup. Pour distinguer entre les particules bêta et les rayonnements gamma, des absorbeurs peuvent être utilisés. Par exemple, un absorbeur fin placé entre la source de rayonnements et le tube GM arrêtera toutes les particules bêta, permettant aux rayons gamma de pénétrer dans le détecteur. Le taux de comptage avec et sans absorbeur peut être utilisé pour faire la distinction entre les particules bêta et les rayons gamma.

Alors que les compteurs Geiger comptent les ionisations résultant de l'interaction des rayonnements incidents avec les atomes de gaz, les compteurs à scintillation sont sensibles à l'énergie du rayonnement incident lui-même. Un compteur à scintillation est fait d'une matière qui luit (le scintillateur) quand elle est atteinte par un rayonnement, et d'un amplificateur de lumière. Quand une particule bêta ralentit dans le scintillateur, une fraction de l'énergie qu'elle transmet aux atomes du scintillateur est convertie en lumière. Quand des rayons gamma traversent le scintillateurs, ils produisent des électrons qui se comportent à leur tour exactement comme des particules bêta et convertissent leur énergie en lumière.

Il existe des scintillateurs de toutes formes et de toutes tailles. Certains sont en matière plastique, et d'autre sont des cristaux denses d'iodure de sodium. Des scintillateurs de taille importante et denses sont nécessaires pour détecter le rayonnement gamma puisque les rayons gamma à haute énergie peuvent traverser des épaisseurs moyennes de matière ordinaire (tissus humains, murs en béton, eau, etc.) avec peu d'interactions. La quantité de lumière produite dans le scintillateur peut être mesurée avec un amplificateur de lumière appelé un photomultiplicateur. La quantité de chaque impulsion de lumière représente une mesure de l'énergie reçue par le scintillateur. La possibilité de mesurer cette énergie signifie que les rayonnements de sources différentes peuvent être identifiés et que l'on peut en même temps évaluer l'importance de la source. Les autres instruments présentés précédemment ne nous permettent pas de distinguer la quantité d'énergie des photons (c'est-à-dire, du type des rayons gamma). En déterminant le type de rayons gamma, nous pouvons en déduire le type de radionucléide qui les a émis.

Les compteurs Geiger peuvent être réalisés sous forme de petits instruments de poche. Ils sont faciles à utiliser comme appareils portables de contrôle de la radioactivité. Les compteurs à scintillation sont généralement des instruments de laboratoire de grande taille.

Les détecteurs de rayonnements alpha

Il est techniquement plus difficile de détecter des particules alpha que de détecter des particules bêta ou des rayonnements gamma. Comme les rayonnements bêta et gamma, les particules alpha peuvent produire des ionisations, mais elles ne sont pas aussi pénétrantes.

En principe, les particules alpha pourraient être détectées à l'aide d'un tube GM ordinaire. Les compteurs GM équipés d'un détecteur muni d'une fenêtre en mica très fin (par exemple une sonde de "poële à frire" GM) peuvent être utilisés pour détecter des rayonnements alpha comme des rayonnements bêta et gamma. Toutefois, les particules alpha sont mieux mesurées à l'aide de ce que l'on appelle des compteurs proportionnels à courant gazeux.

Dans certains compteurs proportionnels, la source radioactive qui doit être mesurée, ou l'échantillon, est placée directement à l'intérieur du détecteur. Dans ces tubes "sans fenêtres" l'échantillon est en contact direct avec le gaz de comptage (le gaz du détecteur). Comme dans les compteurs Geiger, le signal produit par un compteur proportionnel est le résultat de la charge électrique qui elle-même est produite par l'ionisation du gaz par le rayonnement incident. Le gaz dans le détecteur est généralement composé à 90% d'argon et à 10% de méthane et circule à travers la chambre à la pression atmosphérique.

Des instruments portables qui mesurent à la fois les rayonnements alpha, bêta et gamma (en termes de quantité d'ionisation qu'ils produisent) avec une lecture en coups par minute ou en milliroentgens par heure sont disponibles dans le commerce (voir la photo d'un compteur portable). Les compteurs alpha sont utilisés, par exemple, dans des endroits où des travailleurs manipulent du plutonium (un émetteur alpha).

Compteur portatif (utilisé avec une sonde de scintillation [qui n'est pas montrée] ou sonde GM type "poêle à frire") (Source: Biodex Medical Systems)		Sonde GM type "poêle à frire" (Source: Biodex Medical Systems)

Compteur portatif
(il mesure les rayonnements alpha, bêta et gamma)
(Source: Biodex Medical Systems)

Détection des neutrons

Les rayons gamma appartiennent à la catégorie des rayonnements ionisants. Il s'agit de rayonnements électromagnétiques (tout comme la lumière) qui ne sont porteurs d'aucune charge. Ils ôtent les électrons d'atomes neutres en laissant sur leur passage un ion positif. Les particules alpha et bêta sont des ions ; autrement dit, ils portent une charge nette. Les particules alpha sont porteuses d'une charge nette +2 et les particules bêta ont une charge unique négative ou positive. Différents dispositifs, examinés plus haut, ont été employés pour transformer des ions, ou les produits des ionisations, en événements mesurables (coups).

Les neutrons, par contre, sont des particules neutres. Ils ne portent aucune charge électrique et ne provoquent directement aucune irradiation. Les neutrons peuvent être détectés indirectement par le biais des particules chargées qu'ils produisent au cours d'une réactionnucléaire ou par les rayons gamma produits par une ionisation indirecte. Par exemple, une réaction de capture typique met en jeu la capture d'un neutron par l'isotope boron 10. Ceci va initier une réaction nucléaire qui va produire un rayonnement gamma caractéristique qui pourrait être détecté par l'une des méthodes de détection des rayonnements gamma décrites plus haut. Toutefois, le détecteur gamma doit être capable de faire la distinction entre le rayonnement gamma produit par la réaction nucléaire et le rayonnement gamma provenant d'autres sources.

Il n'est pas si facile d'y parvenir, mais si l'on a une possibilité de détecter l'énergie associée à un rayonnement (voir plus haut les compteurs à scintillation), alors on peut se mettre à la recherche d'énergies de certains niveaux qui pourraient être associées avec une source de rayonnement (par exemple des rayonnements gamma qui sont connus pour être issus de produits de décroissance radioactive). Il est possible de construire des circuits électroniques qui peuvent distinguer les rayonnements gamma caractéristiques de tous les autres.

Mesures dans l'environnement

Les radionucléides peuvent être mesurés dans l'air, dans l'eau, dans la végétation et dans le sol en utilisant les instruments décrits plus haut en association avec des stations de contrôle de l'air, des prélèvements d'eau suivis d'analyses en laboratoire, des prélèvements de sol, et d'autres méthodes ou équipements. Pour détecter la quantité de rayonnement dans l'air d'un espace de travail, une certaine quantité d'air sera filtrée sur un filtre en papier qui sera ensuite mesuré avec l'un des détecteurs décrits plus hauts.

La radioactivité dans des liquides est mesurée à l'aide un compteur à scintillation liquide. Si le liquide en question est de l'eau, c'est alors une procédure tout à fait courante. Par exemple, des installations utilisant des matières radioactives doivent mesurer la radioactivité dans les déchets liquides pour déterminer si elle est inférieure aux normes définies pour évacuation sous forme de rejets liquides. Il est plus difficile de déterminer le niveau de radioactivité dans d'autres liquides, particulièrement dans des liquides inconnus.

On peut mesurer la concentration d'un radionucléide émetteur gamma dans le sol sur le terrain à l'aide d'un simple compteur Geiger portable. Toutefois, pour détecter des radionucléides spécifiques émetteurs alpha ou bêta, un échantillon de sol sera analysé à l'aide d'un compteur à scintillation ou d'un compteur proportionnel à circulation de gaz, en général dans un laboratoire.

Beaucoup de laboratoires qui effectuent des mesures de radionucléides se soumettent eux-mêmes à des protocoles d'essais. Le Laboratoire des mesures dans l'environnement (EML) du ministère américain de l'énergie évalue les laboratoires participants à travers son programme de contrôle de qualité. Ce programme compare la qualité analytique des laboratoires participants. L'EML publie leur évaluation à peu près deux fois par an et les met à disposition sur son site internet (http://www.eml.doe.gov/qap/).

Dose interne¹

Des instruments de contrôle externe tels que les détecteurs thermoluminescents, peuvent mesurer à combien de rayonnement externe un travailleur a été soumis, mais pas la dose due aux radionucléides incorporés par inhalation, ingestion ou par d'autres voies. Il est généralement beaucoup plus difficile d'estimer les doses issues de substances présentes à l'intérieur du corps. La grandeur d'une dose interne dépendra entre autres facteurs de la forme chimique de la matière, des voies d'exposition et de la distribution dans le corps, et de son taux d'élimination par l'organisme (appelé demi-vie biologique). Dans la mesure où les facteurs métaboliques varient considérablement d'une personne à une autre, la dose interne reçue par un individu quelconque à partir d'un radionucléide particulier peut être considérablement différente de la dose qui sera calculée en utilisant sa demi-vie biologique moyenne.

Il est essentiel que la surveillance de la radioactivité soit menée avec exactitude et suffisamment de détail. Par exemple, les films dosimétriques et les détecteurs thermoluminescents doivent être stockés convenablement quand ils ne sont pas utilisés de manière à ce qu'ils ne soient pas contaminés en dehors des temps de travail. De même, les travailleurs qui présentent un risque d'exposition interne doivent être contrôlés suffisamment fréquemment pour déterminer avec précision les charges corporelles de radionucléides.

Dans l'industrie de fabrication des armes nucléaires, la dosimétrie des travailleurs et les dossiers rendant compte des expositions sont sérieusement déficients. En 1994, le ministère de l'énergie des Etats-Unis a admis que les dossiers pour l'exposition externe des travailleurs sont incomplets, ne sont pas fiables et peuvent induire en erreur, et ceci est dû partiellement au mauvais calibrage des instruments de mesure, à la délivrance de badges multiples, et au mauvais placement des dosimètres. Plus récemment, une étude qui a évalué la performance d'environ 1000 appareils de contrôle individuels en Europe a découvert que 25% des doses externes enregistrées par les appareils de contrôle pour les rayonnements bêta et les neutrons étaient sous-estimées de manière significative.²

Mesurer les rayonnements ionisants : terminologie et unités
Glossaire

² J.M. Bordy, et al. "Performance Test of Dosimetric Services in the EU Member States and Switzerland for the Routine Assessment of Individual Doses (Photon, Beta and Neutron)", Radiation Protection Dosimetry 89 (1-2), p 107-154 (2000), tel que rapporté par le New Scientist du 26 août 2000.