La spectrométrie gamma

Depuis la parution du premier ACROnique, l’ACRO réserve la ou les dernières pages de son trimestriel à la diffusion de tous ses résultats. Ces chiffres sont les résultats d’analyses réalisées dans son laboratoire à l’aide d’une chaîne de spectrométrie gamma.
L’intérêt de ce matériel est de pouvoir identifier et quantifier les corps radioactifs (émetteurs gamma) et en particulier de pouvoir distinguer la radioactivité artificielle de la naturelle, ce qui n’est pas possible avec un simple compteur (type geiger).


Le rayonnement gamma

Le rayonnement issu d’un radio-élément peut-être de différentes natures : on parle d’émission alpha, bêta, X ou gamma (Voir notre article sur Notions de base de radioactivité). Le rayonnement gamma, qui suit généralement une émission alpha ou bêta, est issu du noyau de l’atome et correspond à une désexcitation de ce dernier. En effet, après une désintégration alpha ou bêta, le nouveau noyau n’est pas toujours dans un état d’équilibre énergétique : il possède encore « un trop plein d’énergie », on dit qu’il est excité. Pour se débarrasser de cet excédent, il va émettre un ou plusieurs rayonnements gamma d’énergie déterminée et caractéristique du noyau et donc de l’atome en présence. c’est en quelque sorte la signature du radioélément.

Le rayonnement gamma est un rayonnement analogue à celui de la lumière, mais beaucoup plus énergétique. On appelle « photon » la particule associée à ce rayonnement.

La spectrométrie gamma

D’où l’idée que si l’on dispose d’un appareil qui permet d’une part de mesurer exactement l’énergie des photons gamma émis et d’autres part d’en comptabiliser le nombre pendant une certaine durée, on peut alors identifier les radioéléments présents et déterminer leur activité. Cet appareil d’analyse n’est autre qu’un spectromètre gamma.

Qu’est ce que le détecteur ?

Mais voilà, on dit que les rayonnements sont imperceptibles, qu’on ne peut pas les toucher, les voir, les sentir ; ce qui est vrai pour l’homme, l’est aussi pour l’électronique associée à la chaîne de mesure qui gère les informations. Pour assurer la détection, il faut avoir recours à un organe intermédiaire qui va transformer les rayonnements en une grandeur (en l’occurence une tension électrique) directement exploitable par l’électronique associée à la chaîne de mesure.

Que se passe-t-il quand un photon gamma pénètre dans le détecteur ?

– Soit il se ballade sans laisser la moindre trace de son passage et il nâest pas détecté. (N’oublions pas qu’à l’échelle d’un photon la matière peut-être assimilée à une « passoire ».)
– Soit il y a interaction du photon avec les atomes constituant le cristal de germanium et la détection devient possible, elle repose alors sur les effets engendrés par le rayonnement gamma sur la matière et est optimale pour un effet donné (appelé effet photoélectrique).

Les spectres ?

L’analyse d’un échantillon par spectrométrie gamma donne naissance à un spectre : histogramme du nombre de photons détectés en fonction de leur énergie. Le spectre est caractérisé par un fond continu (bruit de fond) décroissant avec l’énergie et par la présence de plusieurs pics (voir ci-dessous). Chaque pic correspond à un rayonnement gamma issu de la désexcitation des noyaux instables ou atome radioactif présent dans l’échantillon.

Et les pics ?

1°) Par la position des pics (ou énergie des photons), on entreprend l’analyse qualitative du spectre : on détermine les radioéléments présents dans l’échantillon analysé.

2°) Par la surface des pics (ou nombre d’impulsions), on entreprend l’analyse quantitative du spectre : on détermine pour chaque radioélément (présent dans l’échantillon) son activité en becquerels ramenée à la masse ou au volume de l’échantillon (Bq/kg sec ou Bq/L).

Et la durée de comptage ?

La désintégration d’un noyau par l’émission d’un photon gamma est un phénomène spontané. S’il est possible de prévoir le comportement d’un grand nombre de radioéléments dans le temps, estimation de l’activité, en revanche il est impossible de dire exactement à quel moment un noyau va se désintégrer. Cette particularité, impose de faire des mesures sur un temps suffisamment grand pour gommer les irrégularités et obtenir un résultat d’activité le plus exact possible.

A titre d’exemple, les analyses d’échantillon de l’environnement réalisées au laboratoire de l’A.C.R.O., nécessite des temps de comptage allant de 15 heures à 3 jours.

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