LA MODELISATION DE LA RADIOGRAPHIE A HAUTE ENERGIE AVEC UN ACCELERATEUR LINEAIRE DANS LE CODE MODERATO

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1 JOURNEES COFREND 2017 LA MODELISATION DE LA RADIOGRAPHIE A HAUTE ENERGIE AVEC UN ACCELERATEUR LINEAIRE DANS LE CODE MODERATO More info about this article: AUTEURS : Andreas Schumm EDF R&D CO-AUTEURS : Pierre Guérin, Romain Jonchière EDF R&D CONFERENCIERS : Andreas Schumm EDF R&D RESUME : La modélisation des examens non-destructifs joue un rôle important dans la démonstration de leurs performances, le développement de nouvelles méthodes, l interprétation des résultats mais également pour leur compréhension physique. Le code de simulation radiographique MODERATO développé à EDF était utilisé jusqu à présent pour la gammagraphie. Pour l inspection des coudes moulés avec une épaisseur de paroi jusqu à 220mm, des énergies plus élevées sont nécessaires pour obtenir un résultat dans un temps d exposition raisonnable, ce qui a amené EDF à utiliser un accélérateur linéaire. Afin d adapter le code de modélisation MODERATO à cette application, un certain nombre de développements se sont avérés nécessaires. La gamme d énergies jusqu à 6MeV a nécessité la prise en compte de la physique à haute énergie, en particulier la production de paires, qui est à l origine d une contribution nonnégligeable du rayonnement diffusé pour cette source. Une étude a été menée pour déterminer si le rayonnement secondaire devait également être pris en compte, en particulier le rayonnement de freinage. L effort le plus important cependant portait sur la caractérisation et l implémentation de la source, en particulier son spectre, son intensité, et la variation angulaire de ses caractéristiques, typique pour des sources produisant leur émission par freinage d électrons dans une cible. Dans cet article sont présentées les différentes actions entreprises afin d obtenir une caractérisation fiable de la source, faisant appel à des mesures expérimentales et à la modélisation numérique par des codes de référence lorsque les mesures sont inaccessibles. 1 - INTRODUCTION Le code de modélisation radiographique MODERATO a été conçu à l origine pour les tirs avec des sources gamma, notamment avec les radio-isotopes Ir-192 et Co-60. La description de ces sources est relativement simple, et toutes les données sont connues ou facilement accessibles : le spectre, l activité et la taille de l élément actif suffisent pour alimenter un modèle. La nature discrète du spectre et le rayonnement isotrope (hors une éventuelle collimation) facilitent leur modélisation. Pour la famille des sources X, comme les tubes Roentgen ou les accélérateurs, qui produisent le rayonnement photonique par l effet de Bremsstrahlung lors du freinage d un faisceau d électrons dans une cible (en règle générale en Tungsten), le spectre est continu et n est pas connu a priori. D autre part, l intensité du rayonnement ainsi que le spectre lui-même varient en fonction de l angle d émission par rapport à l axe du faisceau. Pour les sources à haute énergie, comme les accélérateurs linéaires ou les sources type Bêtatron, la physique de l interaction du rayonnement photonique avec la matière devient plus complexe, avec l apparition de deux effets supplémentaires : la production de paires et le rayonnement de freinage. 1

2 2 PHYSIQUE A HAUTE ENERGIE Dans la gamme d énergies des sources gamma Ir-192 et Co-60, l interaction prépondérante avec la matière est l interaction Compton, qui représente un choc inélastique d un photon avec une couche électronique d un atome. Lors de cette interaction, le trajet du photon est dévié, et une partie de l énergie du photon incident est transmise à un électron, qui est éjecté de la couche électronique. Les autres interactions possibles avec la matière sont l absorption photoélectrique, conduisant à l absorption du photon et l émission d un électron, et à plus faible énergie le choc élastique (diffusion Rayleigh), conduisant à une déviation du trajet du photon sans perte d énergie. La probabilité pour chaque type d interaction d avoir lieu dépend de l énergie, et est tracée à titre d exemple dans la figure 1 sous forme de sections efficaces. L énergie des électrons produits lors des interactions Compton et photoélectrique étant faible, leur probabilité d atteindre le détecteur radiographique l est également, et le filtre antérieur en plomb utilisé pour les tirs avec ces radioéléments empêche de toute manière leur impact avec le film. Le rayonnement secondaire peut donc être négligé dans notre modèle. Si l énergie des photons est supérieure au double de l énergie de masse au repos d un électron, soit environ MeV, la production de paires peut avoir lieu, conduisant à la disparition du photon et la création d une paire électron-positron. Dans l annihilation positronélectron qui intervient ensuite, le positron rentre en collision avec un électron libre, produisant deux photons gamma à 511 kev. Le diagramme de sections efficaces (figure 1) montre que cette interaction devient dominante à partir d environ 4 MeV pour l acier, et doit donc être prise en compte si on veut modéliser fidèlement un accélérateur linéaire. Figure 1 : Diagramme de sections efficaces (acier). π représente la production de paires, c l interaction Compton, R celle de Rayleigh, l absorption photoélectrique 2

3 Une deuxième interrogation portait sur l hypothèse de négliger le rayonnement secondaire produit lors des absorptions photoélectriques et les diffusions Compton. Pour les photons à haute énergie, l énergie des électrons produits lors de ces interactions peut elle-même être très élevée, augmentant d une part leur probabilité d atteindre le détecteur, et permettant d autre part la production du rayonnement de freinage dans la pièce, à des énergies susceptibles d augmenter la quantité de rayonnement diffusé dégradant le contraste de l image radiographique. Afin de quantifier cet effet, des simulations avec le code de référence MCNP ont été faites, à différentes énergies monochromatiques et avec un spectre-type d un accélérateur, en tenant compte de toute la physique à haute énergie. La figure 2 (gauche) compare les spectres obtenus avec MCNP et MODERATO (donc sans rayonnement de freinage), avecune source monochromatique à 10 MeV après avoir traversé 50 mm d acier : on observe un écart significatif dans la partie basse du spectre, en dessous de 2 MeV, montrant que le rayonnement de freinage est bien présent. On y voit également un pic à 511 kev, correspondant à l effet de la production de paires. La figure 2 (droite) montre la même simulation pour un spectre type d un accélérateur linéaire à 10 MeV, avec et sans prise en compte de rayonnement de freinage. On observe que la différence est seulement présente dans la partie haute du spectre. A partir de cette observation, il a été décidé de négliger le rayonnement de freinage pour la modélisation d un accélérateur à une énergie de seulement 6 MeV. Figure 2 : Spectre d une source de 10 MeV après avoir traversé 50mm de Fe (gauche), spectre d un accélérateur linéaire après 50mm de Fe (droite), avec et sans prise en compte du rayonnement de freinage 3 CARACTERISATION DE LA SOURCE Le spectre d un accélérateur linéaire ne peut pas être mesuré facilement, à cause de l intensité très élevée et du rayonnement pulsé, qui saturèrent les spectromètres classiques. Le recours à la modélisation est donc couramment employé pour obtenir cette donnée. Cela nécessite la connaissance exacte de la géométrie de la cible, dans laquelle le freinage des électrons accélérés a lieu. La figure 3 montre à droite la géométrie de l accélérateur linéaire avec son collimateur de 30, et à gauche le modèle de la cible en tungstène, dans un boitier en cuivre avec le canal de refroidissement indiqué en bleu. Les données les plus critiques sont l épaisseur et le diamètre de la cible. Contrairement à un tube X, pour lequel le rayonnement de freinage est émis dans un certain angle par «réflexion» après impact sur une cible orientée avec un angle par rapport au faisceau incident, l accélérateur linéaire fonctionne en transmission, c est-à-dire que le rayonnement photonique traverse la cible et sort majoritairement dans la direction du faisceau électronique. 3

4 La figure 4 montre le modèle utilisé dans le logiciel Penelope [1] pour modéliser le spectre. Dans cette simulation, des détecteurs ont été placés dans un quart de cercle autour du point d émission de la source, afin de mesurer la dépendance angulaire du spectre et de son intensité. Notons la présence du collimateur dans cette simulation. L intensité du rayonnement en fonction de l angle d observation est aussi accessible expérimentalement. Nous avons utilisé cette information pour valider la simulation. La figure 5 montre l intensité du rayonnement simulé (en noir) et mesuré selon les deux axes. Comme attendu, la simulation montre un résultat parfaitement symétrique. En revanche, le profil mesuré de l intensité n est pas parfaitement symétrique. Il s agit probablement d un désalignement léger entre détecteurs et source. Une autre différence visible dans cette comparaison apparait au-delà de 25 par rapport à l axe, où la simulation montre une lente décroissance, tandis que la mesure chute directement à zéro. Figure 3 : Schéma de la cible avec canal de refroidissement (gauche) et schéma de la tête de l accélérateur avec collimateur Figure 4 : Modèle Penelope pour la simulation du spectre et de l intensité de l accélérateur linéaire, en fonction de l angle par rapport à son axe (détecteurs circulaires) 4

5 Une explication possible pour ce comportement pourrait être un seuil présent dans les radiamètres utilisés, et/ou une réponse spectrale non linéaire, sachant que les détecteurs numériques utilisés dans la simulation ont une réponse parfaite sans seuil. Ceci étant, l accord simulation/expérience est globalement assez satisfaisant. La figure montre différents spectres obtenus en fonction de l angle. Le spectre de gauche montre que la dépendance angulaire est négligeable dans la zone angulaire d émission autorisée par le collimateur. Sans collimateur, une modification considérable du spectre serait observée, notamment à 90. Figure 5 : Intensité du rayonnement en fonction de l angle (simulation et mesure) Figure 6 : Spectre en fonction de l angle, global (gauche) et proche de l énergie maximale pour les angles dans le cône collimaté 5

6 4 - CONCLUSIONS Le code MODERATO est maintenant doté d un modèle permettant la simulation de l accélérateur linéaire MINAC. Pour l énergie de 6 MeV, il a été montré que le rayonnement de freinage peut être négligé pour nos applications à fortes épaisseurs. La présence d un collimateur permet de négliger la variation du spectre en fonction de l angle d émission par rapport à l axe du faisceau. En revanche, la production de paires et la variation angulaire de l intensité du rayonnement doivent être prises en compte. L implémentation décrite cible l accélérateur linéaire MINAC, mais la démarche proposée est générique et peut être appliquée à d autres accélérateurs. REFERENCES : [1] PENELOPE2014, A Code System for Monte-Carlo Simulation of Electron and Photon Transport, NEA-1525/22 6