NOTE TECHNIQUE. CEA Saclay DETECS-LNHB Gif-sur-Yvette Cedex, France

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1 NOTE TECHNIQUE CEA Saclay DETECS-LNHB Gif-sur-Yvette Cedex, France

2 Détermination des activités des éléments des chaînes naturelles dans un échantillon de phosphogypse dans le cadre d une comparaison AIEA Laurent FERREUX, Gérard MOUTARD, Thierry BRANGER SOMMAIRE 1. Introduction Problématiques des mesures d environnement Les faibles taux de comptage La correction d autoatténuation Traitement des chaînes naturelles Famille de l uranium Famille de l uranium Famille du thorium Conditions expérimentales Chaîne d acquisition Ensemble de mesure par spectrométrie γ à très bas bruit de fond Logiciel d acquisition et de traitement Géométrie de l échantillon Détermination du choix du matériau et des dimensions du conteneur de mesure Simulations ETNA Forme et dimensions du conteneur Solutions étalons Préparation des sources étalons Remplissage des conteneurs avec les solutions étalons Remplissage du conteneur avec l échantillon de phosphogypse Détermination de la teneur en eau du phosphogypse Etalonnage Conditions de mesure en sources liquides Résultats Détermination des coefficients d atténuation de la matrice Détermination de la correction d autoatténuation Détermination du coefficient d atténuation linéique du phosphogypse Principe Dispositif expérimental Résultats Mesure de l échantillon Conditions de mesures Acquisitions Spectre de mouvement propre Spectre de mesure Résultats et discussion

3 7.1 Activités obtenues Cohérence des résultats Famille de l uranium Famille de l uranium Famille du thorium Conclusions Références

4 1. Introduction Dans le cadre de l intercomparaison AIEA , chaque participant a reçu un échantillon d environ 250 g de phosphogypse prélevé à proximité d une usine de retraitement située à Gdansk (Pologne). L exercice consiste à déterminer les activités des radionucléides suivants : 40 K, 208 Tl, 210 Pb, 212 Pb, 214 Pb, 214 Bi, 226 Ra, 227 Ac, 228 Ra, 228 Ac, 230 Th, 231 Pa, 232 Th, 234 Th, 234 U, 235 U, 238 U et U(total). La mesure de l activité des éléments des chaînes naturelles dans des échantillons prélevés dans l environnement est un processus complexe car les activités mises en jeu sont très faibles. Même si la chaîne de mesure dispose d un système anti-cosmique permettant d avoir des limites de détection très basses, il est nécessaire de maîtriser parfaitement les différentes étapes menant à la détermination des activités. Une première étape importante est la réalisation de solutions étalons et la mise en place du phosphogypse dans son conteneur. Il est en effet impératif que ces diverses matrices soient le plus homogène possible. Trois matrices liquides étalons sont réalisées permettant de couvrir une gamme de mesure allant de 26 à 2090 kev, elles sont ensuite placées dans des conteneurs identiques à celui utilisé pour le phosphogypse. Une configuration identique entre les matrices étalons et l échantillon mesuré permet de limiter les sources d erreur. La seconde étape consiste à déterminer la différence d autoatténuation entre les deux matrices (étalons et phosphogypse) en mesurant le coefficient d atténuation linéique du phosphogypse. Enfin, environ un mois après le conditionnement c'est-à-dire une fois l équilibre rétabli entre le 226 Ra, le 222 Rn et ses descendants solides, les mesures sur l échantillon sont réalisées et le dépouillement des spectres est effectué en prenant en compte les corrections d autoatténuation précédemment établies. L étude est complétée par une analyse de la pertinence des résultats obtenus en fonction des propriétés chimiques différentes entre certains éléments comme les thoriums et les uraniums, des compositions isotopiques, des embranchements et des équilibres liés aux différentes chaînes. 2. Problématiques des mesures d environnement Au regard de la concentration de certains éléments dans l environnement, comme dans le sable ou dans des sédiments où l on peut trouver de 200 à 700 Bq.kg -1 de 40 K, de 30 à 50 Bq.kg -1 de 238 U, de 0,2 à 0,4 Bq.kg -1 de 235 U, de 60 à 100 Bq.kg -1 de 232 Th, les mesures sur des échantillons de l environnement sont des mesures de faibles taux de comptage. Cela implique un certain nombre de contraintes telles que la nécessité de disposer d une installation à très bas bruit de fond et, dans la mesure du possible, de positionner l échantillon près du détecteur. Toutefois, ceci nécessite une maitrise parfaite des corrections de coïncidences X γ et γ γ. De plus, il est souvent très difficile pour des échantillons provenant de l environnement de pouvoir faire les mesures dans des conditions strictement identiques aux conditions d étalonnage. Cela implique de faire des corrections comme dans notre cas où une correction liée aux différences d autoatténuation est prise en compte. 2.1 Les faibles taux de comptage Pour mesurer les faibles taux de comptage, il est impératif de disposer d une installation spécifique pour ce type de mesure comme l ensemble de mesure par spectrométrie γ très bas 4

5 bruit de fond disponible au LNHB et décrite au paragraphe 3.1. En effet, l installation doit avoir un mouvement propre aussi bas que possible dans la mesure où le signal à mesurer est très faible. Pour cela, il faut que l ensemble de détection puisse prendre en compte les deux composantes principales du mouvement propre de ce type d installation : - les émissions liées à la présence de radionucléides issus des chaînes naturelles et présents dans les matériaux entourant le détecteur, - le rayonnement cosmique responsable de nombreuses réactions (n,n ) et (n,γ) sur les différents constituants de l installation. Par ailleurs, pour les taux de comptage faibles, une autre difficulté consiste à définir les conditions géométriques de mesure de l échantillon. Cela concerne donc les dimensions du conteneur ainsi que la distance de mesure entre l échantillon et le détecteur. Ces paramètres sont étudiés au paragraphe 3.2. Il est important de trouver la meilleure adéquation possible entre les dimensions du conteneur, la distance échantillon-détecteur, la durée d acquisition et les problèmes de coïncidences vraies que l on rencontre lorsque les mesures se font trop près du détecteur. 2.2 La correction d autoatténuation Un autre problème qu il est nécessaire de prendre en compte pour des mesures sur des échantillons provenant de l environnement, est la spécificité de chaque échantillon. En effet, il est généralement impossible de disposer d un étalonnage obtenu dans des conditions strictement identiques à celle de l échantillon. Si l aspect géométrique est reproductible, il n en est pas de même des caractéristiques intrinsèques de l échantillon et notamment de sa nature et de sa densité. De ce fait, il est nécessaire d appliquer un facteur de correction lié aux différences d autoatténuation entre l échantillon et les sources étalons. Ce problème est abordé dans le paragraphe 5 de la présente note. 2.3 Traitement des chaînes naturelles L utilisation d une instrumentation dédiée aux mesures bas niveau ainsi que la prise en compte des corrections d autoatténuation permet d optimiser nos mesures. Toutefois, malgré de très bonnes conditions de mesure, tous les radionucléides ne sont pas décelables en raison de l absence d émission gamma ou d intensités d émission beaucoup trop faibles. Pour des mesures d échantillon provenant de l environnement, il existe trois familles radioactives naturelles qui sont celles de 238 U, 235 U et 232 Th, dont les caractéristiques sont détaillées cidessous. Le potassium 40, dont l activité est demandée, est un isotope naturel dont l abondance isotopique est de 0,0117 % du potassium naturel. Il se désintègre pour 89,14 % par émission béta moins vers le niveau fondamental de 40 Ca et par capture électronique vers 40 Ar, pour 10,66 % vers le niveau du 1460 kev et pour 0,20 % vers le niveau fondamental Famille de l uranium 238 La famille de 238 U, présentée sur la figure 1, contient 14 radionucléides et constitue la plus importante des trois familles. Parmi ces radionucléides, 6 ne sont pas décelables (couleur orange) en raison de l absence d émissions gamma ou en cas d intensités d émission très faibles. Cette famille contient 3 groupes, le groupe de l uranium, le groupe de 222 Rn et le groupe de 210 Pb. Compte tenu des propriétés chimiques différentes entre les thoriums et les uraniums, il est possible de rencontrer une rupture de chaîne au niveau des thoriums. Toutefois, les périodes courtes de 234 Th (24,1 jours) et de 234 Pa m (1,2 min) permettent un 5

6 retour rapide à l équilibre avec 238 U, mais ceci n est pas le cas de 234 U ni de 230 Th qui ont des périodes très longues. Il est donc possible d observer dans certain cas des activités différentes entre le précurseur, 238 U et ses descendants 234 U, 230 Th, 226 Ra, 210 Pb. Le 222 Rn, descendant du 226 Ra est un gaz qui diffuse lentement au travers des échantillons, et de ce fait provoque un déséquilibre radioactif avec ses descendants. Le choix d un conteneur étanche et de géométrie bien définie, permet après environ un mois de stockage dans un tel conteneur, de rétablir cet équilibre entre 226 Ra et ses descendants jusqu au groupe du 210 Pb. Les descendants de 222 Rn, 214 Pb et 214 Bi, présentent beaucoup d émissions gamma qui permettent de déterminer l activité du 222 Rn et de vérifier l équilibre radioactif retrouvé entre 226 Ra et les descendants du groupe de 222 Rn. Le 210 Pb est mesurable par spectrométrie gamma sur sa raie de 46,54 kev. Les autres radionucléides de la chaîne ont en général suffisamment de raies gamma pour pouvoir être déterminés correctement. Groupe de l uranium U Groupe du radon 222 Groupe du plomb 210 Figure 1 : Famille de l uranium 238 6

7 Famille de l uranium 235 La famille de 235 U est présentée sur la figure 2 et comporte 13 descendants. Tout comme la famille de 238 U, les uraniums et les thoriums présentant des propriétés chimiques différentes, on peut aussi avoir une rupture de chaîne entre 235 U et 231 Th au cours du temps, due à des lessivages successifs. Par conséquent, il est possible de ne pas trouver la même activité entre 235 U et 231 Pa et ses descendants. Compte tenu de la faible période de 231 Th (1,06 j), celui-ci revient rapidement à l équilibre radioactif avec son précurseur 235 U. Cette chaîne radioactive peut être, à l échelle géologique, regroupée en un seul groupe, le groupe de 231 Pa. Le 235 U est quant à lui rattaché au groupe des uraniums en raison de ses propriétés chimiques. La chaîne de 235 U peut donc être représentée de la façon suivante : Groupe du protactinium 231 Figure 2 : Famille de l uranium 235 Les radionucléides suivants : 227 Ac, 231 Th, 231 Pa, 223 Fr, 211 Bi, 211 Po et 207 Tl sont difficilement quantifiables par spectrométrie gamma, car ils possèdent des raies gamma avec des intensités d émissions très faibles ou bien interférant avec celles d autres radionucléides de mêmes énergies mais plus intenses ce qui implique une grande incertitude sur la capacité à déterminer leur activité. Il est alors possible que l on ne puisse donner qu une limite de détection pour ces radionucléides, les autres devant pouvoir être quantifiés plus précisément. 7

8 Famille du thorium 232 La famille de 232 Th contient 11 radionucléides ; parmi ceux-ci, 212 Po n est pas mesurable par spectrométrie gamma, car il n est pas émetteur gamma (voir figure : 3). Figure 3 : Famille du thorium 232 La chaîne radioactive naturelle de 232 Th ne présente qu un seul groupe. Même si leurs propriétés chimiques sont différentes, l ensemble des radionucléides se met rapidement à l équilibre, compte tenu des courtes périodes des descendants, comparativement aux échelles géologiques. De ce fait, cette chaîne est la plus simple à traiter, même si certains de ces radionucléides ne sont pas faciles à déterminer par spectrométrie gamma. Ces difficultés sont dues aux faibles intensités d émission gamma. C est le cas de 232 Th, 228 Ra, 228 Th, 224 Ra, 220 Rn et 216 Po. Pour ces radionucléides, on se contentera de donner une limite de détection. Pour les autres radionucléides mesurables, on s assurera qu ils sont à l équilibre radioactif, aux incertitudes près, y compris pour 208 Tl qui présente un rapport d embranchement de 35,93 % avec 212 Bi. 8

9 3. Conditions expérimentales 3.1 Chaîne d acquisition Ensemble de mesure par spectrométrie γ à très bas bruit de fond La chaîne d acquisition utilisée est un spectromètre gamma à très bas bruit de fond installé au LNHB en 2001 [1]. Ce spectromètre est constitué d un détecteur au germanium hyperpur (GeHP) associé à des modules d amplification et de codage conventionnels, et il est équipé d un blindage anti-cosmique. Les caractéristiques du détecteur GeHP sont les suivantes : - volume de 220 cm 3, - efficacité relative de 51,6 %, - résolution à 122 kev de 0,99 kev, - résolution à 1332,5 kev de 2,05 kev, - rapport pic sur Compton de 62,4 à 1332,5 kev. Ce détecteur est placé dans une chambre de mesure cylindrique (ø = 280 mm, H = 400 mm) en cuivre dont le blindage (Figure 4) est composé en partant de l intérieur vers l extérieur: - d une première paroi de plomb de très faible activité (A<10 Bq.kg -1 ) de 50 mm d épaisseur, - d un enveloppe de cadmium sélectionné (A<50 Bq.kg -1 ) de 3 mm d épaisseur (destinée à l atténuation des neutrons secondaires dus par le rayonnement cosmique), - d une deuxième paroi de plomb de très faible activité (A<50 Bq.kg -1 ) de 100 mm d épaisseur (150 mm pour la face en regard du sol). Figure 4 : Spectromètre gamma à bas bruit de fond équipé d un système anti-cosmique 9

10 La cellule de mesure est dotée d accès permettant d assurer la circulation d azote gazeux récupéré en sortie du Dewar associé au détecteur. Cette circulation permet d éviter la présence, autour du détecteur, du radon présent dans l air ambiant. Le château de plomb est prévu pour accepter sur chacune de ses faces, à l exception de celle en regard du sol, une plaque de détecteur scintillateur plastique permettant la détection du rayonnement cosmique. Un schéma de principe de la cellule est donné sur la figure 5. Figure 5 : Schéma de principe de la cellule anti-cosmique (cotes en mm) SPECTRES DE MOUVEMENT PROPRE COMPARATIFS AVEC ET SANS SYSTEME ANTICOSMIQUES AU SOUS-SOL DU LABORATOIRE BNM-LNHB LNE- ET EN SURFACE A OLEN (BELGIQUE) NOMBRE D'IMPULSIONS Spectre sans système anticosmiques mesuré en surface à Olen. --- Spectre sans système anticosmiques mesuré au sous sol à Saclay. --- Spectre avec système anticosmiques mesuré au sous-sol à Saclay. --- Spectre avec système anticosmiques + blindage de 4 mm de cuivre mesuré au sous-sol à Saclay. raies XK du Pb Temps de mesure : s ENERGIE (KeV) Figure 6 : Spectre de mouvement propre en fonction de différentes configurations 10

11 Les différentes caractéristiques citées précédemment, comme le blindage ou le système anticosmique, permettent de réduire sensiblement le fond continu et d éliminer de nombreux pics comme le montre l exemple donné sur la figure 6 pour une gamme d énergie comprise entre 0 et 120 kev Logiciel d acquisition et de traitement Le logiciel associé à l ensemble de mesure à très bas bruit de fond est Interwinner 5.0 [2]. Ce logiciel permet de gérer les acquisitions, de créer une table de radionucléides, d établir une courbe de rendement d absorption photoélectrique totale, de calculer une courbe d autoatténuation, de paramétrer les déconvolutions interactives, de réaliser un dépouillement automatique, etc. Lors de l utilisation de ce logiciel on s assure de la mise à jour des données concernant les différents radionucléides que l on recherche, au moyen de la base de données NUCLEIDE [3]. 3.2 Géométrie de l échantillon La première étape consiste à déterminer la meilleure géométrie de mesure, forme de l échantillon et distance source-détecteur, en fonction de la masse de phosphogypse fournie par l AIEA. Cela revient à optimiser la forme du conteneur en tenant compte de l angle solide de mesure et tout en choisissant une distance de mesure suffisante pour s affranchir des problèmes de coïncidences. Ces contraintes s ajoutent au fait que le taux de comptage doit être suffisant sur la chaîne de mesure anti-cosmique utilisée afin d avoir des durées d acquisition compatibles avec les contraintes d utilisation de la chaîne de mesure. Compte tenu de la densité du matériau (sorte de plâtre), proche de 1 g.cm -3, le volume du conteneur devait être d environ 200 cm 3 dans la mesure où l AIEA fournissait une masse d environ 250 g. En effet, le tassement de l échantillon étant fonction de l opérateur, il était nécessaire de prévoir une marge de sécurité quand aux dimensions du conteneur pour éviter de se retrouver avec un conteneur trop grand par rapport à la quantité de phosphogypse fournie. Le risque était de se retrouver avec une partie non comblée dans le conteneur ce qui aurait pour conséquence de favoriser la migration du radon dans cette partie, et par conséquent de rendre l échantillon hétérogène Détermination du choix du matériau et des dimensions du conteneur de mesure. La matière constituant le conteneur de mesure ne doit pas être naturellement radioactive. Elle ne doit pas fixer les radionucléides et doit être facilement usinable. Le matériau correspondant à ces critères et utilisé depuis de nombreuses années au laboratoire est le plexiglas. L implantation du détecteur GeHP dans le cryostat est donnée par le constructeur et est représenté ci-après, figure 7. La fenêtre d entrée en carbone a une épaisseur de 0,5 mm et un diamètre de 63,5 mm. Le support du détecteur en aluminium a une épaisseur de 1 mm autour du détecteur avec 3 renforts en aluminium d épaisseur 2,5 mm. Le capot en aluminium, de forme cylindrique, a un diamètre externe de 82,5 mm. La forme du conteneur de mesure sera par conséquent de forme cylindrique, avec un volume de l ordre de 200 cm 3. Afin de déterminer en première approximation, par une étude géométrique de l angle solide, le diamètre et la hauteur du conteneur les mieux adaptés à la mesure des faibles activités, nous réalisons une représentation graphique (voir figure 8 ci-après) du couple détecteur-conteneur. Positionnés à 2 mm l un de l autre, on fait varier la hauteur et le diamètre du conteneur avec pour critère un volume constant de 200 cm 3. Le graphique comporte 4 conteneurs de diamètre et de hauteur suivants : - diamètre : 78 mm hauteur : 41,8 mm 11

12 - diamètre : 90 mm hauteur : 31,3 mm - diamètre : 100 mm hauteur : 25,6 mm - diamètre : 110 mm hauteur : 21,0 mm Renfort Figure 7 : Schéma du détecteur GeHP fourni par le constructeur Ø : 11 0 m m Ø : 10 0 m m Ø : 9 0 m m Ø : 7 8 m m 64 mm 51 mm 4,5 mm 31,3 mm 21,0 mm 25,6 mm 41,8 mm épaisseur f enêtre : 0,5 mm Ø : 15 m m Ø : 66,0 m m Ø : 82,5 m m φ Figure 8 : Représentation graphique du couple détecteur-conteneur 12

13 La figure 8 montre, pour les différentes configurations de conteneur, les trajectoires les plus longues pouvant être parcourues par les photons pour atteindre le détecteur. Pour une distance donnée, l optimisation du rendement sera obtenue pour le meilleur compromis entre les critères suivants : - une faible autoatténuation dans l échantillon, c'est-à-dire une épaisseur d échantillon traversée la plus faible possible, - un angle solide adapté à la géométrie de mesure pour éviter les problèmes de perte de comptage sur le support en aluminium entourant la fenêtre d entrée du détecteur, - une épaisseur pour le fond du conteneur la plus faible possible afin d éviter une trop importante atténuation tout en pouvant supporter les contraintes liées à la mise en place du phosphogypse. La prise en compte de ces différents facteurs doit permettre d éviter une chute trop importante du rendement dans les basses énergies. Après étude, l optimisation de ces trois principaux critères semble converger vers un conteneur de diamètre 100 mm et de hauteur 2,56 mm (Voir figure 8). L épaisseur du fond du conteneur est la plus faible valeur assurant une bonne tenue mécanique sans déformation du fond du conteneur, lors du tassement de l échantillon. Par expérience, cette épaisseur est fixée à un 1 mm. Une validation est toutefois assurée au moyen du logiciel de calcul de transfert de rendement ETNA en étudiant la valeur du rendement pour différentes configurations de conteneur et cela à deux distances différentes Simulations ETNA Le logiciel ETNA [4] permet de calculer les facteurs de transfert de rendement de détection entre une géométrie d étalonnage et une géométrie de mesure. Il est ici utilisé pour déterminer les paramètres géométriques (rayon et épaisseur) de l échantillon permettant un rendement optimal. Le volume étant fixé à 200 cm 3, le rayon de la matrice varie pour notre étude de 3,5 cm à 8 cm et son épaisseur est adaptée en fonction de celui-ci. Pour tous les calculs, les parois du conteneur ont une épaisseur de 1 mm pour assurer une bonne tenue mécanique. Les conditions de simulations en cm sont répertoriées dans le tableau ci-après avec le nom donné à chaque simulation. Rayon (cm) 3,5 3,8 4 4,2 4,5 4,8 5 5,5 7 8 Surface (cm 2 ) 38,5 45,4 50,3 55,4 63,6 72,4 78, ,9 201,1 Epaisseur (cm) 5,20 4,41 3,98 3,61 3,14 2,76 2,55 2,10 1,30 0,99 Diamètre extérieur 7,2 7,8 8,2 8,6 9,2 9,8 10,2 11,2 14,2 16,2 (cm) NOM AIEA1 AIEA2 AIEA3 AIEA4 AIEA5 AIEA6 AIEA7 AIEA8 AIEA9 AIEA10 Tableau 1 : configurations des différentes simulations ETNA Pour chacune des configurations, le calcul est effectué pour un échantillon situé à 2 mm et 5 cm du détecteur pour des énergies variant entre 20 kev et 2 MeV. Par expérience, on peut considérer qu à partir de 5 cm on réduit la plupart des problèmes de coïncidences et il n est donc pas nécessaire de faire des simulations pour des distances plus éloignées du détecteur. Pour notre simulation, il a été considéré arbitrairement que le rendement d une source ponctuelle à 5 cm était de 1. On étudie alors le transfert de rendement pour les différentes 13

14 configurations nous intéressant afin de trouver laquelle donne le rendement le plus important. Les résultats obtenus à 2 mm sont présentés sur la figure 9 : Evolution du transfert de rendement à 2 mm 0,022 0,020 0,018 Transfert de rendement 0,016 0,014 0,012 0,010 0,008 0,006 AIEA1 AIEA2 AIEA3 AIEA4 AIEA5 AIEA6 AIEA7 AIEA8 AIEA9 AIEA10 0, Energie (kev) Figure 9 : Transfert de rendement simulé à 2 mm du détecteur pour les différentes configurations de conteneur La figure 9 regroupe les facteurs de transfert de rendement obtenus à partir d une source ponctuelle se situant à 5 cm du détecteur pour les différentes configurations présentées dans le tableau 1. Les résultats obtenus montrent, que pour une mesure à 2 mm du détecteur, la configuration AIEA8 présente le transfert de rendement le plus important et ceci quelle que soit l énergie. Les résultats obtenus pour les configurations AIEA7 et 6 sont très proches ce qui permet de déterminer un rayon optimal pour le conteneur entre 4,8 et 5,5 cm. Toutefois, ces conditions entraînent forcément des problèmes liés aux coïncidences vraies difficilement corrigeables et donc source d erreur. Une seconde simulation est alors réalisée à 5 cm, distance qui permet de s affranchir, à quelques pourcents près, des problèmes de coïncidences. Toutefois, ces études à 2 mm et à 5 cm permettent de voir l évolution du transfert de rendement en fonction de la distance. Les résultats à 5 cm sont présentés sur la figure

15 Evolution du transfert de rendement à 5 cm 0,007 0,006 Transfert de rendement 0,005 0,004 0,003 0,002 AIEA1 AIEA2 AIEA3 AIEA4 AIEA5 AIEA6 AIEA7 AIEA8 AIEA9 AIEA10 0, Energie (kev) Figure 10 : Transfert de rendement simulé à 5 cm du détecteur pour les différentes configurations de conteneur Les résultats obtenus montrent que pour une mesure à 5 cm du détecteur, les simulations AIEA8, 9 et 10 sont équivalentes. La configuration 10 est la meilleure jusqu à 60 kev ensuite la configuration 9 présente le meilleur transfert de rendement jusqu à 2 MeV. A 5 cm, les dimensions optimales du conteneur sont donc comprises entre 5,5 et 8 cm pour le rayon. Toutefois, comme cela était attendu, le fait de reculer de 2 mm à 5 cm, pour réduire significativement les corrections de coïncidences X γ, γ γ, abaisse le rendement d un facteur 3 environ. Ce compromis est nécessaire pour avoir une incertitude de mesure qui soit la plus faible possible Forme et dimensions du conteneur A partir des deux études menées précédemment, les dimensions finalement choisies pour le conteneur de phosphogypse sont présentées sur la figure 11 ci-après : Figure 11 : Dimensions du conteneur (cotes en mm) 15

16 Le rayon du conteneur est de 50 mm, pour une hauteur de remplissage de 25 mm, ce qui correspond au cas AIEA7. La géométrie du conteneur étant définie, la difficulté réside maintenant dans le remplissage de celui-ci avec, dans un premier temps les solutions étalons qui vont servir à l étalonnage du détecteur. Ensuite avec le conditionnement de l échantillon réalisé à partir du matériau fourni par l AIEA. Ces deux étapes sont détaillées dans les paragraphes suivants. 3.3 Solutions étalons Préparation des sources étalons Afin de pouvoir étalonner le détecteur sur la gamme d énergie souhaitée, trois conteneurs ont été préparés dans la même géométrie que celle utilisée pour l échantillon de phosphogypse à mesurer : - un conteneur avec un mélange 241 Am et 133 Ba, avec des activités massiques respectives de 25,1 Bq.g -1 et 21,1 Bq.g -1 à la date du 20/02/07, - un conteneur avec un mélange multi-gamma, issu de tests inter-laboratoires, PTI R52 préparé par le LNE-LNHB, (mélange de 57 Co 60 Co, 65 Zn, 85 Sr, 88 Y, 113 Sn et 124 Sb avec une activité massique totale de 1 Bq.g -1 ), - un conteneur avec du 210 Pb d activité massique 75,7 Bq.g -1 le 01/02/2002. Chaque conteneur est préalablement traité avec une solution d entraîneur selon la procédure suivante : - remplissage des conteneurs avec une solution d entraîneur, - stockage pendant 24 heures, - le conteneur est vidé et séché. Ce traitement permet la saturation des parois du conteneur en isotopes stables afin d éviter lors du remplissage l adsorption par les parois des isotopes radioactifs contenus dans l échantillon, ce qui pourrait compromettre l homogénéité de l échantillon et, par là même, la qualité des résultats. Pour le mélange 241 Am et 133 Ba, la composition de la solution d entraîneurs est de 10 µg.g 1 de EuCl 3 et de 39 µg.g -1 de BaCl 2,2H 2 O dans HNO 3 1M. Pour la solution issue de l exercice PTI R52, la solution d entraîneurs est un mélange à 10 µg.g -1 de chaque élément sous forme de sel (CoCl 2,6H 2 O ; YCl 3,6H 2 O ; SnCl 4,5H 2 O), de 11 µg.g -1 de strontium sous forme de SrCl 2,6H 2 O et de 26 µg.g -1 de zinc sous forme de ZnCl 2 dans HCl 2N. Pour la solution de 210 Pb, la solution d entraîneur est une solution de Pb(NO 3 ) 2 dont la concentration est de 20,7 µg.g -1 soit 13 µg.g -1 en plomb dans HNO 3 1M Remplissage des conteneurs avec les solutions étalons Chaque couvercle de conteneur est percé de deux trous, comme le montre la figure 12, avec un pas de vis pour permettre le remplissage de la solution. Celle-ci est introduite grâce à une pipette de 10 ml par l un des trous. Il faut que chaque conteneur soit complètement rempli sans bulle d air résiduelle pour obtenir un étalon parfaitement homogène. En fin de remplissage, la solution est introduite jusqu à effleurement de celle-ci au sommet des trous. La première vis est alors mise en place alors que dans le même temps le surplus de solution est prélevé grâce à une pipette. Lors du serrage de la vis, un joint en silicone est placé en dessous afin d assurer l étanchéité. 16

17 Une fois la première vis fixée, la seconde est vissée en prenant garde à ne pas laisser de bulle d air dans le conteneur. Tout comme pour la première vis, le surplus de solution est enlevé au fur et à mesure. L opération d étanchéité, au moyen du joint en silicone, est répétée sur la deuxième vis. L ensemble est laissé à sécher pendant 24 heures pour s assurer que les joints en silicone sont bien secs. Toutes les opérations de remplissage sont réalisées par pesées, les conteneurs étant pesés vides puis une fois remplis. La figure 12 montre les conteneurs étalons de la solution PTI R52 et du mélange 241 Am- 133 Ba. Figure 12 : Conteneurs remplis des solutions étalons PTI R52 et du mélange 241 Am- 133 Ba Les caractéristiques de remplissage des conteneurs se trouvent dans le tableau 2 suivant : Masse (g) Incertitude (g) Densité PTI R52 202,567 0,060 1, Am- 133 Ba 201,309 0,060 1, Pb 200,681 0,060 1,0001 Tableau 2 : Caractéristiques des conteneurs étalons Remplissage du conteneur avec l échantillon de phosphogypse Une vingtaine d étapes environ ont été nécessaires au remplissage du conteneur avec l échantillon de phosphogypse. A chaque étape, une petite quantité d échantillon est introduite avec une spatule dans le volume du conteneur (Figure 13a), et l ensemble est tassé grâce à un pilon métallique de diamètre inférieur au diamètre interne du conteneur (Figure 13b). 17

18 a) Remplissage du conteneur b) Tassement de l échantillon Figure 13 : Représentation des deux phases d une étape Le conteneur est entièrement rempli afin de ne pas laisser d espace vide pouvant entraîner une accumulation de 222 Rn dans cet interstice ce qui, comme pour les solutions étalons, poserait un problème d homogénéité de l échantillon. La Figure 14 montre le conteneur une fois rempli. Figure 14 : Conteneur rempli de phosphogypse Une fois le conteneur rempli de phosphogypse, la dernière étape consiste à mettre en place un couvercle plein fixé sur l ensemble au moyen de vis, l étanchéité étant assurée par un joint. La figure 11 montrant le schéma de principe du conteneur permet de visualiser la partie du couvercle s emboitant sur le conteneur assurant ainsi le tassement de l échantillon et par la même l absence d espace propice à la migration de 222 Rn. Le conteneur est pesé vide puis rempli pour déterminer la masse de phosphogypse introduite. Une masse de (203,336 ± 0,020) g de phosphogypse a été introduite dans le conteneur Détermination de la teneur en eau du phosphogypse Les résultats demandés par l AIEA devant être fournis pour de la masse sèche, il faut déterminer la teneur en eau de l échantillon une fois conditionné. Pour cette détermination, le protocole fourni par l AIEA a été suivi scrupuleusement. Trois fractions d environ 5 g d échantillon sont introduites dans des béchers, pesées et mis à l étuve pendant une nuit à 80 C. Après une nuit, les échantillons sont de nouveau pesés après refroidissement dans une boite en plexiglas contenant un dessiccant. La masse d eau évaporée est calculée par différence de pesées. Le rapport masse d eau sur masse d échantillon est ensuite calculé. Les résultats sont présentés dans le tableau 3 ci-après : 18

19 Masse d échantillon* (g) Masse d eau (g) Incertitude (g) Rapport 4,5294 0,0430 0,0006 9,5E-03 5,3576 0,0489 0,0006 9,1E-03 4,9289 0,0448 0,0006 9,1E-03 Moyenne 9,2E-03 Ecart-type 0,2E-03 Tableau 3 : Résultats obtenus sur les fractions de 5 g * les masses données dans le tableau sont les masses avant le passage à l étuve. Bien que cela ne soit pas demandé dans le protocole, la même opération est réalisée sur le conteneur et les résultats sont présentés dans le tableau 4 : Masse d échantillon (g) Masse d eau (g) Incertitude(g) Rapport 203,336 1,534 0,020 7,5E-03 Tableau 4 : Résultats obtenus sur l échantillon de phosphogypse Une petite différence entre la valeur moyenne du rapport trouvée pour les petites fractions et le rapport pour l échantillon complet peut être observée. Le phosphogypse absorbant l humidité ambiante, on peut expliquer cette différence par le fait que le conteneur est étanche alors que ce n est pas le cas des trois prélèvements qui se trouvaient à l air libre. 4. Etalonnage 4.1 Conditions de mesure en sources liquides Les sources étalons réalisées, il est possible d étalonner le détecteur. Chaque source est placée à trois distances différentes : contact, 5 cm et 8 cm. Pour les résultats, les spectres à 8 cm seront utilisés mais les deux autres acquisitions devraient permettre d observer les problèmes de coïncidences et l impact qu ils peuvent avoir sur les résultats en fonction de la distance. Le temps d acquisition à 8 cm est de 3 jours pour le mélange 241 Am- 133 Ba et pour la solution R52. La solution étalon de plomb a été mesurée pendant 5 jours. Le spectre obtenu pour la solution R52 est donné sur la figure 15 à titre d exemple : 19

20 Figure 15 : Spectre de la solution étalon du mélange R52 A ce stade, les trois spectres obtenus sont étudiés et le surfaçage des pics effectué. Ce surfaçage peut être réalisé automatiquement mais il est préférable de faire une vérification pic par pic et de faire un ajustement le cas échéant. 4.2 Résultats Dans un premier temps, il faut créer dans le logiciel Interwinner, pour chacune des solutions étalons, un fichier d activité spécifiant les caractéristiques des solutions étalons à la date de référence. Dans ce fichier, on indique le radionucléide que l on doit trouver dans le spectre ainsi que son activité avec l incertitude qui lui est associée. Sur la figure 16 est présenté le fichier réalisé pour le mélange R52. Figure 16 : fichier d activité du mélange R52 Le même processus est appliqué pour les deux autres solutions. Il est très important, lors de ces opérations, de vérifier la date de référence de chacun des fichiers d activité. En effet, le 20

21 logiciel qui utilise ces fichiers pour l étalonnage, recalcule la surface de chacun des pics des radionucléides de chaque solution étalon à la date de référence (celle indiquée dans le fichier d activité) de la solution étalon. Une fois ces opérations terminées, il faut établir la courbe de rendement de notre détecteur appelée dans Interwinner «courbe d efficacité». Pour cela il faut faire : Fichier Ouvrir courbe d efficacité nouvelle et donner un nom à la courbe de rendement que l on souhaite créer. Puis, il faut spécifier que l on souhaite utiliser les trois spectres que nous venons de réaliser. Pour cela, faire : Traitement Utiliser spectre Entrer le nom du spectre. A ce stade, le programme demande le fichier d activité correspondant au spectre que nous venons d appeler. Après avoir vérifié les données s affichant sur l écran et choisi une «nature de courbe» de type ln(eff)=p[ln(e)], il faut valider. Cette opération est à renouveler pour chacune des solutions étalons. La courbe de rendement qui se trace au fur et à mesure doit encore être affinée car certains points pris en compte sont complètement en dehors de la courbe de régression. En effet, les points à 1325,51 et à 1355,11 kev de 124 Sb ainsi que celui à 2734,09 kev de 88 Y ne peuvent s intégrer à la régression obtenue. Leur faible intensité d émission, synonyme d un faible nombre de coups sous le pic correspondant, explique l écart par rapport à la courbe obtenue. L expérience de ce type d étude incite à supprimer ces valeurs afin d éviter un décalage de la régression dans cette gamme d énergie. La courbe obtenue est représentée sur la figure 17 ci-après: Figure 17 : Courbe de rendement obtenue sur Interwinner Afin de pouvoir travailler sur toute la gamme de mesure qui nous intéresse, une extrapolation aux faibles énergies est effectuée pour bien prendre en compte la chute du rendement, ce qui au niveau du lissage a une très légère incidence sur les autres points de la courbe à des 21

22 énergies supérieures. De plus, nous avons aussi extrapolé à 3000 kev dans l optique de pouvoir mesurer la raie gamma à 2614 kev de 208 Tl. La régression obtenue pour notre courbe de rendement est de degré Détermination des coefficients d atténuation de la matrice Lorsque l échantillon est conditionné, après un mois de stockage, il va être mesuré dans des conditions géométriques strictement identiques aux conditions d étalonnage du détecteur puisque les solutions étalons liquides ont été spécialement préparées dans ce but (paragraphe 3.3). Comme nous l avons évoqué au paragraphe 2.2, même si l échantillon et les solutions étalons ont des densités très proches, il faut quand même tenir compte de la différence d autoatténuation lors des deux mesures. 5.1 Détermination de la correction d autoatténuation La détermination de l autoatténuation dans un échantillon s exprime de la manière suivante : 1 C aut = ( 1 exp( µ ( E) / ρ) ρ x) (1) µ ( E) / ρ ρ x ( ) Expression dans laquelle µ(e) est le coefficient d atténuation linéique de l échantillon exprimé en cm -1, ρ est la masse volumique de ce même échantillon en g.cm -3 et x son épaisseur en cm. La correction d autoatténuation devant permettre de réaliser des mesures sur l échantillon de phosphogypse après un étalonnage sur des solutions de HNO 3 ou de HCl étalons, il est nécessaire de faire le rapport des autoatténuations entre ces deux matrices. Le coefficient de correction pour une solution HCl s exprime alors comme suit : C corr = ( µ ( E) / ρ) ( µ ( E) / ρ) Sol Phos ( 1 exp( µ ( E) / ρ) Phos ρ x) ( 1 exp( µ ( E) / ρ) ρ x) Sol (2) Pour la solution étalon de HCl, la densité est de 1,033 g/cm 3. De plus, on sait qu il s agit d une solution à 2 mol.l -1 ce qui permet d en déduire la composition massique. A partir de celle-ci, il est possible d obtenir la courbe de µ(e)/ρ grâce au programme XCOM [5] ; cette courbe est représentée sur la figure 18. Les coefficients d atténuation massique, pour la gamme d énergie nous concernant, sont ainsi connus pour les solutions étalons. Au regard de l équation (2), la seule inconnue subsistant dans l équation est le coefficient d atténuation linéique du phosphogypse. Sa densité a été préalablement déterminée lors du conditionnement de l échantillon et est de 1,028 g.cm

23 10 1 µ en cm 2 /g 0,1 0, Energie en kev Figure 18 : Courbe des coefficients d atténuation massique des solutions étalons HCl 2N 5.2 Détermination du coefficient d atténuation linéique du phosphogypse Principe La détermination du coefficient d atténuation linéique d un échantillon se fait en utilisant la loi de Beer-Lambert qui est rappelée ci-dessous : I µ ( E ) x ( E) I ( E) e = 0 (3) Expression dans laquelle I 0 est le faisceau parallèle de photons incidents, I le flux de photons transmis à travers l échantillon, µ le coefficient d atténuation linéique que l on cherche à déterminer en cm -1 et x l épaisseur de l échantillon en cm. L expression de µ est donc la suivante : 1 I 0 ( E) µ ( E) = ln (4) x I E L incertitude-type associée à la mesure de µ(e), u(µ), est donnée par la loi de propagation des incertitudes appliquée à l équation (4) ce qui permet d obtenir l équation (5) suivante : ( ) 2 u ( µ ) 2 µ 2 2 ( x) 1 u ( I) u ( I ) 2 u = x I I I 0 0 ln I 0 (5) 23

24 Les mesures des sources étalons et du phosphogypse sont réalisées dans le même conteneur il faut donc s affranchir de celui-ci, c est pourquoi deux acquisitions sont réalisées comme le montre le schéma de principe ci-après : I S I S Conteneur vide I 0 Phosphogypse I a) 1 ère mesure b) 2 ème mesure Figure 19 : Schéma de principe de la détermination du µ du phosphogypse Ces deux étapes permettent de s affranchir de conteneur et de ne quantifier que l atténuation liée au phosphogypse. Les mesures sont réalisées pour plusieurs sources multi-gamma afin de pouvoir établir la courbe µ(e) pour le phosphogypse de manière similaire à celle obtenue sur XCOM pour les solutions étalons Dispositif expérimental Pour pouvoir obtenir la courbe µ(e) sur la gamme d énergie qui nous intéresse, nous avons utilisé quatre sources : - une source de 137 Cs n 206, - une source de 133 Ba n 17969, - une source de 241 Am n 518A, - une source de 152 Eu n Ces sources permettent de couvrir une gamme d énergie allant de 26,34 kev (pic de 241 Am) à 1408,01 kev (pic de 152 Eu). Le montage expérimental utilisé est présenté ci-dessous : Source Conteneur vide Collimateurs Détecteur Figure 20 : montage expérimental 24

25 Les collimateurs en plomb présents sur la figure 20 sont ceux utilisés pour 152 Eu. En effet, pour s assurer que le faisceau de photons arrivant sur l échantillon est parfaitement parallèle les collimateurs sont dimensionnés pour arrêter les photons diffusés. Dans ce cas précis, l épaisseur totale des collimateurs en plomb était de 6,8 cm ce qui arrête 98,2 % des photons de 1408,01 kev, énergie la plus élevée de 152 Eu. L ensemble des éléments utilisés est mis en place au moyen d un niveau à bulle pour s assurer du parallélisme du faisceau de photons. Le montage étant en place, seul le conteneur vide ou celui contenant le phosphogypse bouge. Une acquisition est effectuée pour les deux configurations avec chacune des sources utilisées, ce qui correspond à huit spectres Résultats Les résultats obtenus sont présentés dans le tableau ci-après. Le surfaçage des pics des différents spectres a été effectué au moyen du logiciel Maestro. N ont été retenus pour nos mesures que 20 pics présentant une statistique de comptage suffisante. Source Energie I (kev) 0 /I µ (cm -1 ) µ/ρ (cm 2.g -1 Incertitude Incertitude ) relative(%) absolue (cm -1 ) 241 Am 26,4 80,167 1,754 1,693 1,0 0, Eu 39,5 8,213 0,8423 0,8133 0,42 0, Eu 45,5 4,707 0,6196 0,5983 0,54 0, Ba 53,2 3,215 0,467 0,451 1,5 0, Am 59,5 2,437 0,3564 0,3441 0,45 0, Ba 80,9 1,777 0,2300 0,2221 0,53 0, Eu 122,8 1,502 0,1628 0,1573 0,73 0, Eu 244,7 1,376 0,1276 0,1232 3,2 0, Ba 276,4 1,349 0,1197 0,1156 2,7 0, Ba 302,9 1,318 0,1104 0,1066 1,7 0, Eu 344,3 1,314 0,1091 0,1054 1,6 0, Ba 356,0 1,303 0,1057 0,1021 0,95 0, Ba 383,9 1,287 0,1009 0,0974 2,3 0, Cs 661,7 1,231 0,0833 0,0804 0,84 0, Eu 778,9 1,212 0,0769 0,0743 2,4 0, Eu 867,4 1,190 0,0697 0,0673 5,6 0, Eu 964,1 1,184 0,0677 0,0654 2,2 0, Eu 1086,41 1,169 0,0625 0,0604 3,3 0, Eu 1112,1 1,174 0,0640 0,0618 2,4 0, Eu 1408,0 1,149 0,0555 0,0536 1,8 0,0010 Tableau 5: résultats obtenus pour le coefficient d atténuation linéique du phosphogypse Ces résultats permettent d obtenir la courbe présentée sur la figure 21 : 25

26 Figure 21 : Courbe des coefficients d atténuation massiques du phosphogypse La figure 22 compare les deux courbes des coefficients d atténuation massique de l acide chlorhydrique et du phosphogypse. Figure 22 : Superposition des courbes des coefficients d atténuation massiques 26

27 La superposition des deux courbes permet de mettre en évidence que, pour les énergies inférieures à 100 kev, le coefficient d atténuation du phosphogypse est beaucoup plus important que celui des solutions étalons ce qui entraîne une forte correction. Au delà de 100 kev, c est le coefficient d atténuation massique des solutions étalons qui est légèrement plus élevé que celui du phosphogypse mais la correction reste toujours inférieure à 1 %. La courbe de correction de l autoatténuation obtenue dans Interwinner est donc la suivante : Figure 23 : Courbe de correction de l autoatténuation obtenue sur Interwinner Remarque : Pour obtenir cette courbe il a fallu extrapoler la courbe donnant les coefficients d atténuation massique du phosphogypse jusqu à plus de 2600 kev afin de pouvoir par la suite, lors de l exploitation des résultats, utiliser la raie de 208 Tl à 2614,51 kev. Il faut souligner que cette raie n est pas la seule permettant de déterminer l activité de 208 Tl, mais elle nous permettra de valider les résultats obtenus avec des énergies plus faibles. 6. Mesure de l échantillon 6.1 Conditions de mesures Les mesures ont lieu environ un mois après le conditionnement de l échantillon afin que l équilibre de la chaîne de 238 U soit rétabli. En effet, avant le conditionnement de notre échantillon, le 222 Rn qui est un gaz s échappe et la chaîne n est plus à l équilibre. Notre matrice de phosphogypse, qui possède un joint d étanchéité et maintient le 222 Rn dans l échantillon, permet en attendant environ dix périodes du 222 Rn (3,82 jours) de rétablir l équilibre avec le 226 Ra. Des mesures sont réalisées dans différentes conditions : au contact, à 5 cm et à 8 cm. Comme prévu, les mesures effectuées au contact laissent apparaître des problèmes liés aux coïncidences. Les spectres à 8 cm sont donc utilisés pour fournir les résultats officiels à 27

28 l AIEA, et le dépouillement des spectres à 5 cm a permis de confirmer les résultats obtenus. Les temps de mesure pour les trois spectres à 8 cm sont de 838 h, 504 h et 520 h. 6.2 Acquisitions Spectre de mouvement propre Le spectre de mouvement propre a été réalisé sur une durée de 838 h qui est également la durée d acquisition du spectre réalisé à 8 cm. Figure 24 : Spectre du bruit de fond réalisé sur 838 heures Ce spectre permet de prendre en compte la contribution déjà existante de certains pics, inhérente à l installation Spectre de mesure Le spectre présenté sur la figure 25 est obtenu pour un temps de comptage de 838 h. Cet exemple montre la complexité du traitement de ce type de spectre dans la mesure où l on dénombre 182 raies ce qui implique un grand nombre d interférences entre les différents éléments des chaînes à étudier. 28

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