La radioactivité Naturelle
Laboratoire d'accueil : CEA/SAp - Saclay
Correspondant :

Pascal GALLAIS

Tel : 01 69 08 71 62

Lieu du stage :

CEA - Saclay

l'Orme des Merisiers - Bâtiment 709 - bureau 2208

 

Cette séance de travaux pratiques a pour but de faire découvrir la radioactivité et notamment sa composante naturelle. Grâce à une chambre à brouillard, les étudiants visualiseront le rayonnement d’origine cosmique, puis à l’aide d’une chaîne de détection gamma ils étudieront la composante tellurique, notamment le radon. Après cette approche qualitative les étudiants devront calculer le débit de dose reçu au laboratoire en provenance d’une des sources naturelles les plus importantes : le potassium 40.

La Terre et le ciel sont radioactifs

Il existe une radioactivité naturelle à laquelle il est vain de vouloir se soustraire et dans laquelle notre espèce baigne depuis son apparition. Cette radioactivité fluctue largement selon les lieux, en fonction des types de sol et de l’altitude. Elle provient à la fois du sol et de l’espace.

Le rayonnement tellurique

La majeure partie de la radioactivité naturelle vient de la présence dans la croûte et le manteau terrestre de thorium 232 (1,6 1014 tonnes), d’uranium 238 (5 1013 tonnes) et dans une moindre mesure d’uranium 235 (3,5 1011 tonnes). Le potassium, largement répandu sur Terre et essentiel à la vie, y contribue via son isotope instable, le potassium 40. Cette masse de radioéléments s’amenuisent avec des périodes de l’ordre du milliard d’années. Ces éléments et leurs descendants radioactifs présents en trace dans les sols et dans les matériaux de construction (pierre, brique, béton, plâtre…) contribuent par irradiation directe pour environ un sixième, soit 0,5 mSv/an, à l’irradiation naturelle de notre organisme.La moitié de la dose de radioactivité naturelle, soit 1,5 mSv/an, vient d’une seule source, le gaz radon 222. C’est le seul descendant radioactif de l’uranium 238 qui soit gazeux, ce qui lui permet de remonter en surface et de diffuser dans les volumes. Les descendants du radon (plomb, bismuth, polonium) ont des émetteurs alpha à vie courte qui sont inhalés et se fixe dans les alvéoles des poumons. C’est la contribution majeure à la radioactivité naturelle et aussi la plus susceptible de variation locale. Alors que la concentration moyenne en France est de 60 Bq/m3 , elle peut atteindre 1000 à 10000 Bq/m3 dans une grotte souterraine ou une maison de granit mal ventilée. L’irradiation naturelle des descendants du radon est un risque sanitaire important pour les mineurs qui extraient l’uranium.Nous absorbons aussi dans les eaux et les aliments des traces de ces éléments telluriques auquel s’ajoute le potassium 40. La dose engagée par ingestion d’aliment et de boissons compte pour 0,5 mSv/an.

Le rayonnement cosmique

Une fraction de la dose naturelle nous vient directement de l’espace : les rayons cosmiques de haute énergie nous transperce au rythme de 1 par cm2 et par seconde. La dose est de 0,3 mSv/an au niveau de la mer. Comme l’atmosphère joue un rôle d’écran protecteur contre les rayons cosmiques, la dose est doublée lors d’un séjour à 2000m d’altitude et elle est nettement plus élevée lors d’un vol aérien en haute altitude où l’atmosphère devient très ténue.En résumé, en France, la dose moyenne d’origine naturelle vaut 3 mSv/an, due, pour moitié au gaz radon et à ses descendants, et pour l’autre moitié, à parts sensiblement égales, à l’ingestion d’aliments et de boisson, à l’irradiation directe par les sols et les murs et enfin au rayonnement cosmique.

Etude du rayonnement cosmique
    dispositif : la chambre à brouillard. Une chambre à brouillard est installée dans le hall d’entrée du bâtiment de physique nucléaire. Cette chambre permet de visualiser les particules secondaires issues de l’interaction du rayonnement cosmique avec la haute atmosphère. Au niveau de la mer, ces particules secondaires sont principalement des muons de grande énergie. Calcul de la dose reçue par les cosmiques

En vous inspirant du calcul détaillé dans la note notion de radio protection (annexe 3), et en utilisant l’abaque 5.12 de l’annexe 2, calculez la dose annuelle induite par les muons au niveau de la mer.

Etude du rayonnement tellurique
    Dispositif : le détecteur gamma Germanium
    Lecture du document : la spectroscopie gamma et X à l’aide de détecteurs semi-conducteur Mise en œuvre de la chaîne d’acquisitionObservez les impulsions en sortie du préamplificateur.Observez les impulsions en sortie de l’amplificateur de mise en forme. Après lecture de l’annexe Ibis et manipulations de l’amplificateur de mise en forme, commentez le rôle du "shaping time". Réglez le pôle zéro. Réglage du gain pour avoir une gamma de 20 keV à 3 MeV sur les 16k de codageA l’aide d’une source de 60Co, ajuster le gain de l’ampli afin d’obtenir la dynamique souhaitée. Etalonnage en énergie. Vérification de la linéaritéA l’aide de 3 sources " étalon ", 241Am, 137Cs, 60Co et de l’annexe 4, étalonnez la relation canal/keV. Vérifiez la linéarité de cette relation. Calcul de la résolution en énergie à 1333 keVEn utilisant la source de 60Co, calculez la résolution en énergie du détecteur à 1330 keV. La résolution en énergie est un indicateur très sensible de la qualité du signal électrique en sortie du préamplificateur. Calcul de l’efficacité à 1333 keV
    Positionnez la source de 60Co à la verticale du détecteur en utilisant le manchon en plastique. Calculez l’efficacité du détecteur (nombre de photons détectés/nombre de photons attendus) à 1333 keV pour cette géométrie. Aidez vous de l’annexe 1 pour la géométrie du détecteur et de l‘annexe 10 pour les caractéristiques de la source. Tenez compte de la décroissance de la source.Mesure d’un échantillon d’uranium naturelA partir des spectres enregistrés, en vous aidant de l’annexe 5 et 7, identifiez les principales raies gamma et par conséquent les noyaux radioactifs émetteurs.Mesure de la radioactivité naturelle de la pièceA partir des spectres enregistrés, en vous aidant de l’annexe 5 et 7, identifiez les différentes composantes de la radioactivité naturelle, notamment la filière du radon 222.Calcul de la dose reçue par l’irradiation due au potassium
A partir des spectres de bruit de fond de la pièce, en vous inspirant du calcul de la note de radioprotection (annexe 3), calculez la dose annuelle induite par le potassium 40. Pour mener ce calcul vous devrez tenir compte de l’efficacité globale du détecteur à 1460 keV, ainsi que du facteur de forme du détecteur (annexe 6). On supposera que l’efficacité globale à 1460 keV est égale à celle mesurée à 1333 keV. Cette approximation est optimiste.
Synthèse des résultats
Comparez vos observations de la radioactivité tellurique et cosmique. Comparez ces valeurs à la dose moyenne d’origine naturelle en France.