1 commissariat a l`energie atomique description et

1
COMMISSARIAT A L'ENERGIE ATOMIQUE
DIO
DESCRIPTION ET CARACTERISAT'ON
EN EXPOSITION, DOSE ABSORBEE
ET FLUENCE DIFFERENTIELLE EN ENERGIE
DES FAISCEAUX DE PHOTONS CONSTITUANT
LES REFERENCES PRIMAIRES NATIONALES
par
Jean-Paul GUIHO, Philippe HILLION,
Aimé OSTROWSKY, Paul WAGNER
DIVISION DE CHIMIE
Centre d'Etudes Nucléaires de Saclay
Rapport CEA-R-4643
PLAN OE CLASSIFICATION DES RAPPORTS ET BIBLIOGRAPHIES CEA
(Classification du s y s t è m e international d e d o c u m e n t a t i o n nucléaire
SIDON/TNIS)
A 11
Physique théorique
C 30
Utilisation des traceurs dans les sciences de la vie
A 12
Physique atomique et moléculaire
C 40
Sciences de la vie : autres études
A 13
Physique de l'état condensé
C 50
Radïoprotcctton et environnement
A 14
Physique des plasmas et réactions thermonucléaires
A IS
Astrophysique, cosmologie et rayonnements cosmiques
D 10
Isotapes et sources d" rayonnements
A 16
Conversion directe d'énergie
D 20
Applications des isotopes et des rayonnements
A 17
Physique des basses températures
A 20
Physique des hautes énergies
A 30
Physique neutronique et physique nucléaire
B 11
Analyse chimique et isotopique
B 12
Chimie minérale, chimie oiganique et physico-chimie
B 13
Radiochimie et chimie nucléaire
B M
Chimie sous rayonnement
E
E
E
E
E
11
12
13
14
IS
16
17
20
30
Thermodynamique et mécanique des fluides
Cryogénie
Installations pilotes et laboratoires
Explosions nucléaires
Installations pour manipulation de m tériaux
radioactifs
B 15
Corrosion
B 16
Traitement du combustible
B 21
Métaux et alliages (pteduction et fabrication)
E
E
E
E
B 22
Métaux et alliages (structure et propriétés physiques)
£40
Instrumentation
B 23
Céramiques et cermets
E 50
Effluents et déchets radioactifs
B 24
Matières plastiques et autres matériaux
B 25
Eitets des rayonnements SUT les propriétés physiques
des matériaux
Sciences de la terre
C 10
Action de l'irradiation externe en biologie
C 20
Action des radioisotopes et leur cinétique
F
F
F
F
F
F
Economie
B 30
10
20
30
40
S0
60
Accélérateurs
Essais des matériaux
Réacteurs nucléaires (en général)
Réacteurs nucléaires (types)
Législation nucléaire
Documentation nucléaire
Sauvegarde et contrôle
Méthodes mathématiques et codes de calcul
Divers
Rapport CEA-R-4643
Cote-matière de ce rapport : D.10
DESCRIPTION-MATIÈRE (mots clefs extraits du thesaurus SIDON/INIS)
en français
en anglais
DOS1METRIE
DOSIMETRY
ETALONNAGE
CALIBRATION
NORMES D'ETALONNAGE
CALIBRATION STANDARDS
DOSES DE RAYONNEMENT
RADIATION DOSES
DENSITE DE FLUX
FLUX DENSITY
DOMAINE 10 - 1 0 0 KEV
KEV RANGE 1 0 - 1 0 0
DOMAINE 100
KEV RANGE 1 0 0 - 1 0 0 0
1050 KEV
DOMAINE 01 • 10 MEV
MEV RANGE 01 • 10
RAYONNEMENT GAMMA
GAMMA RADIATION
DEBITS DE DOSE
DOSE RATES
DOSIMETRES CALORIMETRIQUES
CALORIMETRE DOSEMETERS
INFLUENCE DE L'ENERGIE
ENERGY DEPENDENCE
FAISCEAUX DE PHOTONS
PHOTON BEAMS
- Rapport CEA-R-4643 -
Centre d'Etudes Nucléaires de Saclay
Division de Chimie
Laboratoire de Métrologie des Rayonnements Ionisants
DESCRIPTION ET CARACTERISATION EN EXPOSITION,
DOSE ABSORBEE ET FLUENCE DIFFERENTIELLE
EN ENERGIE DES FAISCEAUX DE PHOTONS
CONSTITUANT LES REFERENCES PRIMAIRES NATIONALES
Jean-Paul GUIHO, Philippe HILLION, Aimé OSTROWSKY,
Paul WACNER
- Décembre 1974 -
CBA-R-4643 - GUIHO J e a n - P a u l , M L L l Q l f f M l i p * » , 0STR0W5XY Mme, , • '. \
- MGNER. P a u l . - • .-..
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DESCRIPTION ET CARACTERISAT ION EN EXPOSITION, DOSE AI90RIEE ET >LUENCE-;
DIFFERENTIELLE EN ENERGIE DES FAISCEAUX DE PHOTONS CONSTITUANT LBS ../.'
REFERENCES PRIMAIRES NATIONALES,
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Sommaire.- I l e s t indispensabie'd' é t a b l i r , pour l t ' d o s i i r f l r ï t , . W S'/s-' i
tene cohérent de références qui permettent''!'de r e l i e r ' o n t r e r e l l e s i / l e s ' i
interconparaisons nationales e t i n t e r n a t i o n a l e s , l ' é t a l o n n a g e . d e ^'«fé- !
rêncés s e c o n d a i r e s , l ' é t u d e e t l a comparaison de diverses, techniques-:..• ]
de^ansure. En.ce qui-concerné l a dosimetric' des chuapa =dà. faronneMnts: |
électromagnétiques,-plutôt- que de c h o i s i r pour é t a l o n s 3e* -3ftecteùrs',' !
,1e Bureau N a t i o n a l e s Métrologie a retenu comme références p'riMeires
|
des faisceaux qui. s o n t en raison de l a d i v e r s i t é des aunlicat'lonsV"
r é p a r t i s en é n e r g i e . Chacun de ces faisceaux é t a n t c a r a c t é r i s é par <V- .
toutes les irnndettTS dosSoétriques propres •* d é c r i r e un . champ â V r a d i a -;
t ï o n s ; fluoncft d i f f é r e n t i e l l e en-énergie,! e x p o s i t i o n , , dos»', absorbée. '-.
dans un m i l i e u de-référence-; c e . s y s t è n e p * n e t d ' é t a b l i r « M .relations !
entre l e s diverses façons''de- d é c r i r e un mtm* .phénomène" physique*'. Les - exactltudes SUT l a d é f i n i t i o n de ces faisceaux .en débit d 9 X p o s . l t i o a ' :
e t en dose absorbée v a r i e n t , d e 1,1 .j-. 1,7 i , ' '
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1974 •Commissariat-A l!En*rgïe Atomique - Eraii'çe .
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CEA-R-4643 - GUI HO Jean-Paul, MILLION P h i l i p p e . OSTROMSET Aimé/ "- '•
WAGNER Paul _.."-<
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• DESCRIPTION AND CHARACTERIZATiON OF THB^PHOTbV'.NAnONAL'PRIHARY ; ''" • STANDARDS BY ENERGY- FLUX DENSITY, EXPOSURE AND/AsSORBEB ;I»SB>.'^ . i ^ ,.
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rSumary,-' l e i s absolutely,; netiessaty 'to,est«yiisa^fqfidosiaMtT^rtri>0'
- s e s - a coherent referencé~sy>tem which; a l l o w t :^co*mectiÔri ^t^'mwM.nal
,. and i n t e r n a t i o n a l intereoaparisons^ s t e ^ é ^ i t a t i o n o f iec©»dary ,*éfè-X
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rimary références *- Beams with -êneT|^es?.ce«irisff-th» -xeiige ^6Ï '.jrfmticàî.
nt'erest hâve b*es-defitted,v>ach~aa#'.b»iRg:!eM
.metric q u a n t i t i e s . u s e d . i r i - t h e , . d é s c r . Î p £ l o t e ^
^ f i e l d : energy flux density* exposureshd a W b r b e d ^ e ^ t ' i * ^ » r e t t « « c *
, medium ; such a s y s t è a allows ,the;,'«VtBblisftment^àf. ti«..Tfiatt6*S':;b«t-;;.
ween thé d i f f e r e n t Mays o f / d e s c r i b i n l ' J t ' S à m . p h y s i c a l ; p h e ^ l w n V . . P r c r , '
c i s i o n s of t h e . b e a u definiciQa*'Mith.-«xpoâure-Md/absorb^
between 1.1 a n ! 1,7 • i . ? .*,." iï'£-^J?*';V 'v^è *'.- •'." "**i "!"--' '.'-'- ->'.^•1974 - Commissariat'ft l'Energie Atomique r-Freac* « - .
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J
SOMMAIRE
I
- Introduction
II
- Motivations du choix des faisceaux pour references
III - Description et caractéristiques des faisceaux
III - 1
III - 2
IV
- Définition des faisceaux en débits d'exposition
IV
IV
IV
V
VI
Généralités
Caractéristiques des ensembles de collimation
- 1
- 2
-3
Méthodes
Résultats
Observation importante
- Définition des faisceaux en fluence différentielle en énergie
V
V
- 1
- 2
V
- 3
V
- 4
Introduction
Rappel des principes généraux de la méthode
expérimentale utilisée
Résultats
a) Faisceau au Cobalt 60
b) Faisceau au Caesium 137
Conclusion
- Définition des faisceaux en dose absorbée
VI
VI
- 1
- 2
VI
VI
VI
VI
-
3
k
5
6
Introduction
Considérations sur le milieu de référence choisi
et les conditions de mesure
Description des calorimètres
Principe de la mesure
Etalonnage
Résultats
VII - Conclusion
- 1 I
-
INTRODUCTION
L'un des problèmes majeurs poux l'utilisateur médical ou
industriel de rayonnements ionisants est d'obtenir, puis de
conserver un étalonnage correct de son dosimètre de travail
pour les différents types de faisceaux utilisés. L'exactitude
flur les doses délivrées est, bien entendu, directement liée
à celle de cet étalonnage»
Il eat clair, qu'à l'échelon d'un pays, l'ensemble des
mesures depuis l'étalon le plus élaboré, jusqu'à l'instrument le plus simple, forme un tout qui doit être convenablement structuré afin que la connaissance soit répercutée avec
le minimum de pertes*
Dans ce but, le Bureau National de Métrologie a défini le
concept de "chaîne d'étalonnage" et chargé le L.M.R.X. de
concevoir puis de caractériser les références primaires
françaises, dans le domaine de la Métrologie des Rayonnements
Ionisants.
t
Ces références doivent permettre :
- de relier les intercomparaisons nationales et internationalep entre-eJles,
1
- I étalonnage de références secondaires qui assureront la
cohérence des mesures sur le plan national,
- l'étude et la comparaison des diverses techniques de mesure.
Pour la dosimetric, qui, rappelons le, est 1'étude dans
le temps et dans l'espace du "dépôt" d'énergie par les radiations ionisantes dans leur traversée d'un milieu, nous
nous sommes attachés* dans un premier stade, à définir des
références pour les rayonnements électromagnétiques.
Il existe, pour caractériser ce type de champ de radiations, trois grandeurs principales ;
- deux grandeurs macroscopiques : l'exposition et la dose
absorbée,
- une grandeur analytique : la fluence différentielle en
énergie*
_ 2 -
Dès 1969, avec l'accord
et l'aide du B.N.M., nous avons
réalisé une première génération de références £*D Q 2 ] T 3 3
constituée de faisceaux dont les énergies sont respectivement de : 6 0 , 660 et 1250 keV. Ces faisceaux de grande
pureté spectrale, mais de faibles débits de fluence ne p o u vaient être caractérisés en dose absorbée compte tenu de
la sensibilité de la méthode de mesure directe de
cette
grandeur. Ceci nous a conduit à mettre en oeuvre une seconde famille de faisceaux à forts débits de fluence qui,
cette fois, sont caractérisés par les trois grandeurs p r é c i tées.
_ k
-
III. DESCRIPTION ET CARACTERISTIQUES DES FAISCEAUX.
III.1. Généralités.
Lorsqu'un faisceau de photons traverse un milieu matériel il
est modifié par les interactions élémentaires que subit une partie des
photons qui le composent. Ces interactions dégradent son spectre émargé tique.
Il est donc important de minimiser cette déformation spec ..-'ale
en choisissant d'une façon judicieuse :
- les dimensions des sources de rayonnement,
- les caractéristiques des ensembles de collimation,
- la nature de l'environnement.
En fait* les parant-ti as géométriques de ces trois éléments déterminent
la forme et la qualité des faisceaux.
La figure n* 2 nous donne une vue schématique de la salle
ayant servi à 1* implantation des fa lac eaux priais ires de référence.
Sa hauteur est de dix mètres et afin de réduire les diffusions le toit, qui est la seule paroi irradiée, est constitué >i*une
double coupole en plexiglass. Compte-tenu des contraintes imposées par
les mesures calorimétriques cette salle est, dans sa partie inférieure,
régulée en température à + 0,1 degré celsius.
Comme il esi dit plus haut, afin de réduire la déformation
spectrale des photons incidents, nous avons cherché à nous p .'ocurer
des sources de rayonnement aussi ponctuelles que possible ; celles
dont nous disposons ont les caractéristiques suivantes :
- Source de cobalt 60 : activité massique «, 360 Ci.g"
0 : 20 mm ; h î 2,5 mm
- Source de caesium 137 : activité massique «shO Ci.g
0 : .30 mm j h Î 20 mm
- 6 point de mesure depuis 0,90 jusqu'à h mètres. Les fenêtres qui en ferment les extrémités sont en mylar ; elles ont une épaisseur de 100
microns.
La coupe schématique de 1•ensemble des installations est représentée figure 3.
Pour déterminer l'homogénéité des faisceaux, c'est-à-dire
l'étendue des zones d'isofluence, nous avons exposé des emulsions photographiques dont la densité optique a été mesurée après irradiation*
Ces mesures ont mis e»« évidence la qualité des ensembles de collimation : étendues relativement grandes des zones d'idodoses - diamètre
S cm à 1 mètre - , -zones de pénombre très réduites.
- 8 -
En procédant comme il est dit précédemment nos expériences ont portés
pour chacun des faisceaux, sur trente séries de mesures réparties sur
une période d'environ deux mois. On notera que ces séries ont toutes
été effectuées selon des conditions expérimentales différentes ; elles
comportent de 1*ordre de 200 points chacune ce qui fait un total de
3000 à 6000 mesures par faisceaux.
Pour que les résultats soient comparables ceux-ci ont été
ramenés à un temps origine pris arbitrairement au 1.06.1972*
Par des tests statistiques appropriés nous avons vérifié la
compatibilité des moyennes. Cette observation est importante car elle
a mis en évidence que les incertitudes systématiques, propres à chaque
instrumentation, étaient faibles en regard des incertitudes aléatoires.
Paz ailleurs un examen critique des conditions expérimentales ayant
montré qu'elles étaient indépendantes la composition de ces erreurs
relève donc des théories statistiques.
D'après les règles, de la statistique nous savons que la meilleure estimation de la valeur cherchée sera obtenue en pondérant les
différents résultats par le carre des précisions. La variance sur cette
moyenne de moyenne est déterminée par l'inverse de la somme des inverses des variances»
IV.2. Résultats ramenés au 1*06.1972.
Faisceau au cobalt 60
Faisceau au caesium 137
: 1527
:
483
Kh"
1
m * + 1 ,1#*
2
Hh"
1
m* + 1 ,2St*
2
•Conformément aux recommandations de "International Commission on
Radiation and Units" - report n* 12 1968 - nous avons adopté pour
exprimée l'exactitude, l'expression suivante :
jan
\
S^ + t S—
i=1
dans laquelle
y est la somme des erreurs systématiques
±
- 10 -
V
t
DEFINITION* DES FAISCEAUX EN FLUENCE DIFFERENTIELLE EN ENERGIE.
V.1. Introduction.
On peut caractériser sans ambiguïté un champ de rayonnements
électromagnétiques en un point par le nombre, l'énergie et la direction
des photons qui traversent la surface d'une petite sphère centrée sur
ce point.
Cette définition analytique d'un faisceau de photons» très
délicate à obtenir} est d'une grande utilité car elle permet notamment
de calculer les termes correctifs des méthodes qui caractérisent, soit
en exposition, soit en dose absorbée, un faisceau donné.
V.2. Rappel des principes généraux de la méthode expérimentale utilisée.
Le but recherché étant de repartir les photons par classes
d'énergie, les méthodes spectrométriques habituelles semblent indiquées.
Deux difficultés doivent cependant Ôtre surmontées :
1 - Les débits de fluence des faisceaux sont trop élevés
pour permettre l'utilisation directe d'un détecteur classique tel un
scintillateur Nal : Tl ou un semi-conducteur.
2 - Les informations fournies par ces types de détecteurs et
recueillies sur un analyseur multicanaux ne permettent pas de remonter
directement à la distribution spectrale vraie.
Soit 0(E) la fluence différentielle en énergie
*P(E) la distribution des impulsions recueillies
f
0(E)
= j <f*(E*) f(E«, E) dE'
J
où
0
f(E',E) est la fonction de transfert du détecteur pour un intervalle
donné d'énergie.
- 11 -
Le problème consiste donc à déterminer cette fonction de transfert puisque- t dans notre cas, il est possible de s'affranchir de
la première difficulté en substituant aux sources réelles des sources
"fantômes" identiques du point de vue géométrique et isotopique mais
ayant des débits de fluence compatibles avec la méthode de mesure
retenue*
Les diverses étapes expérimentales qui permettent de déterminer la fonction de transfert d un scintillateur NaX'IM ont été décrites par ailleurs J2j p j •
1
Dans le cas présent, puisque les cendi tions expérimentales
le permettaient - diamètre de la zone de pleine Illumination - nous
avons, afin de nous assurer de façon indiscutable de la validité de
la méthode, utilisé dans le faisceau au cobalt 60 deux détecteurs
ayant des caractéristiques distinctes et par voie de conséquence des
matrices de transfert différentes.
Les caractéristiques de ces deux détecteurs sont les -5Uivaiiùes :
1 - Scintibloc NaI:Tl
2 - Scintibloc NaI:Tl
1" 1 /h x 1" 32 ST 25 PM 150 AVP 08
3" x 3" ?6 S76 PM 805<* AS 02
Comme nous le verrons - paragraphe V.3 - le recoupement entre
les résultats obtenus à l'aide ae ces deux détecteurs est tout à fait
satisfaisant.
Les geometries de mesure d'une part, 1*électronique associée
aux détecteurs ainsi que les programmes et méthodes de traitement des
informations d'autre part sont celles décrites dans un précédent rapport [2J. Nous avons déterminé expérimentalement les divers paramètres
tels que le rapport pic:total et le rendement intrinsèque des détecteurs intervenant dans la méthode de dépouillement des résultats
expérimentaux•
V.3. Résultats
V.3«a. ^2^----H âS-£2^2Ïî-§2
A 1'aide des deux détecteurs décrits plus haut, nous
obtenons les pourcentages de photons diffusés suivants :
- 12 - (13,6 + 0,6) $ avec le sci ntillateur 1" 1/k x i "
- ( »5 + °» ) $ avec le scintillateur 3" x 3"
12
8
Ces deux résultats sont compatibles i la valeur retenue est
de
(13,2 î 0,5 %)L'histogramme de la répartition des photons diffusés est re-
présenté figure 4.
Le faisceau contient donc 87$ de photons ayant 1*énergie du
cobalt 60 et 13$ de photons diffusés d'énergie moyenne 0,46 MeV, soit,
pour l'ensemble des photons du faisceau, une énergie moyenne de 1,150
MeV pour une énergie nominale de 1,250 MeV»
v. 3. b.
Fa£aceau_8£_cMaiua l^Z *
A l'aide du scintillateur 1" 1/4 x 1" nous obtenons un pourcentage de photons diffusés de (20,6 + 0,6)$.
L'histogramme de la répartition de ces photons diffusés,
représenté figure 5» fait apparaître une composante importante vers
200 keV, due aux dimensions géométriques de la source qui sont relativement grandes en raison de la faible activité massique*
Afin de minimiser cette composante "molle" et d'obtenir un
faisceau présentant une qualité spectrale très proche de celle du faisceau au cobalt 60, diverses filtrations ont été étudiées. Après de
nombreux essais portant sur les compositions et les épaisseurs des matériaux, le filtre suivant a été retenu :
1 disque d'uranium, 0 : 100 mm, épaisseur : 0,5 mm
1 disque de béryllium, 0 : 100 mm, épaisseur : 0,5 mm
La présence de ce filtre diminue le débit de fluence d'environ 18$ à
0,66 MeV et d'environ 100$ à 0,2 MeV. Les photons diffusés représentent alors (12,4 + 0,6)$ du nombre total de photons présents dans le
faisceau.
L'histogramme de la répartition des photons diffusés avec
filtre est représenté sur la figure 6.
Le faisceau filtré est donc constitué de 87,6$ de photons
du ^'Cs et de 12,4$ de photons diffusés d'énergie moyenne 0,39 MeV,
soit, pour l'ensemble des photons du faisceau, une énergie moyenno égale à 0,628 MeV pour une énergio maximale de 0,662 MeV.
-
Ik
-
VI « DEFINITION DES FAISCEAUX EN DOSE ABSORBEE.
VI,1, Introduction.
Le diagramme de la figure n° 1 nous indique les différentes
voies d'accès à la dose absorbée dans un milieu donné. On remarque
que seule la technique calorimétrique permet une mesure directe de
cette grandeur, les techniques ionométriques, dosimetric chimique •.•
sont en effet tributaires de la calorimétrie pour la détermination
précise de certaines "constantes" telles que " ^ et G qui leurs
sont indispensables pour caractériser en dose absorbée un champ de
radiationLa calorimétrie est donc la technique de mesure choisie pour
caractériser en dose absorbée les faisceaux primaires de référence*
Ce travail devant faire l'objet d'une publication particulière, nous
nous bornerons ici à rappeler les principes généraux de ce type de
mesure et à décrire les étapes expérimentales essentielles.
a
r
Rappelons que la dose absorbée est le quotient de d£ par dm,
où dÇ est l'énergie communiquée par le rayonnement ionisant à un
milieu matériel dans un élément de volume, et dm est la masse de
matière contenue dans cet élément de volume.
Précisons que l'on entend par "énergie communiquée" par les
rayonnements ionisants à la matière dans un élément de volume donné,
l'écart entre la somme des énergies de toutes les particules directement ou indirectement ionisantes ayant pénétré dans ce volume, et
la somme des énergies de toutes celles qui l'ont quitté, diminuée de
l'équivalent énergétique de toutes les augmentations de masse au
repos, résultant de réactions nucléaires.
L'unité de mesure est le rad qui, par convention, est égal
2
1
à lo" J.kg" .
411,
- lb -
propre à une référence ce qui est d'une extrême importance puisque dans
le cas de la dose absorbée c'est l'ensemble faisceau milieu qui constitue la référence.
Sachant, que sous certaines réserves, il est possible de
pat'ser par calcul de la dose absorbée dans un milieu à la dose absorbée
dans un autre milieu nous avons choisi le carbone comme matériau de
référence. Le graphite retenu est de grande pureté nucléaire et une
analyse par activation nous a permis de déterminer qualitativement et
quantitativement les impuretés résiduelles dont la somme est inférieure à 1 00 ppm.
Comme il est dit plus haut il convient de définir non seulement le milieu irais encore la profondeur da mesure. Afin de faciliter l'établissement de relations ent.-e les mesures calorimétriques et
ionométriques - determination de W . par exemple - nous nous sommes
placés dans des conditions dites d'équilibre électronique. L'épaisseur
massique en amont et en aval du point de mesure est de l'ordre de
940 mg cm* , soit une épaisseur linéique de 5»5 mm pour le type de graphite utilisé(densité 1,69 £ cm"^).
2
VI«3. Description des calorimètres*
Comme pour l'exposition il résulte,du choix des faisceaux
pour références,que nous avons pu mettre en oeuvre plusieurs instrumentations différentes pour caractériser ces faisceaux en dose absorbée.
Les calorimètres retenus sont du type adiabatique. Par définition un système est en équilibre adiabatique s'il n*y a pas d•échange thermique avec son environnement. Ceci ne peut être obtenu que si
les températures du système et de son environnement sont, à tout instant, égales. Cette condition est toute théorique et dans les faits
on admettra qu'un calorimètre est adiabatique si les pertes dues aux
fui -s thermiques par conduction, convection et rayonnement » sont
négligeables en regard de la mesure.
Les calorimètres que nous avons conçus et construits se composent d'une enceinte externe en acier inoxydable et du calorimètre en
graphita proprement dit.
- 18 -
l'écran et le manteau, La contrainte physique fondamentale nous imposant d'avoir un milieu de référence pur il était exclu d*introduire
des résistances métalliques eu des bobinages dans des éléments en graphite. En effet, outre la difficulté technologique, lara&ssedes matériaux étrangers aurait représenté un pourcentage trop important de
celle des éléments en graphite - l'absorbeur ne pesé qu'un gramme - .
Rappelons encore à c> propos que tous les électrons secondaires doivent être générés dans le milieu dans lequel on définit la dose. On
ne peut donc admettre 1 présence d'éléments de numéros atomiques élevés qui créeraient un rayonnement secondaire parasite sans rapport
avec celui induit dans une masse égale de graphite.
Cette difficulté a été résolue en concevant chacun des différents éléments du calorimètre en deux parties ; nous obtenions ainsii
des disques de graphite d'épaisseur égale à 1 mm. Deux à **eux ces disques étaient ensuite collés à l*aide d'une résine époxy convenablement
chargée en graphite pour obtenir la résistance désirée ; l'épaisseur
de cette pellicule est d*environ 0,1 mm. La polymérisation de cette
résine conductrice n'est pas sans avoir une incidence importante sur
la valeur finale des résistances ; elle e.3t obtenue par des recuits et
des irradiations - de l'ordre de 1 0 rads - . L'acquisition de cette
technique de fabrication de résistances est longue et délicate mais
elle est déterminante puisque les résistances ainsi obtenues ont un
numéro atomique voisin de celui du milieu de référence choisi.
5
Les autres impuretés sont constituées par les thermistances
de mesure, les fils de connexion, 1*aluminisation des différentes parois pour réduire les pertes par rayonnement ... Les détails de ces
impuretés ainsi que leurs importance relatives sont données tableaux
1 et 2.
VZ.k. Principe de la mesure.
A une valeur fixée X le manteau du calorimètre est le siège
d'une régulation très précise en température - à mieux que 10~ degré
celsius -• Au bout d'un temps donné un équilibre interne s'établit et
Xes températures du manteau de l'écran et de l'absorbeur sont alors
égales à T .
- 19 -
1
Au cours d'une irradiation, sous l effet du rayonnement; secondaire, les températures de l'écran et de l'absorbeur s'élèvent simultanément et l'adiabaticité entre ces deux é l é m e n t est ainsi T-4FV1Îs^e. La température du manteau étant maintenue à la température de
régulation ^
il existe alors uno -°aible fuite thermique entre celui-
ci et l'écran* Ce dernier élément joue donc un rôle de "tampon thermique" entre l'absorbeur et le manteau jt les fuites sont négligeables
pour une durée d'irradiation de quelques minutes. (fi#. 9)
Nous utilisons pour détecteurs de mesure de la température
des thermistances. Elles sont constituées de matériaux dont la résistivité et par suite U
^ sistance varie très fortement avec la tempé-
rature. Le coefficient de température qui est de 3,9$ est raisonnablement constant pour les faibles variations des températures mesurées.
Le système de mesure est constitué d'un pont de Wheatstone
extrêmement précis. La therraistance étant implantée dans
l'absorbeur
constituant l'une des branches de ce p o n t , il est ainsi possible de
mesurer l'évolution de sa valeur. U n système automatique
d'acquisi-
tion de données couplé au détecteur de zéro permet u n trait ornent
statistique des résultats sur ordinateur, (fig. 1 0 ) .
VI.5. Etalonnage.
L'étalonnage consiste à. dissiper, pendant un temps donné,
une puissance électrique connue dans l'absorbeur, et à mesurer la variation ohmique due à cette dissipation, afin de pouvoir ultérieurement
la comparer aux variations ohmiques produites par le faisceau, et ainsi
en déduire la dose absorbée.
En procédant de cette manière, on suppose implicitement que
la puissance dissipée par effet Joule, équivaut physiquement à la puissance cédée par le faisceau. Or, la différence
de "nature", entre ces
deux sources d'énergie, peut être une cause d'erreur systématique. En
effet, si le faisceau provoque un échauffement homogène dans le graphite puisque les particules secondaires sont libérées quasi-uniformément dans le milieu, la dissipation électrique s'effectue au voisinage
des couches résistantes. Il s'introduit donc dans ce cas, en toute rigueur un gradient de température dans l'épaisseur de l'absorbeur. Ceci
explique la forme et la position des résistances - disques d'épaisseur
- 20 -
mince - , puisque l'on réduit ainsi l'importance de ce gradient parasite. Nous pouvons donc, de par la conception de l'absorbeur, considérer comme réellement équivalentes les deux puissances.
XI est de plus nécessaire que la dissipation soit simultanée
dans l'absorbeur et dans l'écran» afin de réaliser une adiabaticité
comparable à celle qui existe pendant une irradiation. C'est la raison fondamentale qui nous a fait introduire des résistances au graphite dans 'écran.
1
Etant donné la difficulté d'obtenir des résistances identiques, un système de compensation potenËiométrique permet de contrôler toutes les puissances individuellement, donc de les ajuster
successivement entre elles* Il devient alors possible de dissiper
dans chacun des éléments des puissances dans le rapport des masses,
et ceci avec une grande précision. Ce rapport est contrôlé avant
chaque étalonnage. On s'assure alors que l'élévation de température
est la même dans l'écran et l'absorbeur. Pendant l'étalonnage, la
puissance dissipée dans l'absorbeur est mesurée constamment. Des graphes d»étalonnage sont obtenus simultanément avec les enregistrements
numériques des données.
VI.6. Résultats.
Cocse pour la mesure de l'exposition nous avons fait varier
un grand nombre de paramètres expérimentaux et multiplié le nombre de
mesures.
Chaque étalonnage ou chaque mesure nécessite la détermination de l'évolution de la température en fonction du temps avant, durant et après l'irradiation. A cet effet, au système d'enregistrement
graphique, nous avons associé un ensemble d'acquisition de données
numériques qui, à raison de 1000 points par ne uire, nous -•armât de
traiter statistiquement les résultats sur ordinateur et ainsi de déterminer les différentes pentes -rr par la méthode de3 moindres carrés.
Il a été, par ailleurs," tenu compte de 1»influence dés diverses impuretés du graphite dont les teneurs sont répertoriées dans
les tableaux 1 et 2.
•"'
- 22 -
VII-CONCLUSION.
Comme nous le proposions nous avons caractérisé en exposition, fluence différentielle en énergie et en dose absorbée les faisceaux primaires de référence. Au cours du temps il est possible et
même probable que les descriptions qui en sont faites évolueront en
fonction de l'amélioration des techniques de mesure ou, plus certainement en fonction d'una meilleure connaissance de certains facteurs
correctifs qui apportent des incertitudes systématiques non négligeables.
Ces considérations sont particulièrement justifiées en ce
qui concerne la caractérisation de ces faisceaux en dose absorbée et,
des travaux complémentaires actuellement en cours nous permettent
d'envisager une amélioration des exactitudes.
Il résulte, de notre choix de faisceaux pour références»
que nous p o u v o n s , compte tenu des relations biunivoques entre les
techniques et les grandeurs, déduire directement, et ce pour des
énergies effectives connues et non n o m i n a l e s , les "constantes"
W
et G, paramètres fondamentaux pour les méthodes
de mesure de la dose absorbée.
indirectes
COMPOSITION
EN
POIDS
POIDS
DU
CALORIMETRE
EN
GRAPHITE IMPURETE!
mg
%
TOTAL
D'
IMPURETES
ABSORBEUR
102V
8,3
1034
0,8 %
ECRAN
3639,5
33,5
3673
0,9 %
4665,2
41,8
4707
0,87%
ABSORBEUR
•
ECRAN
Tab. 2
POIDS EH m»
Impuraléa dana la raalna
conductrice
0
ABSORBEUR
ECRAN
ABSORBEUR
• ECRAN
Tab.2'
H
H
Impuratâa local laàaa
rot«i Ihu.
O la
Al
0
a»
roui
Total
daa
nvniaalaa
'?
2.0
2.0
w
0.5
03
0,8
0.5
2
8.3
10.8
9.2
s,s a s
1
o.s
i.o
0,9
4
33,5
13,1
11,2
11*
1.3
0,7
2,«
M
e
41,8
35,8
FREGA IE
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Fig: 3
"///A
A\\\\\\\m\\m\\\W\
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E n e r g i e en MeV
- • r m k i t i inox.
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FIG. 7
SYSTEME
DE
THERMOREGULATION
THERMOCOUPLES
DETECTEUR
DE ZERO
NANOVOLTMETRE
REGULATEUR
S
SERVO-"!
•JJW- MOTEUR
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J.P. Guiho, J. Legrand, B. Grinberg I.A.E.A. SM l60/7<>
1973
Manuscrit reçu le 25 octobre 1974
Achevé d'imprimer
par
le CEA, Service de Documentation, Saclay
Décembre 1974
DEPOT LEGAL
4ème trimestre 1974
4 '
Edité par
le Service de Documentation
Centre d'Etudes Nucléaires de Sxlsy
Sorte Postale o» 2
91190 - Gif-sur- YVETTE (France)