Mesure absolue d’activité et de données de désintégration à l’aide de calorimètres métalliques magnétiques

Les calorimètres métalliques magnétiques (MMC) ont permis de mesurer des données de désintégration de plusieurs radionucléides avec une précision inédite, grâce à la fois à une résolution en énergie très élevée, un seuil en énergie très bas et un rendement de détection proche de 100 % notamment à très basses énergies.

La qualité et l’importance de ces travaux ont été soulignées par le financement de trois projets EMPIR construits essentiellement autour de la mesure de données avec des MMC. Le dernier de ces projets, PrimA-LTD, débuté en juin 2021, correspond au premier des trois volets de ce projet. La première partie du projet PrimA-LTD est la plus innovante : il s’agit de développer une nouvelle technique de mesure absolue d’activité basée sur les MMC, moins sujette aux effets systématiques des méthodes actuelles, car moins dépendante du schéma de désintégration. D’autres parties du projet concernent la mesure de données de deux radionucléides avec une haute résolution en énergie combinée à une forte statistique (~ 108 désintégrations mesurées). Le spectre de la capture électronique du ⁵⁵Fe en géométrie 4π sr pour la détermination précise des probabilités de capture sur les couches K, L en M et notamment sur les sous-couches L. Le spectre bêta du ¹²⁹I sera mesuré à partir d’une énergie quasi nulle en raison d’une particularité de cette désintégration.

Le deuxième volet de ce projet propose de mesurer des spectres bêta et de capture électronique non considérés dans le projet PrimA-LTD qui se limite à un seul radionucléide par type de désintégration (alpha, bêta et capture électronique). Il s’agit des spectres bêta du ¹⁴C et du ³⁶Cl et du spectre de capture électronique du ⁵¹Cr. Les deux spectres bêta ont en principe déjà été mesurés avec des MMC, mais en raison de conditions expérimentales les spectres n’ont pas la qualité escomptée. L’intérêt principal de la mesure du ⁵¹Cr est que l’activité de ce nucléide peut être mesurée de façon absolue par la méthode des coïncidences ; la comparaison de la méthode des coïncidences avec la méthode RCTD en scintillation liquide permettra d’évaluer la justesse de la mesure d’activité par cette dernière quand elle peut avoir recours à des données de désintégration du ⁵¹Cr fiables, déterminées avec précision dans le cadre de cette fiche projet.

Le troisième volet propose la définition d'une nouvelle échelle de référence en énergies X et gamma. En effet, les incertitudes sur les énergies de nombreuses raies X et gamma sont relativement élevées. Certains projets de recherche fondamentale ainsi que les développements vers l’utilisation de la transition gamma du ^229mTh pour une horloge nucléaire requièrent une échelle plus précise en énergie pour l’étalonnage de leur instrumentation. La mesure des énergies de raies X et gamma de quelques radionucléides sélectionnés avec une incertitude de l’ordre de 0,1 eV, grâce à l’excellente résolution en énergie des MMC est un autre objectif de ce projet.

• Mise à disposition d’une nouvelle technique de mesure absolue d’activité, notamment pour des radionucléides émetteurs de photons de très basses énergies ou émetteurs bêta purs, pour lesquels la mesure d’activité par d’autres méthodes est souvent problématique.
• Réduction des incertitudes de mesure absolue d’activité obtenues par d’autres méthodes grâce à la mise à disposition de données de désintégration pour des radionucléides où ces méthodes rencontrent des difficultés.
• Contribution à une meilleure connaissance des désintégrations par interaction faible, et notamment au développement du code BetaShape via la mise à disposition de données de désintégration précises.
• A moyen terme, un impact direct en médecine nucléaire, par la fourniture de données concernant de nouveaux radionucléides utilisés pour le diagnostic ou le traitement, soit par mesure directe des nucléides concernés, soit en contribuant au développement du code BetaShape afin que celui-ci puisse être appliqué à tout type de transition par interaction faible (désintégration bêta ou capture électronique).
• Fournir de nouvelles références en énergie de transitions X et gamma pour réduire les incertitudes d’étalonnage en énergie de spectromètres à dispersion d’énergie utilisés dans diverses expériences de physique fondamentale.

Projet EMPIR PrimA-LTD

Microfabrication de calorimètres métalliques magnétiques

• Université de Heidelberg (UHEI) – partenaire dans le projet EMPIR PrimA-LTD ; fabrication de MMC
• PTB – partenaire dans le projet EMPIR PrimA-LTD
• Karlsruher Institut für Technologie (KIT) – partenaire dans le projet EMPIR PrimA-LTD ; conception et design de MMC
• CNRS / C2N – partenaire dans le projet EMPIR PrimA-LTD ; fabrication d’absorbeurs et développement d’argent nano-structuré
• CEA/IRFU – programmation d’un système d’acquisition multi-voies
• Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU) – partenaire dans le projet EMPIR PrimA-LTD ; séparation chimique des radionucléides ; fabrication de sources
• Centre hospitalier universitaire vaudois (CHUV) – partenaire dans le projet EMPIR PrimA-LTD ; mesure d’activité d’échantillons des différents radionucléides après mesure par MMC
• Centro de investigaciones energeticas, medioambientales y tecnologicas (CIEMAT) – partenaire dans le projet EMPIR PrimA-LTD ; mesure d’activité d’échantillons de différents radionucléides après mesure par MMC