Dans le cadre de ses activités d’amélioration de la connaissance de schémas de désintégration de radionucléides, le LNE-LNHB détermine des intensités absolues d’émission photonique, en s’appuyant sur des détecteurs étalonnés en rendement d’absorption totale. Ces étalonnages sont effectués au moyen de sources étalons avec des radionucléides dont les intensités d’émission sont bien connues et dont l’activité est déterminée par une méthode primaire. Dans la gamme d’énergie inférieure à 50 keV, il existe peu de radionucléides utilisables.
Objectifs
Etablir la courbe d’étalonnage en rendement d’absorption totale d’un détecteur au germanium hyper-pur (GeHP) dans la gamme d’énergie comprise entre 3 keV et 50 keV avec une incertitude-type relative inférieure ou égale à 1 %.
L’étalonnage doit être effectué sans recours à des radionucléides, au moyen d’un faisceau monochromatique dont le débit de fluence photonique sera déterminé au moyen d’un radiomètre cryogénique à substitution électrique. Le détecteur ainsi étalonné pourra être considéré comme un détecteur « absolu » et permettre la mesure directe d’activité.
Ce détecteur sera utilisé pour améliorer les techniques d’analyse X sans référence, actuellement développées sur la ligne de métrologie du synchrotron SOLEIL, et effectuer des mesures de paramètres atomiques (intensités d’émission, rendements de fluorescence, coefficients de Coster-Kronig) par fluorescence X induite par photo-ionisation.
Résumé et premiers résultats
Ce projet a pour but l’étalonnage « absolu » en rendement d’un détecteur à semi-conducteur (germanium hyper-pur – GeHP) dans la gamme d’énergie inférieure à 50 keV, avec une incertitude-type relative de l’ordre de 1 %, sans faire appel à des radionucléides. La mesure sera effectuée avec un faisceau de photons monochromatiques, sur la ligne de métrologie du synchrotron SOLEIL, qui est équipée d’un monochromateur à double cristal de silicium, permettant de fournir des photons monochromatiques dans la gamme d’énergie supérieure à 3 keV. Le flux de ce faisceau sera déterminé au moyen d’un radiomètre cryogénique à substitution électrique (RC), par comparaison entre l’élévation de température produite par le rayonnement incident et celle induite par une puissance électrique (étalonnée) sur le RC. Pour ce type d’étalonnage, le rendement sera déterminé point par point, pour des énergies discrètes.
Pour cela, le radiomètre cryogénique BOLUX, qui a déjà été utilisé pour étalonner des photodiodes jusqu’à 10 keV, sera remis en service et optimisé pour les mesures dans une gamme d’énergie supérieure, en adaptant en particulier le matériau de l’absorbeur de chaleur. Les effets d’échappements qui réduisent significativement le rendement du détecteur au-dessus des énergies de liaison du matériau pourront être évités en utilisant un absorbeur bicouches ou avec une nanostructure permettant réabsorber les photons d’échappement. Cette optimisation sera d’abord définie par des simulations de Monte Carlo, puis testée avec des faisceaux de photons monochromatiques en utilisant des photodiodes traditionnelles comme référence.
L’étalonnage électrique permettant de déterminer la puissance déposée dans le radiomètre sera effectué avec le souci de minimiser les incertitudes et la procédure d’équivalence puissance photonique/puissance électrique devra être examinée en détail et validée.
Contrairement aux étalonnages traditionnels qui s’appuient sur les intensités d’émission de radionucléides étalons, le détecteur ainsi étalonné pourra être considéré comme un détecteur « absolu » et permettre la mesure directe de l’activité des radionucléides. La principale retombée de cet étalonnage sera la mesure d’intensités d’émission X indépendamment des données tabulées, ce qui devrait permettre d’atteindre des incertitudes-types relatives de l’ordre de 1 %, et apporter de nouvelles informations sur les schémas de désintégration et les paramètres atomiques. Ce détecteur sera également utilisé pour améliorer les techniques d’analyse X sans référence, actuellement développées sur la ligne de métrologie du synchrotron SOLEIL.
Impacts scientifiques et industriels
La principale retombée de cet étalonnage sera la mesure d’intensités d’émission X indépendamment des données tabulées, ce qui devrait permettre d’atteindre des incertitudes-types relatives de l’ordre de 1 % et apporter de nouvelles informations sur les schémas de désintégration et les données atomiques (rendement de fluorescence et intensités relatives d’émission X). L’amélioration de la connaissance des intensités d’émission se traduit directement sur les mesures effectuées par spectrométrie X directe, par exemple pour caractériser les dosimètres niobium, utilisés pour le suivi des réacteurs, et sur l’ensemble des analyses par fluorescence X.
En particulier, le développement incessant de matériaux innovants, qu’ils soient nanostructurés ou fonctionnalisés, ne permet pas de disposer d’étalons spécifiques pour chaque cas. Pour ceux-ci, l’une des retombées de ce projet, à savoir la connaissance des paramètres atomiques couplée à l’utilisation d’un détecteur étalonné en rendement de manière absolue, va contribuer à développer les techniques d’analyse X sous incidence rasante sans référence afin de caractériser ces nouveaux matériaux. De nombreux domaines d’application (photovoltaïque, stockage de l’énergie, mémoires avancées, biologie, environnement, etc.) devraient bénéficier de ces avancées.
Partenaires
LCM-Cnam pour son expérience avec les radiomètres cryogéniques.
Synchrotron SOLEIL.