Le LBA en détail

1- INTRODUCTION

Un grand nombre d’expériences de physique des particules hors accélérateur est consacré à la détection d’événements très rares. C’est particulièrement le cas de la physique des neutrinos. Le problème commun à toutes ces expériences est d’éviter , ou tout au moins de minimiser les événements de bruit de fond dus aux impuretés radioactives en provenance du détecteur lui-même ou de son blindage. D’autre part les processus de contrôle de l’environnement demandent également des spectromètres gamma à très bas bruit de fond de façon à accroître les sensibilités de mesure. Bien qu’à un stade préliminaire, ces intérêts environnementaux et même industriels peuvent se révéler très prometteurs dans l’avenir. C’est pour répondre à ces demandes qu’un laboratoire de mesures des faibles radioactivités (L.B.A.) a été développé au Laboratoire de Physique Subatomique et de Cosmologie de Grenoble.

2- DESCRIPTION DE L'INSTALLATION

2-1 Les détecteurs

Deux diodes Germanium hyper pur de type N, fabriquées par Eurisys Mesures, sont utilisées; l’une de 100cm³ de volume (20% d’efficacité relative) est destinée aux mesures de gammas d’énergie comprise entre 30 KeV et 3 MeV; l’autre de faible épaisseur, aux mesures de rayonnements X ou gammas de faible énergie (<100 KeV).

Le tableau N° 1 résume les caractéristiques de ces deux détecteurs.

2-2 Le blindage passif

Chaque détecteur est entouré d’un château de 15 cm d’épaisseur fait de plomb purifié par trois cycles de fusion suivie d’écrémage des impuretés. Le cristal de germanium est séparé de ce plomb par un cylindre de plomb archéologique de 2 cm d’épaisseur. Ce plomb prêté par le C.N.R.S. provient de la cargaison d’un bateau coulé au 3^ieme siècle au large de la Bretagne. Il est par conséquent exempt de contamination par ²¹⁰Pb ( T ½ = 22 ans ), qui, dans le plomb moderne, provoque un rayonnement de bremstrahlung intense par l’intermédiaire de la désintégration b de son descendant (²¹⁰Bi ).

2-3 Le blindage actif

Les deux détecteurs et leurs blindages sont enfermés dans un cube de 2 m² de surfaces latérales. Chaque face du cube, à l’exception du sol, est en fait un détecteur à scintillation liquide parallélépipédique de 160 x 190 x 8 cm ,destiné à la détection du rayonnement cosmique. La lumière de scintillation est vue par un seul photomultiplicateur par détecteur. Cette lumière est amenée au photomultiplicateur par deux guides de lumière fluorescents réalisés en N.E. 172 et situés sur deux faces latérales du parallélépipède.

L’ensemble de l’installation est situé au sous-sol du bâtiment principal du laboratoire.

Le blindage apporté ainsi par le bâtiment lui-même correspond à environ 5 m équivalent-eau. Dans ces conditions, la composante nucléonique du rayonnement cosmique est fortement atténuée, au point de devenir inférieure à la production de neutrons par interaction des muons avec le plomb du blindage¹. Par contre , la situation en sous-sol du laboratoire impose des précautions supplémentaires vis à vis des émanations de gaz lourds radioactifs tel que ²²²Rn produit de façon continue par l’Uranium contenu dans les murs. Pour cela l’air du laboratoire est renouvelé en permanence par un apport d’air neuf prélevé en terrasse du bâtiment principal et passant successivement à travers de filtres anti-poussières puis de filtres à haute efficacité. En outre, les parois du laboratoire sont enduites d’une peinture plastique à base de polyuréthane faisant barrage aux émanations de Radon. Moyennant toutes ces précautions, les spectres de bruit de fond enregistrés une journée après la fermeture du château sont exempts des pics caractéristiques des descendants du Radon, à savoir ²¹⁴Pb et ²¹⁴Bi.

3- TAUX DE COMPTAGES

3-1 Évolution du bruit de fond résiduel en fonction du blindage

Le tableau N° 2 présente l’évolution du taux de comptage entre 30 KeV et 3 MeV du détecteur 100 cm³ en fonction des différents blindages utilisés. L’influence de l’activation du cuivre par les neutrons d’origine cosmique, ainsi que l’influence de l’utilisation du plomb archéologique comme blindage interne est clairement visible. L’amélioration de 0.2 Hertz apportée par l’utilisation de celui-ci s’explique majoritairement par la suppression du rayonnement de Bremstrahlung induit par le rayonnement b du ²¹⁰Pb(~100 Bq / Kg pour du plomb courant ).

Le tableau N° 3 présente les taux de comptages résiduels obtenus entre 30 KeV et 3 MeV avec et sans anti-coincidence, avec les différents détecteurs Veto. La prédominance dans le spectre cosmique des incidences verticales des muons, explique le rôle prépondérant du Veto situé sur le toit du château.

La somme des efficacités différente de 100 % reflète la probabilité qu’un muon traverse successivement deux faces du cube.

3-2 Influence de la durée du signal d’anticoincidence

La figure N° 2 montre l’influence de la durée du signal d’anti-coincidence sur le taux de bruit de fond résiduel : la quasi totalité des événements rejetés sont en coincidence prompte avec la détection d’un muon. Notons que sur cette figure, la pente de la courbe entre 2 et 8 msec ainsi que l’origine des temps, n’ont pas de signification physique : ils dépendent tous les deux du temps de mise en forme de l’impulsion .La coincidence prompte entre les muons et la détection dans le Germanium permet d’attribuer le bruit de fond supprimé au rayonnement de bremstrahlung des muons dans le plomb du blindage. Un temps d’anti-coincidence de 30 micro secondes s’avère suffisant dans la plupart des cas. Associé aux 800 Hertz d’événements Veto, il induit un temps mort de 2,5 %. Toutefois un choix de 140 microsecondes de durée d’anti-coincidence permet de réduire sensiblement les quelques pics résiduels associés à la capture de neutrons sur le cristal de Germanium. Exemple: Eg = 65 KeV ( ⁷²Ge (n,g ) ).

3-3 Caractéristiques en énergie du bruit de fond

Le tableau N° 4 présente la répartition en énergie du bruit continu et des pics résiduels. Les taux sont donnés pour le détecteur de 100cm³. Il est à noter que dans la gamme d’énergie comprise entre 30 KeV et 300 KeV, le deuxième détecteur de faible épaisseur, présente le même bruit résiduel que le premier. Pour l’instant, ce résultat reste inexpliqué, il semblerait toutefois indiquer que le bruit de fond résiduel d’une telle installation soit plutôt proportionnel à la surface du détecteur qu’à son volume.

4- PERFORMANCES

Le taux minimum de désintégration détectable Dm ( E₁ ) est calculé suivant la formule:

où e est l’efficacité de détection à l’énergie E1,
Ig l’intensité du pic sélectionné,
W, la résolution du détecteur,
B, le bruit résiduel par KeV à l’énergie considérée,
T, le temps d’acquisition.

Le tableau N° 5 présente la sensibilité obtenue à divers radioisotopes pour un échantillon de 100 grammes mesuré pendant une semaine.

5- Limites de détection des produits de fission à vie longue

Parmi tous les déchets nucléaires à vie longue, produits de fission ou d’activation, dont l’activité doit être mesurée avant stockage, se trouvent des isotopes tels que ¹²⁹I, ⁹³Mo, ⁹⁹Tc, émetteurs b de très longue période, ne pouvant être identifiés que par leur rayonnement C ou g de faible énergie ( E < 30 KeV ). L’agence de gestion des déchets radioactifs ( ANDRA ) s’est adressée au laboratoire pour essayer d’améliorer les limites de détection de ces isotopes. C’est un des rôles dévolus au détecteur X bas bruit de fond, dont la faible épaisseur permet de limiter la production par effet Compton de bruit de fond de basse énergie en provenance de la source elle-même, tout en permettant, grâce à sa fenêtre mince en aluminium ultra-pur de descendre le seuil de mesure en énergie aux environs de 14 KeV.

La figure N° 3 présente un résultat de mesure de ¹²⁹I, effectué sur un échantillon prélevé lors d’un contrôle de déchets radioactifs où l’iode est séparé chimiquement des autres produits de fission. Le spectre présenté correspond à une activité de 0,01 Becquerels pour l’échantillon. La limite de détection déduite du spectre, compte tenu du bruit de fond, est de l’ordre du millibecquerel.

6- DISCUSSION

La figure N° 4 présente le rapport des bruits de fond résiduels à Grenoble et au Laboratoire Souterrain de Modane ², protégé par 4400 mètres équivalent-eau. Le rapport des bruits de fond résiduels varie de 2,1 à 5, de 100 KeV à 2 MeV. Notons toutefois que la mesure de Modane est effectuée avec un détecteur de 207 cm³. Le gain en sensibilité entre un laboratoire souterrain et un laboratoire de surface est donc compris entre 2 et 3 suivant la gamme d’énergie. La sensibilité atteinte avec cette installation, est ainsi suffisante pour effectuer la plupart des analyses de faible activité. La limite inférieure pour les installations de surface restera évidemment l’activation du détecteur et des matériaux avoisinants par les neutrons d’origine cosmogénique.

Nous remercions vivement B. Vignon pour l’aide et l’intérêt qu’il a manifesté tout au long du développement de l’installation, A. Menthe pour la conception et la réalisation de la partie mécanique de l’installation et V. Comparat, responsable des activités de valorisation de la recherche au laboratoire.

RÉFÉRENCES

¹ - G. Heuser: Nucl. Inst. and Methods. B 58 (1991) p. 78
² - Y. Bourlat et Al. Nucl. Inst. and Methods in Phys. Res. A 339 (1994) p. 309