Qu’est-ce que le blindage du rayonnement gamma – Écran – Définition

En radioprotection, il existe trois façons de protéger les personnes contre les sources de rayonnement identifiées:

• Limiter le temps. La quantité d’exposition aux rayonnements dépend directement (linéairement) du temps que les gens passent près de la source de rayonnement. La dose peut être réduite en limitant le temps d’exposition .
• Distance. La quantité d’exposition au rayonnement dépend de la distance de la source de rayonnement. Comme pour la chaleur d’un feu, si vous êtes trop près, l’intensité du rayonnement thermique est élevée et vous pouvez vous brûler. Si vous êtes à la bonne distance, vous pouvez y résister sans aucun problème et en plus c’est confortable. Si vous êtes trop loin d’une source de chaleur, l’insuffisance de chaleur peut également vous blesser. Cette analogie, dans un certain sens, peut être appliquée au rayonnement provenant également de sources de rayonnement.
• Blindage. Enfin, si la source est trop intensive et que le temps ou la distance n’assurent pas une radioprotection suffisante, le blindage doit être utilisé. Le blindage contre les radiations est généralement composé de barrières de plomb, de béton ou d’eau. Il existe de nombreux matériaux qui peuvent être utilisés pour la protection contre les radiations, mais il existe de nombreuses situations dans la radioprotection. Cela dépend fortement du type de rayonnement à protéger, de son énergie et de nombreux autres paramètres. Par exemple, même l’uranium appauvri peut être utilisé comme une bonne protection contre le rayonnement gamma, mais d’un autre côté, l’uranium est un blindage absolument inapproprié du rayonnement neutronique .

Caractéristiques des rayons gamma / rayonnement

Les principales caractéristiques des rayons gamma sont résumées en quelques points:

• Les rayons gamma sont des photons de haute énergie (environ 10 000 fois plus d’énergie que les photons visibles), les mêmes photons que les photons formant la gamme visible du spectre électromagnétique – la lumière.
• Les photons (rayons gamma et rayons X) peuvent ioniser les atomes directement (bien qu’ils soient électriquement neutres) par l’effet photoélectrique et l’effet Compton, mais l’ionisation secondaire (indirecte) est beaucoup plus importante.
• Les rayons gamma ionisent la matière principalement par ionisation indirecte .
• Bien qu’un grand nombre d’interactions possibles soient connues, il existe trois mécanismes d’interaction clés avec la matière.
  • Effet photoélectrique
  • Diffusion de Compton
  • Production de paires
• Les rayons gamma voyagent à la vitesse de la lumière et ils peuvent parcourir des milliers de mètres dans l’air avant de dépenser leur énergie.
• Le rayonnement gamma étant une matière très pénétrante, il doit être protégé par des matériaux très denses, tels que le plomb ou l’uranium.
• La distinction entre les rayons X et les rayons gamma n’est pas si simple et a changé au cours des dernières décennies. Selon la définition actuellement valable, les rayons X sont émis par des électrons à l’extérieur du noyau, tandis que les rayons gamma sont émis par le noyau .
• Les rayons gamma accompagnent fréquemment l’émission de rayonnement alpha et bêta .

Image: L’importance relative de divers processus d’interactions des rayonnements gamma avec la matière.

Blindage du rayonnement gamma

En bref, le blindage efficace du rayonnement gamma est dans la plupart des cas basé sur l’utilisation de matériaux ayant les deux propriétés suivantes:

• haute densité de matériau.
• nombre atomique élevé de matériaux (matériaux à forte teneur en Z)

Cependant, les matériaux à faible densité et les matériaux à faible Z peuvent être compensés par une épaisseur accrue, qui est aussi importante que la densité et le nombre atomique dans les applications de blindage.

Un fil est largement utilisé comme écran gamma. Le principal avantage du blindage en plomb réside dans sa compacité en raison de sa densité plus élevée. D’un autre côté,  l’uranium appauvri est beaucoup plus efficace en raison de son Z plus élevé. L’uranium appauvri est utilisé pour le blindage dans les sources de rayons gamma portables.

Dans les centrales nucléaires, le  blindage du cœur d’un réacteur peut être assuré par des matériaux de la cuve sous pression du réacteur, des internes du réacteur ( réflecteur de neutrons ). Le béton lourd est également généralement utilisé pour protéger à la fois les neutrons et le rayonnement gamma.

Bien que l’eau ne soit ni à haute densité ni à forte teneur en Z, elle est couramment utilisée comme écrans gamma. L’eau assure la protection contre les radiations des assemblages combustibles dans une piscine de combustible usé pendant le stockage ou pendant les transports depuis et vers le cœur du réacteur .

En général, le blindage anti- rayonnement gamma est plus complexe et plus difficile que le blindage anti – rayonnement alpha ou bêta . Afin de comprendre de manière globale comment un rayon gamma perd son énergie initiale, comment être atténué et comment être protégé, nous devons avoir une connaissance détaillée de ses mécanismes d’interaction.

Voir aussi plus de théorie: Interaction du rayonnement gamma avec la matière

Voir aussi calculatrice: Activité gamma au débit de dose (avec / sans écran)

Voir aussi XCOM – photon cross-section DB: XCOM: Photon Cross Sections Database

Atténuation des rayons gamma

La section efficace totale d’ interaction d’un rayonnement gamma avec un atome est égale à la somme des trois sections efficaces partielles mentionnées: σ = σ _f + σ _C + σ _p 

• σ _f – Effet photoélectrique

• σ _C – Diffusion Compton

• σ _p – Production de paires

Selon l’énergie des rayons gamma et le matériau absorbant, l’une des trois sections transversales partielles peut devenir beaucoup plus grande que les deux autres. Aux petites valeurs de l’énergie des rayons gamma, l’ effet photoélectrique domine. La diffusion de Compton domine aux énergies intermédiaires. La diffusion du compton augmente également avec la diminution du nombre atomique de matière, donc l’intervalle de domination est plus large pour les noyaux légers. Enfin, la production de paires électron-positon domine aux hautes énergies.

Sur la base de la définition de la section efficace d’interaction, la dépendance de l’intensité des rayons gamma sur l’épaisseur du matériau absorbant peut être dérivée. Si les rayons gamma monoénergétiques sont collimatés en un faisceau étroit et si le détecteur derrière le matériau détecte uniquement les rayons gamma qui ont traversé ce matériau sans aucune sorte d’interaction avec ce matériau, alors la dépendance devrait être une simple atténuation exponentielle des rayons gamma . Chacune de ces interactions élimine le photon du faisceau soit par absorption, soit par diffusion loin de la direction du détecteur. Par conséquent, les interactions peuvent être caractérisées par une probabilité fixe d’occurrence par unité de longueur de trajet dans l’absorbeur. La somme de ces probabilités est appeléecoefficient d’atténuation linéaire :

μ = τ _{(photoélectrique)} + σ _(Compton) + κ _(paire)

Coefficient d’atténuation linéaire

L’atténuation du rayonnement gamma peut alors être décrite par l’équation suivante.

I = I ₀ .e ^-μx

, où I est l’intensité après atténuation, I _o est l’intensité incidente, μ est le coefficient d’atténuation linéaire (cm ^-1 ) et l’épaisseur physique de l’absorbeur (cm).

Les matériaux énumérés dans le tableau ci-contre sont l’air, l’eau et différents éléments du carbone ( Z = 6) au plomb ( Z = 82) et leurs coefficients d’atténuation linéaire sont donnés pour trois énergies de rayons gamma. Il existe deux caractéristiques principales du coefficient d’atténuation linéaire:

• Le coefficient d’atténuation linéaire augmente à mesure que le numéro atomique de l’absorbeur augmente.
• Le coefficient d’atténuation linéaire pour tous les matériaux diminue avec l’énergie des rayons gamma.

Demi couche de valeur

La couche à demi-valeur exprime l’épaisseur du matériau absorbant nécessaire pour réduire l’intensité du rayonnement incident d’un facteur deux . Il existe deux caractéristiques principales de la couche de demi-valeur:

• La couche de demi-valeur diminue à mesure que le numéro atomique de l’absorbeur augmente. Par exemple, 35 m d’air sont nécessaires pour réduire l’intensité d’un faisceau de rayons gamma de 100 keV par un facteur de deux alors que seulement 0,12 mm de plomb peut faire la même chose.
• La couche de demi-valeur pour tous les matériaux augmente avec l’énergie des rayons gamma. Par exemple de 0,26 cm pour le fer à 100 keV à environ 1,06 cm à 500 keV.

Exemple:

De quelle quantité d’eau absorbez-vous la chaleur si vous souhaitez réduire l’intensité d’un faisceau de rayons gamma monoénergétique de 500 keV ( faisceau étroit ) à 1% de son intensité incidente? La couche de demi-valeur pour les rayons gamma à 500 keV dans l’eau est de 7,15 cm et le coefficient d’atténuation linéaire pour les rayons gamma à 500 keV dans l’eau est de 0,097 cm ^-1 . La question est assez simple et peut être décrite par l’équation suivante:Si la couche de demi-valeur pour l’eau est de 7,15 cm, le coefficient d’atténuation linéaire est:Maintenant, nous pouvons utiliser l’équation d’atténuation exponentielle:doncL’épaisseur d’eau requise est donc d’environ 47,5 cm . C’est une épaisseur relativement importante et elle est causée par de petits nombres atomiques d’hydrogène et d’oxygène. Si nous calculons le même problème pour le plomb (Pb) , nous obtenons l’épaisseur x = 2,8 cm .

Coefficients d’atténuation linéaire

Tableau des coefficients d’atténuation linéaire (en cm-1) pour différents matériaux à des énergies de rayons gamma de 100, 200 et 500 keV.

Demi couches de valeur

La couche de demi-valeur exprime l’épaisseur du matériau absorbant nécessaire pour réduire l’intensité du rayonnement incident d’un facteur deux. Avec une demi-couche de valeur, il est facile d’effectuer des calculs simples.
Source: www.nde-ed.org

Tableau des demi-couches de valeur (en cm) pour différents matériaux à des énergies de rayons gamma de 100, 200 et 500 keV.

Coefficient d’atténuation de masse

Lors de la caractérisation d’un matériau absorbant, on peut parfois utiliser le coefficient d’atténuation massique.  Le coefficient d’atténuation massique est défini comme le rapport du coefficient d’atténuation linéaire et de la densité d’absorbeur (μ / ρ) . L’atténuation du rayonnement gamma peut alors être décrite par l’équation suivante:

I = I ₀ .e ^{– (μ / ρ) .ρl}

, où ρ est la densité du matériau, (μ / ρ) est le coefficient d’atténuation de la masse et ρ.l est l’épaisseur de la masse. L’unité de mesure utilisée pour le coefficient d’atténuation de masse cm ² g ^-1 .

Pour les énergies intermédiaires, la diffusion Compton domine et différents absorbeurs ont des coefficients d’atténuation de masse approximativement égaux. Cela est dû au fait que la section efficace de la diffusion Compton est proportionnelle au Z (numéro atomique) et donc le coefficient est proportionnel à la densité du matériau ρ. Aux petites valeurs de l’énergie des rayons gamma ou aux valeurs élevées de l’énergie des rayons gamma, où le coefficient est proportionnel aux puissances supérieures du numéro atomique Z (pour l’effet photoélectrique σ _f ~ Z ⁵ ; pour la production de paires σ _p ~ Z ² ), le le coefficient d’atténuation μ n’est pas une constante.

Validité de la loi exponentielle

La loi exponentielle décrira toujours l’atténuation du rayonnement primaire par la matière. Si des particules secondaires sont produites ou si le rayonnement primaire change d’énergie ou de direction, alors l’atténuation effective sera bien moindre. Le rayonnement pénétrera plus profondément dans la matière que ne le prévoit la seule loi exponentielle. Le processus doit être pris en compte lors de l’évaluation de l’effet du blindage contre les radiations.

Facteurs d’accumulation pour le blindage des rayons gamma

Le facteur d’accumulation est un facteur de correction qui tient compte de l’influence du rayonnement diffusé et de toutes les particules secondaires dans le milieu lors des calculs de blindage. Si nous voulons tenir compte de l’accumulation de rayonnement secondaire, nous devons inclure le facteur d’accumulation . Le facteur d’accumulation est alors un facteur multiplicatif qui rend compte de la réponse aux photons non collidés de manière à inclure la contribution des photons diffusés. Ainsi, le facteur d’accumulation peut être obtenu en tant que rapport de la dose totale à la réponse pour la dose non prise.

La formule étendue pour le calcul du débit de dose est la suivante:

La norme ANSI / ANS-6.4.3-1991 sur les coefficients d’atténuation des rayons gamma et les facteurs d’accumulation pour les matériaux d’ingénierie contient des coefficients d’atténuation des rayons gamma et des facteurs d’accumulation pour certains matériaux et éléments d’ingénierie à utiliser dans les calculs de blindage (ANSI / ANS-6.1 .1, 1991).