Dosimétrie des rayonnements

En général, la demi-vie efficace est le temps mis pour que la quantité d’un radionucléide spécifique dans le corps diminue de moitié de sa valeur initiale à la fois par élimination par des processus biologiques et par désintégration radioactive. Cette variable est largement utilisée en radiothérapie. Une demi-vie efficace de la substance radioactive impliquera une constante de désintégration qui représente la somme des constantes de désintégration biologique et radioactive, comme dans la formule:

En plus de la demi-vie radioactive , la demi-vie effective est déterminée par la demi-vie biologique , qui est le temps nécessaire pour que la quantité d’un élément particulier dans le corps pour diminuer à la moitié de sa valeur initiale en raison de l’ élimination par des processus biologiques seul, lorsque le taux d’élimination est à peu près exponentiel. La demi-vie _biologique (t _biologique ) peut être définie pour les métabolites, les médicaments et d’autres substances. Il est également très important en radioprotection, lors de l’examen de l’exposition interne.

Si la source de rayonnement est à l’intérieur de notre corps, nous disons que c’est une exposition interne. L’ingestion de matières radioactives peut se produire par diverses voies telles que l’ingestion de contamination radioactive dans les aliments ou les liquides, l’inhalation de gaz radioactifs ou la peau intacte ou blessée. La plupart des radionucléides vous donneront beaucoup plus de dose de rayonnement s’ils peuvent en quelque sorte pénétrer dans votre corps, qu’ils ne le feraient s’ils restaient à l’extérieur. La demi-vie biologique dépend de la vitesse à laquelle le corps utilise normalement un composé particulier d’un élément. Les isotopes radioactifs qui ont été ingérés ou absorbés par d’autres voies seront progressivement éliminés du corps par les intestins, les reins, la respiration et la transpiration. Cela signifie qu’une substance radioactive peut être expulsée avant d’avoir pu se décomposer.

En conséquence, la demi-vie biologique influence de manière significative la demi-vie efficace et la dose globale de contamination interne. Si un composé radioactif à demi-vie radioactive (t _1/2 ) est éliminé du corps avec une demi-vie biologique t _b , la demi-vie effective (t _e ) est donnée par l’expression:

Comme on peut le voir, les mécanismes biologiques diminuent toujours la dose globale de contamination interne. De plus, si t _1/2 est grand par rapport à t _b , la demi-vie effective est approximativement la même que t _b . Par exemple, le tritium a une demi-vie biologique d’environ 10 jours, tandis que la demi-vie radioactive est d’environ 12 ans. En revanche, les radionucléides à demi-vie radioactive très courte ont également une demi-vie efficace très courte. Ces radionucléides délivreront, à toutes fins pratiques, la dose totale de rayonnement dans les premiers jours ou semaines suivant la prise.

Demi-vie efficace de l’iode

Par exemple, la demi-vie biologique de l’iode dans le corps humain est d’environ 80 jours (selon la CIPR). L’iode contenu dans les aliments est absorbé par le corps et concentré de préférence dans la thyroïde où il est nécessaire au fonctionnement de cette glande. Lorsque le ¹³¹ I est présent à des niveaux élevés dans l’environnement à cause des retombées radioactives, il peut être absorbé par les aliments contaminés et s’accumuler également dans la thyroïde. ¹³¹ I se désintègre avec une demi-vie de 8,02 jours avec des émissions de particules bêta et gamma. En se décomposant, il peut endommager la thyroïde. Le risque principal d’une exposition à des niveaux élevés de ¹³¹ I est la survenue accidentelle d’un cancer radiogène de la thyroïde plus tard dans la vie. En conséquence, la demi-vie effective de ¹³¹I est d’environ 7,5 jours, ce qui est donné principalement par la demi-vie radioactive. Pour ¹³¹ I, la CIPR a calculé que si vous inhalez 1 x 10 ⁶ Bq, vous recevrez une dose thyroïdienne de H _T = 400 mSv (et une dose pondérée pour tout le corps de 20 mSv).

Demi-vie efficace du strontium

Sr-90, Ra-226 et Pu-239 sont des radionucléides appelés radionucléides à recherche d’os. Ces radionucléides ont de longues demi-vies biologiques et sont de graves dangers internes. Une fois déposés dans l’os, ils y restent essentiellement inchangés pendant la durée de vie de l’individu. L’action continue des particules alpha émises peut causer des blessures importantes: pendant de nombreuses années, elles déposent toute leur énergie dans un petit volume de tissu, car la portée des particules alpha est très courte.

Demi-vie efficace du tritium

Le tritium est un sous-produit des réacteurs nucléaires . La source la plus importante (en raison des rejets d’eau tritiée) de tritium dans les centrales nucléaires provient de l’acide borique , qui est couramment utilisé comme cale chimique pour compenser un excès de réactivité initiale.

Notez que le tritium émet des particules bêta de faible énergie avec une courte portée dans les tissus corporels et, par conséquent, pose un risque pour la santé en raison de l’exposition interne uniquement après ingestion dans l’eau potable ou la nourriture, ou par inhalation ou absorption par la peau. Le tritium absorbé par l’organisme est uniformément réparti entre tous les tissus mous. Selon la CIPR, une mi-temps efficace de tritium est de 10 jours pour HTO et de 40 jours pour OBT (tritium lié organiquement) formé à partir de HTO dans le corps des adultes. Les deux demi-vies sont données principalement par la demi-vie biologique. Par conséquent, pour un apport de 1 x 10 ⁹ Bq de tritium (HTO), un individu recevra une dose de 20 mSv pour tout le corps (égale à l’apport de 1 x 10 ⁶ Bq de ¹³¹ I).

Il a également été démontré que la mi-temps biologique de l’HTO dépend fortement de nombreuses variables et varie d’environ 4 à 18 jours. Pendant les mois les plus chauds, la demi-vie moyenne est inférieure, ce qui est attribué à l’augmentation de l’apport en eau. De plus, boire de plus grandes quantités d’alcool réduira la demi-vie biologique de l’eau dans le corps.

Demi-vie biologique

En général, la demi-vie biologique est le temps mis pour que la quantité d’un élément particulier dans le corps diminue jusqu’à la moitié de sa valeur initiale en raison de l’élimination par les seuls processus biologiques, lorsque le taux d’élimination est à peu près exponentiel. La demi-vie _biologique (t _biologique ) peut être définie pour les métabolites, les médicaments et d’autres substances. Il est également très important en radioprotection, lors de l’examen de l’exposition interne.

Si la source de rayonnement est à l’intérieur de notre corps, nous disons que c’est une exposition interne. L’ingestion de matières radioactives peut se produire par diverses voies telles que l’ingestion de contamination radioactive dans les aliments ou les liquides, l’inhalation de gaz radioactifs ou la peau intacte ou blessée. La plupart des radionucléides vous donneront beaucoup plus de dose de rayonnement s’ils peuvent pénétrer dans votre corps, qu’ils ne le feraient s’ils restaient à l’extérieur. La demi-vie biologique dépend de la vitesse à laquelle le corps utilise normalement un composé particulier d’un élément. Les isotopes radioactifs qui ont été ingérés ou absorbés par d’autres voies seront progressivement éliminés du corps par les intestins, les reins, la respiration et la transpiration. Cela signifie qu’une substance radioactive peut être expulsée avant d’avoir pu se décomposer.

En conséquence, la demi-vie biologique influence de manière significative la dose globale de contamination interne. Si un composé radioactif à demi-vie radioactive (t _1/2 ) est éliminé de l’organisme avec une demi-vie biologique t _b , la demi-vie «efficace» (t _e ) est donnée par l’expression:

Comme on peut le voir, les mécanismes biologiques diminuent toujours la dose globale de contamination interne. De plus, si t _1/2 est grand par rapport à t _b , la demi-vie effective est approximativement la même que t _b . Par exemple, le tritium a une demi-vie biologique d’environ 10 jours, tandis que la demi-vie radioactive est d’environ 12 ans.

Demi-vie biologique de l’iode

Par exemple, la demi-vie biologique de l’iode dans le corps humain est d’environ 80 jours (selon la CIPR). L’iode contenu dans les aliments est absorbé par le corps et concentré de préférence dans la thyroïde où il est nécessaire au fonctionnement de cette glande. Lorsque le ¹³¹ I est présent à des niveaux élevés dans l’environnement à cause des retombées radioactives, il peut être absorbé par les aliments contaminés et s’accumuler également dans la thyroïde. ¹³¹ I se désintègre avec une demi-vie de 8,02 jours avec des émissions de particules bêta et gamma. En se décomposant, il peut endommager la thyroïde. Le risque principal d’une exposition à des niveaux élevés de ¹³¹ I est la survenue accidentelle d’un cancer radiogène de la thyroïde plus tard dans la vie. Pour ¹³¹ I, la CIPR a calculé que si vous inspirez 1 x 10 ⁶Bq, vous recevrez une dose thyroïdienne de H _T = 400 mSv (et une dose pondérée du corps entier de 20 mSv).

Demi-vie biologique du strontium

Sr-90, Ra-226 et Pu-239 sont des radionucléides appelés radionucléides à recherche d’os. Ces radionucléides ont de longues demi-vies biologiques et sont de graves dangers internes. Une fois déposés dans l’os, ils y restent essentiellement inchangés pendant la durée de vie de l’individu. L’action continue des particules alpha émises peut causer des blessures importantes: pendant de nombreuses années, elles déposent toute leur énergie dans un petit volume de tissu, car la portée des particules alpha est très courte.

Demi-vie biologique du tritium

Le tritium est un sous-produit des réacteurs nucléaires . La source la plus importante (due aux rejets d’eau tritiée) de tritium dans les centrales nucléaires provient de l’acide borique , qui est couramment utilisé comme cale chimique pour compenser un excès de réactivité initiale.

Notez que le tritium émet des particules bêta de faible énergie avec une courte portée dans les tissus corporels et, par conséquent, pose un risque pour la santé en raison de l’exposition interne uniquement après ingestion dans l’eau potable ou la nourriture, ou par inhalation ou absorption par la peau. Le tritium absorbé par l’organisme est uniformément réparti entre tous les tissus mous. Selon la CIPR, une mi-temps biologique de tritium est de 10 jours pour HTO et de 40 jours pour OBT (tritium lié organiquement) formé à partir de HTO dans le corps des adultes. Par conséquent, pour un apport de 1 x 10 ⁹ Bq de tritium (HTO), un individu recevra une dose de 20 mSv pour tout le corps (égale à l’apport de 1 x 10 ⁶ Bq de ¹³¹ I).

Il a également été montré que la mi-temps biologique du HTO dépend fortement de nombreuses variables et varie d’environ 4 à 18 jours. Pendant les mois les plus chauds, la demi-vie moyenne est inférieure, ce qui est attribué à l’augmentation de l’apport en eau. De plus, boire de plus grandes quantités d’alcool réduira la demi-vie biologique de l’eau dans le corps.

Demi-vie et constante de désintégration

La  loi de désintégration radioactive  stipule que la probabilité par unité de temps qu’un noyau se désintègre est une constante, indépendante du temps. Cette constante est appelée  constante de désintégration  et est notée λ, « lambda ».

L’un des termes les plus utiles pour estimer la vitesse de décomposition d’un nucléide est la  demi-vie radioactive  ( t _1/2 ). La  demi-vie  est définie comme le temps nécessaire à un isotope donné pour perdre la moitié de sa radioactivité.

Dans les calculs de radioactivité, l’un des deux paramètres ( constante de désintégration ou demi-vie ), qui caractérisent le taux de décroissance, doit être connu. Il existe une relation entre la demi-vie (t _1/2 ) et la constante de désintégration λ. La relation peut être dérivée de la loi de désintégration en fixant N = ½ N _o . Cela donne:

où ln 2 (le logarithme naturel de 2) est égal à 0,693. Si la constante de désintégration (λ) est donnée, il est facile de calculer la demi-vie, et vice-versa.

Exemple – Loi sur la désintégration radioactive

Un échantillon de matériau contient 1 mikrogramme d’iode 131. Il convient de noter que l’iode 131 joue un rôle majeur en tant qu’isotope radioactif présent dans les produits de fission nucléaire et qu’il contribue de façon importante aux risques pour la santé lorsqu’il est rejeté dans l’atmosphère lors d’un accident. L’iode-131 a une demi-vie de 8,02 jours.

Calculer:

1. Le nombre d’atomes d’iode-131 initialement présents.
2. L’activité de l’iode 131 dans les curies.
3. Le nombre d’atomes d’iode 131 qui resteront dans 50 jours.
4. Temps nécessaire à l’activité pour atteindre 0,1 mCi.

Solution:

1. Le nombre d’atomes d’iode-131 peut être déterminé en utilisant la masse isotopique comme ci-dessous.

N _I-131 = m _I-131 . N _A / M _I-131

N _I-131 = (1 μg) x (6,02 × 10 ²³ noyaux / mol) / (130,91 g / mol)

N _I-131 = 4,6 x 10 ¹⁵ noyaux

2. L’activité de l’iode 131 dans les curies peut être déterminée en utilisant sa constante de désintégration :

L’iode 131 a une demi-vie de 8,02 jours (692928 s) et donc sa constante de désintégration est:

En utilisant cette valeur pour la constante de désintégration, nous pouvons déterminer l’activité de l’échantillon:

3) et 4) Le nombre d’atomes d’iode-131 qui resteront dans 50 jours (N _50d ) et le temps qu’il faudra pour que l’activité atteigne 0,1 mCi peuvent être calculés en utilisant la loi de décroissance:

Comme on peut le voir, après 50 jours, le nombre d’atomes d’iode 131 et donc l’activité sera environ 75 fois plus faible. Après 82 jours, l’activité sera environ 1200 fois plus faible. Par conséquent, le temps de dix demi-vies (facteur 2 ¹⁰ = 1024) est largement utilisé pour définir l’activité résiduelle.

Constante de désintégration et radioactivité

La relation entre la demi-vie et la quantité de radionucléide nécessaire pour donner une activité d’un curie est illustrée sur la figure. Cette quantité de matière peut être calculée en utilisant λ , qui est la constante de désintégration de certains nucléides:

La figure suivante illustre la quantité de matière nécessaire pour 1 curie de radioactivité. Il est évident que plus la demi-vie est longue, plus la quantité de radionucléide nécessaire pour produire la même activité est importante. Bien sûr, la substance à longue durée de vie restera radioactive pendant beaucoup plus longtemps. Comme on peut le voir, la quantité de matière nécessaire pour 1 curie de radioactivité peut varier d’une quantité trop petite pour être vue (0,00088 gramme de cobalt-60), à travers 1 gramme de radium-226, à près de trois tonnes d’ uranium-238 .

Exemple – Calcul de la radioactivité

Un échantillon de matériau contient 1 mikrogramme d’iode 131. Il convient de noter que l’iode 131 joue un rôle majeur en tant qu’isotope radioactif présent dans les produits de fission nucléaire et qu’il contribue de façon importante aux risques pour la santé lorsqu’il est rejeté dans l’atmosphère lors d’un accident. L’iode-131 a une demi-vie de 8,02 jours.

Calculer:

1. Le nombre d’atomes d’iode-131 initialement présents.
2. L’activité de l’iode 131 dans les curies.
3. Le nombre d’atomes d’iode-131 qui resteront dans 50 jours.
4. Temps nécessaire à l’activité pour atteindre 0,1 mCi.

Solution:

1. Le nombre d’atomes d’iode-131 peut être déterminé en utilisant la masse isotopique comme ci-dessous.

N _I-131 = m _I-131 . N _A / M _I-131

N _I-131 = (1 μg) x (6,02 × 10 ²³ noyaux / mol) / (130,91 g / mol)

N _I-131 = 4,6 x 10 ¹⁵ noyaux

2. L’activité de l’iode 131 dans les curies peut être déterminée en utilisant sa constante de désintégration :

L’iode 131 a une demi-vie de 8,02 jours (692928 s) et donc sa constante de désintégration est:

En utilisant cette valeur pour la constante de désintégration, nous pouvons déterminer l’activité de l’échantillon:

3) et 4) Le nombre d’atomes d’iode-131 qui resteront dans 50 jours (N _50d ) et le temps qu’il faudra pour que l’activité atteigne 0,1 mCi peuvent être calculés en utilisant la loi de décroissance:

Comme on peut le voir, après 50 jours, le nombre d’atomes d’iode 131 et donc l’activité sera environ 75 fois plus faible. Après 82 jours, l’activité sera environ 1200 fois plus faible. Par conséquent, le temps de dix demi-vies (facteur 2 ¹⁰ = 1024) est largement utilisé pour définir l’activité résiduelle.

Les rayons X , également connus sous le nom de rayonnement X , se réfèrent au rayonnement électromagnétique (pas de masse au repos, pas de charge) des hautes énergies. Les rayons X sont des photons de haute énergie avec des longueurs d’onde courtes et donc des fréquences très élevées. La fréquence de rayonnement est un paramètre clé de tous les photons, car elle détermine l’énergie d’un photon. Les photons sont classés en fonction des énergies des ondes radioélectriques de faible énergie et du rayonnement infrarouge, à travers la lumière visible, aux rayons X à haute énergie et aux rayons gamma .

La plupart des rayons X ont une longueur d’onde allant de 0,01 à 10 nanomètres (3 × 10 ¹⁶ Hz à 3 × 10 ¹⁹ Hz), correspondant à des énergies comprises entre 100 eV et 100 keV. Les longueurs d’onde des rayons X sont plus courtes que celles des rayons UV et généralement plus longues que celles des rayons gamma.

Rayons X mous et durs

Les rayons X sont généralement décrits par leur énergie maximale, qui est déterminée par la tension entre les électrodes. Les rayons X avec des énergies photoniques élevées (supérieures à 5 à 10 keV) sont appelés rayons X durs , tandis que ceux avec une énergie plus faible (et une longueur d’onde plus longue) sont appelés rayons X mous . En raison de leur capacité de pénétration, les rayons X durs sont largement utilisés pour l’image de l’intérieur d’objets visuellement opaques. Les applications les plus souvent vues sont en radiographie médicale. Étant donné que les longueurs d’onde des rayons X durs sont similaires à la taille des atomes, elles sont également utiles pour déterminer les structures cristallines par cristallographie aux rayons X. En revanche, les rayons X mous sont facilement absorbés dans l’air. La longueur d’atténuation des rayons X à 600 eV dans l’eau est inférieure à 1 micromètre.

Radiographie – Production

Étant donné que les rayons X sont des photons de haute énergie , qui ont une nature électromagnétique , ils peuvent être produits chaque fois que des particules chargées (électrons ou ions) d’énergie suffisante frappent un matériau. Il est similaire à l’ effet photoélectrique , où les photons peuvent être annihilés lorsqu’ils heurtent la plaque métallique, chacun remettant son énergie cinétique à un électron .

Les rayons X peuvent être générés par un tube à rayons X , un tube à vide qui utilise une haute tension pour accélérer les électrons libérés par une cathode chaude à une vitesse élevée. La cathode doit être chauffée pour émettre des électrons. Les électrons, accélérés par des différences de potentiel de dizaines de milliers de volts, visent une cible métallique (généralement faite de tungstène ou d’un autre métal lourd) dans un tube à vide. Plus la tension entre les électrodes est élevée, plus les électrons atteindront une énergie élevée. En frappant la cible, les électrons accélérés sont brusquement arrêtés et les rayons Xet de la chaleur sont générées. La majeure partie de l’énergie est transformée en chaleur dans l’anode (qui doit être refroidie). Seulement 1% de l’énergie cinétique des électrons est convertie en rayons X. Les rayons X sont généralement générés perpendiculairement à la trajectoire du faisceau d’électrons.

Une source spécialisée de rayons X qui est de plus en plus utilisée dans la recherche est l’accélérateur de particules, qui génère un rayonnement connu sous le nom de rayonnement synchrotron . Lorsque des particules chargées ultra-relativistes se déplacent à travers des champs magnétiques, elles sont obligées de se déplacer le long d’un chemin incurvé. Comme leur direction de mouvement change continuellement, ils accélèrent également et émettent donc des bremsstrahlung, dans ce cas, ils sont appelés rayonnement synchrotron .

Les rayons X peuvent également être produits par des protons rapides ou d’autres ions positifs. L’émission de rayons X induite par les protons ou l’émission de rayons X induite par les particules est largement utilisée comme procédure analytique.

Spectre de rayons X – caractéristique et continu

Pour les rayons X générés par un tube à rayons X, la partie de l’énergie qui est transformée en rayonnement varie de zéro à l’énergie maximale de l’électron lorsqu’il frappe l’anode. L’énergie maximale du photon de rayons X produit est limitée par l’énergie de l’électron incident, qui est égale à la tension sur le tube multipliée par la charge des électrons, de sorte qu’un tube de 100 kV ne peut pas créer de rayons X avec une énergie supérieure à 100 keV. Lorsque les électrons atteignent la cible, les rayons X sont créés par deux processus atomiques différents:

• Bremsstrahlung . Le bremsstrahlung est un rayonnement électromagnétique produit par l’accélération ou la décélération d’un électron lorsqu’il est dévié par de forts champs électromagnétiques de noyaux cibles à Z élevé (nombre de protons). Le nom bremsstrahlung vient de l’allemand. La traduction littérale est «rayonnement de freinage» . D’après la théorie classique, lorsqu’une particule chargée est accélérée ou décélérée, elle doit rayonner de l’énergie. Le bremsstrahlung est l’une des interactions possibles des particules chargées de lumière avec la matière (en particulier avec des nombres atomiques élevés). Ces rayons X ont un spectre continu. L’intensité des rayons X augmente linéairement avec une fréquence décroissante, à partir de zéro à l’énergie des électrons incidents, la tension sur le tube à rayons X. Changer le matériau à partir duquel la cible dans le tube est faite n’a aucun effet sur le spectre de ce rayonnement continu. Si nous devions passer d’une cible en molybdène à une cible en cuivre, par exemple, toutes les caractéristiques du spectre des rayons X changeraient à l’exception de la longueur d’onde de coupure.
• Emission caractéristique de rayons X. Si l’électron a suffisamment d’énergie, il peut faire sortir un électron orbital de la coquille électronique interne d’un atome de métal. Étant donné que le processus laisse une vacance dans le niveau d’énergie électronique d’où provient l’électron, les électrons externes de l’atome descendent pour remplir les niveaux atomiques inférieurs, et un ou plusieurs rayons X caractéristiques sont généralement émis. En conséquence, des pics d’intensité nets apparaissent dans le spectre à des longueurs d’onde qui sont une caractéristique du matériau à partir duquel la cible anodique est fabriquée. Les fréquences des rayons X caractéristiques peuvent être prédites à partir du modèle de Bohr.

Les rayons X , également connus sous le nom de rayonnement X , se réfèrent au rayonnement électromagnétique (pas de masse au repos, pas de charge) des hautes énergies. Les rayons X sont des photons de haute énergie avec des longueurs d’onde courtes et donc des fréquences très élevées. La fréquence de rayonnement est un paramètre clé de tous les photons, car elle détermine l’énergie d’un photon. Les photons sont classés en fonction des énergies des ondes radioélectriques de faible énergie et du rayonnement infrarouge, à travers la lumière visible, aux rayons X à haute énergie et aux rayons gamma .

La plupart des rayons X ont une longueur d’onde allant de 0,01 à 10 nanomètres (3 × 10 ¹⁶ Hz à 3 × 10 ¹⁹ Hz), correspondant à des énergies comprises entre 100 eV et 100 keV. Les longueurs d’onde des rayons X sont plus courtes que celles des rayons UV et généralement plus longues que celles des rayons gamma.

Radiographie – Production

Étant donné que les rayons X sont des photons de haute énergie , qui ont une nature électromagnétique , ils peuvent être produits chaque fois que des particules chargées (électrons ou ions) d’énergie suffisante frappent un matériau. Il est similaire à l’ effet photoélectrique , où les photons peuvent être annihilés lorsqu’ils heurtent la plaque métallique, chacun remettant son énergie cinétique à un électron .

Les rayons X peuvent être générés par un tube à rayons X , un tube à vide qui utilise une haute tension pour accélérer les électrons libérés par une cathode chaude à une vitesse élevée. La cathode doit être chauffée pour émettre des électrons. Les électrons, accélérés par des différences de potentiel de dizaines de milliers de volts, visent une cible métallique (généralement faite de tungstène ou d’un autre métal lourd) dans un tube à vide. Plus la tension entre les électrodes est élevée, plus les électrons atteindront une énergie élevée. En frappant la cible, les électrons accélérés sont brusquement arrêtés et les rayons Xet de la chaleur sont générées. La majeure partie de l’énergie est transformée en chaleur dans l’anode (qui doit être refroidie). Seulement 1% de l’énergie cinétique des électrons est convertie en rayons X. Les rayons X sont généralement générés perpendiculairement à la trajectoire du faisceau d’électrons.

Une source spécialisée de rayons X qui est de plus en plus utilisée dans la recherche est l’accélérateur de particules, qui génère un rayonnement connu sous le nom de rayonnement synchrotron . Lorsque des particules chargées ultra-relativistes se déplacent à travers des champs magnétiques, elles sont obligées de se déplacer le long d’un chemin incurvé. Comme leur direction de mouvement change continuellement, ils accélèrent également et émettent donc des bremsstrahlung, dans ce cas, ils sont appelés rayonnement synchrotron .

Les rayons X peuvent également être produits par des protons rapides ou d’autres ions positifs. L’émission de rayons X induite par les protons ou l’émission de rayons X induite par les particules est largement utilisée comme procédure analytique.

Rayons X mous et durs

Les rayons X sont généralement décrits par leur énergie maximale, qui est déterminée par la tension entre les électrodes. Les rayons X avec des énergies photoniques élevées (supérieures à 5 à 10 keV) sont appelés rayons X durs , tandis que ceux avec une énergie plus faible (et une longueur d’onde plus longue) sont appelés rayons X mous . En raison de leur capacité de pénétration, les rayons X durs sont largement utilisés pour l’image de l’intérieur d’objets visuellement opaques. Les applications les plus souvent vues sont en radiographie médicale. Étant donné que les longueurs d’onde des rayons X durs sont similaires à la taille des atomes, elles sont également utiles pour déterminer les structures cristallines par cristallographie aux rayons X. En revanche, les rayons X mous sont facilement absorbés dans l’air. La longueur d’atténuation des rayons X à 600 eV dans l’eau est inférieure à 1 micromètre.

Spectre de rayons X – caractéristique et continu

Pour les rayons X générés par un tube à rayons X, la partie de l’énergie qui est transformée en rayonnement varie de zéro à l’énergie maximale de l’électron lorsqu’il frappe l’anode. L’énergie maximale du photon à rayons X produit est limitée par l’énergie de l’électron incident, qui est égale à la tension sur le tube multipliée par la charge des électrons, de sorte qu’un tube de 100 kV ne peut pas créer de rayons X avec une énergie supérieure à 100 keV. Lorsque les électrons atteignent la cible, les rayons X sont créés par deux processus atomiques différents:

• Bremsstrahlung . Le bremsstrahlung est un rayonnement électromagnétique produit par l’accélération ou la décélération d’un électron lorsqu’il est dévié par de forts champs électromagnétiques de noyaux cibles à Z élevé (nombre de protons). Le nom bremsstrahlung vient de l’allemand. La traduction littérale est «rayonnement de freinage» . D’après la théorie classique, lorsqu’une particule chargée est accélérée ou décélérée, elle doit rayonner de l’énergie. Le bremsstrahlung est l’une des interactions possibles des particules chargées de lumière avec la matière (en particulier avec des nombres atomiques élevés). Ces rayons X ont un spectre continu. L’intensité des rayons X augmente linéairement avec une fréquence décroissante, à partir de zéro à l’énergie des électrons incidents, la tension sur le tube à rayons X. Changer le matériau à partir duquel la cible dans le tube est faite n’a aucun effet sur le spectre de ce rayonnement continu. Si nous devions passer d’une cible en molybdène à une cible en cuivre, par exemple, toutes les caractéristiques du spectre des rayons X changeraient à l’exception de la longueur d’onde de coupure.
• Emission caractéristique de rayons X. Si l’électron a suffisamment d’énergie, il peut faire sortir un électron orbital de la coquille électronique interne d’un atome de métal. Étant donné que le processus laisse une vacance dans le niveau d’énergie électronique d’où provient l’électron, les électrons externes de l’atome descendent pour remplir les niveaux atomiques inférieurs, et un ou plusieurs rayons X caractéristiques sont généralement émis. En conséquence, des pics d’intensité nets apparaissent dans le spectre à des longueurs d’onde qui sont une caractéristique du matériau à partir duquel la cible anodique est fabriquée. Les fréquences des rayons X caractéristiques peuvent être prédites à partir du modèle de Bohr.

Les rayons X , également connus sous le nom de rayonnement X , se réfèrent au rayonnement électromagnétique (pas de masse au repos, pas de charge) des hautes énergies. Les rayons X sont des photons de haute énergie avec des longueurs d’onde courtes et donc des fréquences très élevées. La fréquence de rayonnement est un paramètre clé de tous les photons, car elle détermine l’énergie d’un photon. Les photons sont classés en fonction des énergies des ondes radioélectriques de faible énergie et du rayonnement infrarouge, à travers la lumière visible, aux rayons X à haute énergie et aux rayons gamma .

La plupart des rayons X ont une longueur d’onde allant de 0,01 à 10 nanomètres (3 × 10 ¹⁶ Hz à 3 × 10 ¹⁹ Hz), correspondant à des énergies comprises entre 100 eV et 100 keV. Les longueurs d’onde des rayons X sont plus courtes que celles des rayons UV et généralement plus longues que celles des rayons gamma.

Étant donné que les rayons X (en particulier les rayons X durs) sont en substance des photons de haute énergie, ils constituent une matière très pénétrante et sont donc biologiquement dangereux. Les rayons X peuvent parcourir des milliers de pieds dans l’air et peuvent facilement traverser le corps humain.

Caractéristiques des rayons X – Propriétés

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

• Les rayons X sont des photons de haute énergie (environ 100 à 1 000 fois plus d’énergie que les photons visibles), les mêmes photons que les photons formant la gamme visible du spectre électromagnétique – la lumière.
• Les rayons X sont généralement décrits par leur énergie maximale, qui est déterminée par la tension entre les électrodes. Elle peut aller d’environ 20 kV à 300 kV. Le rayonnement à basse tension est appelé « doux » – et le rayonnement à haute tension est appelé « dur ».
• 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 X ionisent la matière 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
  • Diffusion de Rayleigh
• Les rayons X voyagent à la vitesse de la lumière et ils peuvent parcourir des centaines de mètres dans l’air avant de dépenser leur énergie.
• Comme les rayons X durs sont des matières très pénétrantes, ils doivent être protégés par des matériaux très denses, comme 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 .
• Pour les rayons X générés par un tube à rayons X, il existe deux types différents de spectres de rayons X:
  • Bremsstrahlung
  • Rayons X caractéristiques
• Les rayons X caractéristiques accompagnent fréquemment certains types de désintégrations nucléaires, telles que la conversion interne et la capture d’électrons .

Découverte des rayons X – Wilhelm Conrad Röntgen

Des rayons X ont été découverts le 8 novembre 1895 par le professeur de physique allemand Wilhelm Conrad Röntgenà l’Université de Würtzburg en Allemagne. Il étudiait les décharges électriques dans des tubes en verre remplis de divers gaz à très basse pression. Dans ces expériences, Röntgen avait recouvert le tube de papier noir et avait obscurci la pièce. Il a ensuite découvert qu’un morceau de papier peint avec un colorant fluorescent, à une certaine distance du tube, brillerait lorsqu’il allumerait la haute tension entre les électrodes dans le tube. Il s’est rendu compte qu’il avait produit une «lumière invisible» ou rayon auparavant inconnue, qui était émise par le tube et un rayon qui pouvait passer à travers le papier épais recouvrant le tube. Röntgen a appelé le rayonnement «X», pour indiquer qu’il s’agissait d’un type de rayonnement inconnu.

Conscient de l’importance de sa découverte, Röntgen a concentré toute son attention sur l’étude de ce nouveau rayonnement qui avait la propriété inhabituelle de passer à travers du papier noir. Grâce à des expériences supplémentaires, il a également constaté que le nouveau rayon traverserait la plupart des substances projetant des ombres d’objets solides tels que des blocs de bois, des livres et même sa main. Il a découvert que les rayons X se propagent en lignes droites d’où ils ne sont déviés ni par les champs électriques ni magnétiques. La première image radiographique était une image de la main de sa femme sur une plaque photographique formée à cause des rayons X. Sa découverte s’est rapidement répandue dans le monde et Wilhelm Conrad Röntgen a reçu le premier prix Nobel de physique pour sa découverte.

……………………………………………………………………………………………………………………………….

Cet article est basé sur la traduction automatique de l’article original en anglais. Pour plus d’informations, voir l’article en anglais. Pouvez vous nous aider Si vous souhaitez corriger la traduction, envoyez-la à l’adresse: translations@nuclear-power.com ou remplissez le formulaire de traduction en ligne. Nous apprécions votre aide, nous mettrons à jour la traduction le plus rapidement possible. Merci

En général, la fission nucléaire est une réaction nucléaire dans laquelle le noyau d’un atome se divise en parties plus petites (noyaux plus légers). Le processus de fission produit souvent des neutrons et des photons libres (sous forme de rayons gamma ) et libère une grande quantité d’énergie . En physique nucléaire, la fission nucléaire est soit une réaction nucléaire, soit un processus de désintégration radioactive . Le cas du processus de désintégration est appelé fission spontanée  et c’est un processus très rare.

La fission spontanée est également possible si nous étudions la courbe de liaison nucléaire . Ce type de désintégration est énergétiquement possible pour un noyau ayant A> 100. Bien que l’on s’attende à ce que la fission spontanée devienne plus probable à mesure que le nombre de masse augmente, c’est encore un processus très rare même dans l’uranium.

La fission spontanée n’est possible pendant les périodes d’observation pratique que pour des nombres de masse supérieurs à environ 232. Par exemple, ²³² Th, ²³⁵ U et ²³⁸ U sont des nucléides primordiaux et ont laissé des preuves d’une fission spontanée dans leurs minéraux.

Pour les éléments transuraniens lourds, le taux de transition de fission spontanée augmente avec le nombre de masse et il peut devenir le mode de désintégration dominant à des nombres de masse supérieurs à 260 environ.

De même que pour la désintégration alpha , une fission spontanée se produit également en raison de l’effet tunnel quantique . Les fissions spontanées libèrent des neutrons comme toutes les fissions, ce qui contribue au flux neutronique dans un réacteur sous – critique . Les radio-isotopes pour lesquels la fission spontanée n’est pas négligeable peuvent être utilisés comme sources de neutrons. Par exemple, le californium-252 (demi-vie de 2,645 ans, rapport de branche SF d’environ 3,1%) peut être utilisé à cette fin.

La fission spontanée des isotopes naturels de l’uranium (uranium-238 et uranium-235) laisse des traces de dommages dans la structure cristalline des minéraux contenant de l’uranium lorsque les fragments de fission reculent à travers eux. Une technique de datation radiométrique basée sur des analyses de ces traces de dommages, ou traces, laissées par des fragments de fission dans certains minéraux et verres uranifères est connue sous le nom de datation sur trace de fission .

Fission spontanée de certains noyaux

Les principaux isotopes, qui doivent être pris en compte dans le cycle du combustible de tous les réacteurs commerciaux à eau légère, sont:

Isotopes de l’uranium

• ²³⁸ U . ²³⁸U appartient au groupe desisotopes fertiles. ²³⁸U se désintègre viala désintégration alphajusqu’ಳ⁴Th avec une demi-vie d’environ 4,5 × 10⁹ans. ²³⁸U se désintègre occasionnellement par fission spontanée avec une probabilité de 0,000055%. Son activité spécifique est très faible ~ 3,4 × 10^-7 Ci / g.
• ²³⁵ U . ²³⁵U appartient au groupe desisotopes fissiles. En fait,²³⁵U est le seul noyau fissile existant à partir d’isotopes naturels et c’est donc un matériau hautement stratégique. ²³⁵U se désintègre via la désintégration alpha (par le biais de thorium-231) en²³¹Pa avec une demi-vie d’environ 7 × 10⁸ans. ²³⁵U se désintègre parfois par fission spontanée avec une très faible probabilité de 0,000000000072%. Son activité spécifique est très faible ~ 2,2 × 10-6 Ci / g.
• ²³⁴ U . ²³⁴U appartient au groupe desisotopes fertiles. ²³⁴U se désintègre via la désintégration alpha jusqu’ಳ⁰Th avec une demi-vie de 246 000 ans. ²³⁴U se désintègre occasionnellement par fission spontanée avec une très faible probabilité de 0,000000000017%. Son activité spécifique est beaucoup plus élevée ~ 0,0063 Ci / g.

Isotopes du plutonium

• ²³⁸ Pu . ²³⁸ Pu appartient au groupe des isotopes fertiles. ²³⁸ Pu se désintègre via la désintégration alpha jusqu’à ²³⁴ U  avec une demi-vie de 87,7 ans. ^{Le 238} Pu génère une chaleur de désintégration très élevée et présente un taux de fission spontanée très élevé.
• ²³⁹ Pu . ^{Le 239}Pu appartient au groupe des isotopes fissiles. ²³⁹Pu se désintègre via la désintégration alpha jusqu’à ²³⁵ U avec une demi-vie de 24100 ans. Cet isotope est le principal isotope fissile utilisé.
• ²⁴⁰ Pu . ²⁴⁰Pu appartient au groupe desisotopes fertiles. ²⁴⁰Pu se désintègre via la désintégration alpha jusqu’à ²³⁶ U avec une demi-vie de 6560 ans. ^{Le 240}Pu a un taux de fission spontanée très élevé et une section efficace de capture radiative élevée pour les neutrons thermiques et aussi pour les neutrons de résonance.
• ²⁴¹ Pu . ^{Le 241}Pu appartient au groupe des isotopes fissiles. ²⁴¹Pu se désintègre via une désintégration bêta négative jusqu’à²⁴¹Am avec une demi-vie de 14,3 ans. Cet isotope fissile se désintègre en isotope non fissile avec une section efficace de capture radiative élevée pour les neutrons thermiques. Un impact sur la réactivité du combustible nucléaire est évident.

Autres isotopes

• ²⁴² cm. ²⁴² Cm se désintègre via la désintégration alpha avec une demi-vie de 162 jours. ²⁴² Cm se désintègre occasionnellement par fission spontanée avec une probabilité de 0,0000061%.
• ²⁵² Cf. ²⁵² Cf (demi-vie de 2,645 ans, rapport de branche SF d’environ 3,1%) peuvent être utilisés dans la source de neutrons primaire pour un meilleur suivi des opérations de démarrage et d’arrêt du réacteur lorsque le réacteur est sous-critique.

Fission spontanée et neutrons de source

Le terme « neutrons sources » fait référence à des neutrons autres que les neutrons de fission rapide ou retardée . En général, ils proviennent de sources autres que la fission induite par les neutrons. Ces neutrons sont très importants lors des opérations de démarrage et d’arrêt du réacteur lorsque le réacteur est sous-critique, car ils permettent de surveiller la sous-criticité d’un réacteur généralement via des détecteurs de neutrons excore à plage de sources.

Dans les réacteurs nucléaires, la fission spontanée est également très importante de ce point de vue. Dans un assemblage de combustible nucléaire irradié, il y a des nucléides, qui subissent un processus de fission spontanée. Comme il a été écrit, la fission spontanée est en fait une forme de désintégration radioactive qui ne se trouve que dans les éléments chimiques très lourds (en particulier les éléments transuraniens). Par exemple, ²⁴⁰ Pu a un taux très élevé de fission spontanée. Pour le combustible à haut taux de combustion, les neutrons sources sont fournis principalement par la fission spontanée des noyaux de curium (Cm-242 et Cm-244).

Source primaire de neutrons

Parfois, les neutrons sources doivent être artificiellement ajoutés au système. La source externe de neutrons contient un matériau qui émet des neutrons et des gaines pour fournir une barrière entre le liquide de refroidissement du réacteur et le matériau. Les sources externes sont généralement chargées directement dans le cœur du réacteur (par exemple, dans des tubes de guidage). Les sources de neutrons, basées sur la fission spontanée, sont appelées sources primaires . La source primaire de neutrons n’a pas besoin d’être irradiée pour produire des neutrons. Ces sources peuvent être utilisées notamment dans le cas d’un premier cœur (c’est-à-dire un cœur composé uniquement de combustible frais). La source primaire de neutrons est basée sur la réaction de fission spontanée. La source de fission spontanée la plus couramment utilisée est l’isotope radioactif californium-252. Le Cf-252 et toutes les autres sources de neutrons à fission spontanée sont produits en irradiant de l’uranium ou un autre élément transuranien dans un réacteur nucléaire, où les neutrons sont absorbés dans la matière de départ et ses produits de réaction ultérieurs, transmutant la matière de départ en isotope SF.