Quel est le principe de fonctionnement de la spectrométrie gamma ?

Le principe de spectrométrie gamma consiste à identifier des éléments radioactifs en mesurant l'énergie des rayonnements gamma qu'ils émettent. En mesurant l'énergie des photons avec un spectromètre gamma, il est possible de déterminer la nature des éléments radioactifs et leur activité. Cette méthode est employée dans divers domaines, tels que la radioprotection, la gestion des déchets nucléaires et la recherche scientifique, offrant des résultats précis et fiables pour l'analyse des matériaux radioactifs.

Les photons gamma sont une forme de rayonnement électromagnétique à très haute énergie. Lorsqu'ils interagissent avec la matière, ils peuvent subir différents types d'interactions comme l'effet photoélectrique, l'effet Compton et la création de paires.

La création de paires est un processus d'interaction entre un photon gamma de très haute énergie (supérieure à 1,02 MeV) et le champ électrique d'un noyau atomique. Lors de cette interaction, le photon gamma se convertit en une paire électron-positron. Ce phénomène est important dans le principe de fonctionnement d’une spectrométrie gamma car il permet de détecter et d'identifier certains radionucléides émetteurs de photons gamma de très haute énergie.

Ces détecteurs utilisent des cristaux, tels que le NaI (Iodure de sodium) activé au thallium. Ils émettent de la lumière lorsqu’ils sont traversés par des photons gamma. La lumière émise est ensuite convertie en signal électrique. Les détecteurs à scintillation peuvent également être intégrés dans des spectromètre gamma portables.

Les détecteurs en germanium hyperpur (HPGe) sont largement utilisés en raison de leur haute résolution en énergie. Ils sont très sensibles aux photons gamma et sont souvent utilisés dans des environnements nécessitant une grande précision

Un spectre d'énergie en spectrométrie gamma est un graphique qui montre la distribution des photons gamma détectés selon leur énergie, exprimée en keV ou MeV. Chaque pic représente une énergie spécifique émise par un radionucléide, comme un pic à 661,6 keV pour le Césium-137 (Cs-137).

Les pics d'absorption totale, avec une résolution pouvant atteindre 0,1 % à 1 MeV pour un détecteur HPGe, fournissent des informations sur la quantité de radionucléides présents. De plus, la surface du pic est proportionnelle à l'activité, mesurée en becquerels

L'étalonnage en énergie des détecteurs gamma se fait en utilisant des sources radioactives dont les énergies des photons gamma sont connues avec précision. Ces sources émettent des rayonnements à des énergies spécifiques, comme 661,6 keV pour le Césium-137 ou 1 332 keV pour le Cobalt-60. Le processus consiste à mesurer les impulsions électriques générées par le détecteur pour ces énergies. Par la suite, il faut les associer aux valeurs d'énergie correspondantes.

On trace ensuite une courbe d'étalonnage en associant les amplitudes des impulsions aux énergies. Cette courbe doit être droite, ce qui signifie que la réponse du détecteur est linéaire sur la plage d'énergies mesurées. Le détecteur est ainsi calibré pour des énergies précises. De plus, cela permet de convertir les signaux électriques détectés en valeurs d'énergie photonique lors de futures mesures.