La méthode en Spectrométrie par Scintillation Liquide

Développement méthodologique

Chaque article développe sa propre méthodologie. Cependant, pour plus de clarté, il est nécessaire de détailler quelques méthodologies de base. En effet, quelques-unes se répètent d’une façon systématique dans la plupart des travaux. Ceci concerne surtout la spectrométrie gamma de l’environnement. D’autres n’ont pas été suffisamment développés, à cause des contraintes liées à la longueur des articles. La spectrométrie par scintillation liquide et la méthode d’analyse par diffraction des rayons X sont les plus concernées.
Les radionucléides de ce sous-groupe produisent plusieurs pics gamma, qui sont en général de faible intensité, les rendant difficilement utilisables pour des activités au niveau environnemental. Plusieurs études ont montré que dans les échantillons géologiques, le couple Pa-227 Ac peut être considéré comme en équilibre (Mangini et Sonntag, 1977). Dans ce cas, un stockage de 5 mois permet d’établir l’équilibre entre l’Ac-227 et ses descendants. On peut alors mesurer l’activité du groupe à partir des pics du Th-227 (Yokohama et Ngyen, 1980). Parmi les pics de faible intensité du Th-227, le pic d’énergie 235,97 KeV est le plus favorable pour déterminer l’activité du sous-groupe. Cependant, ce pic se trouve dans une région contenant un quadruplet, et nécessite une déconvolution spectrale, qui est abordée dans la section suivante.
Le tableau 2 récapitule les informations relatives aux sous-groupes en termes de spectrométrie gamma.

Déconvolution en spectrométrie gamma

Nous avons montré dans la section précédente que la plupart des pics d’un spectre d’énergie gamma sont résolus par un détecteur à semi-conducteur de haute résolution (FWHM < 2 KeV à 1332,5 KeV). Néanmoins, des pics provenant des radionucléides qui nous intéressent dans l’étude de la radioactivité environnementale subissent des interférences et sont confondus en multiplet. Une déconvolution est alors nécessaire pour séparer les pics confondus.

Position du problème

La déconvolution spectrale analytique consiste à déterminer les paramètres d’une fonction de lissage qui est une somme de fonctions semi-gaussiennes SG j représentant les pics à déconvoluer, c’est-à-dire :

Application pour le quadruplet à 234-243 KeV

Dans la fenêtre d’énergie 234-243 KeV, quatre pics sont convolués (Harbottle et Evans, 1997).
Les caractéristiques sont données dans le tableau 3.
Le pic le plus intense à 238,62 KeV provient du Pb-212, qui suit immédiatement le thoron. Il est généralement le plus abondant dans le sol, et le plus intense parmi les pics du quadruplet. Le pic du Ra-224 à 240,99 KeV a une faible intensité, mais c’est le seul permettant de déterminer directement ce radionucléide précurseur du thoron. Le rapport entre ces deux pics permet donc d’étudier l’effet de partition avant et après le thoron, indépendamment des autres éléments du sous-groupe 9, en particulier le Th-228 et le Tl-208.

La méthode en Spectrométrie par Scintillation Liquide

Les radionucléides naturels de l’environnement proviennent des familles de l’uranium et du thorium. L’abondance de l’isotope U-235 est très inférieure à celle de l’U-238, et la présence de ses descendants peut être négligée dans les échantillons naturels. En plus, le radium est plus soluble que l’uranium et le thorium en phase aqueuse. Ainsi, ce sont les isotopes Ra-226, Ra-228, Ra-224 et leurs descendants de courte période (voir Figure 1) qui contribuent principalement à la radioactivité des eaux.

Matériels et méthode en comptage par scintillation liquide

Les mesures de la radioactivité , ou du radium et radon en phase aqueuse sont généralement basées sur la détection des particules et émises. Parmi les différentes techniques, le comptage par scintillation liquide (CSL) permet de quantifier ces radionucléides émetteurs alpha et beta. L’efficacité de détection proche de 100% fait que le CSL est adapté à la mesure des faibles activités. Plus récemment, au lieu du simple comptage, on peut produire du spectre. On parle alors de Spectrométrie par Scintillation Liquide (SSL) (Möbius, 2002)).
Lors de nos études sur la radioactivité des eaux, le Triathler LSC Multilabel Test modèle 425-034, construit par Hidex Oy, a été utilisé. C’est un appareil portatif, qui permet de faire des mesures sur terrain, directement après prélèvement. Il permet ainsi de détecter et suivre l’évolution des radionucléides de courte période. L’appareil est approprié pour la mesure des
La méthode en spectrométrie par Scintillation liquide sous-groupes du radium (Ra-226, Ra-228, Ra-224) et leurs descendants. Citons en particulier le gaz radon qui est soluble dans l’eau. En plus du comptage, le Triathler permet d’obtenir un spectre d’énergie des particules et .
Le Triathler est alors équipé d’un séparateur – . Ainsi trois types de spectre peuvent être obtenus :
– un spectre à une dimension où les signaux et se superposent ;
– un spectre à une dimension où les signaux et sont séparés ;
– un spectre à deux dimensions où les signaux et sont présents mais séparés. Dans ce spectre, l’axe des ordonnées correspond à la durée des impulsions (PLI : Pulse Length Index) qui sont différentes pour l’impulsion et l’impulsion .
Les spectres typiques sont présentés sur la figure 2.
Le programme Commfil permet de transférer un spectre vers l’ordinateur. On peut ainsi stocker le spectre, et faire un traitement supplémentaire, comme l’ajustement manuel des régions d’intérêt (ROI). Finalement, l’aire nette d’une ROI permet d’avoir le nombre de coups ou le taux de comptage (en cps ou cpm) (Hidex Oy).
En général, le spectre est discret, tandis que le spectre est continu. Néanmoins, à cause de l’insuffisance de la résolution en énergie liée au mécanisme de détection par scintillation liquide, les pics produits par les radionucléides sont souvent confondus, sinon faiblement séparés.
Ils proviennent donc de plusieurs contributions ayant des activités qui, en raison de la décroissance radioactive, évoluent différemment dans le temps. Pour pouvoir interpréter ces courbes d’évolution temporelle, une étude plus détaillée des équations de la radioactivité est effectuée dans la section suivante.

Les courbes des figures 3, a) c) e) concernent le couple [Ra-226, Rn-222]

Les courbes correspondent aux cas où le Ra-226 est présent dans le cocktail scintillateur liquide. L’activité du Ra-226 reste constante durant la mesure, en raison de sa longue période radioactive (1602 ans). L’activité du Rn-222 (ainsi que de chaque descendant) croit ou décroit
uniformément vers celle du Ra-226, jusqu’à l’état d’équilibre séculaire. Par conséquent, la radioactivité totale évolue uniformément vers une valeur d’équilibre, généralement non nulle et proportionnelle à l’activité du Ra-226. Cette valeur d’équilibre est atteinte après 3-4 semaines.
Les courbes des figures 3, b) d) f) concernent le couple [Rn-222, (Po-218, …)].
Les courbes correspondent aux cas où le Rn-222 dans l’échantillon analysé n’est pas supporté. Ceci peut se réaliser quand on utilise un cocktail scintillateur liquide de forme organique, non miscible avec la phase aqueuse. Alors, seul le Rn-222 qui passe en phase organique est mesuré avec ses descendants.
L’activité du Rn-222 décroit exponentiellement vers zéro, en raison de sa courte période radioactive (3,825 jours). De même, la radioactivité totale tend vers zéro. Cependant, quand l’activité initiale du descendant est inférieure à celle du Rn-222, c’est-à-dire < , la courbe passe par un maximum avant de décroître. L’instant t m du maximum dépend du descendant présent dans l’échantillon. Pour , t m est donné par :

Principe de la diffraction cristalline des rayons X

Les minéraux forment des réseaux cristallins qui peuvent être considérés comme des réseaux de diffraction tridimensionnels. Dans ces réseaux 3D, les nœuds suivant les rangées peuvent être considérés comme des centres de diffraction (figure 1).

La méthode de diffraction de poudre

La troisième méthode, dite méthode des poudres, a été développée par Debye et Scherrer.
Une poudre de cristaux broyés et compressés, avec des grains de dimension inférieure à 20 m, est éclairée par un faisceau de RX monochromatique. Par suite d’un parfait désordre dans l’orientation des microcristaux de la poudre, il y en aura toujours qui sont disposés sous un angle répondant aux conditions de Laue/Bragg. Dans ce cas, les rayons réfléchis/diffusés ont une symétrie axiale suivant la direction du faisceau incident. Ils suivent alors la surface d’un cône Principe de la diffraction cristalline des rayons X d’angle au sommet égal à 2 (figure 4). Captés par un écran, ils forment l’anneau de DebyeScherrer.

Conclusion

En cristallographie appliquée, angle de diffraction et intensité des raies fournissent une signature qui peut être comparée à une base de données. La base de données la plus reconnue est le Powder Diffraction File (PDF) produite par l’International Centre for Diffraction Data (ancien Joint Committee for Powder Diffraction Studies), contenant plus 550 000 entrées (année 2006).
L’avantage de la méthode des poudres consiste dans le fait que i) elle n’exige pas de grands cristaux de qualité parfaite, et ii) elle permet d’analyser une substance multi-cristalline, tels que les roches ou les minerais.
Cette troisième technique d’analyse cristallographique par diffraction des RX par la méthode des poudres est utilisée dans le cadre d’une étude rapportée dans cette synthèse (article 7).

Pollution de la Ville d’Antananarivo par le Radio-isotope Artificiel Césium-137

Contexte

La pollution radioactive de l’environnement a commencé avec le développement à grande échelle du nucléaire, c’est-à-dire après 1940. Elle provient en général de deux sources : de sourcemilitaire suite aux essais des armes à fission ou à fusion nucléaires (bombe A ou bombe H), ou des rejets contrôlés ou accidentels provenant des installations nucléaires ou radio-isotopiques. Mais d’un côté, Madagascar n’a ni centrale nucléaire, ni des installations radio-isotopiques de grande envergure, et de l’autre côté, se trouve géographiquement loin de ces sources de pollution. Ainsi,on n’aurait pas dû s’attendre à de tel phénomène au niveau local. Cependant, suite à quelques indices, une équipe de recherche de l’INSTN-Madagascar a envisagé de l’étudier. Un projet intitulé « Etude de la Radioactivité ambiante à Antananarivo » a ainsi été monté. Ce projet qui a été financé par le Ministère de de l’Enseignement Supérieur, à travers un Contrat Programme de Recherche, a été mis en œuvre pendant 3 ans, entre Avril 1998 et Avril 2001.

Matériels et méthode

Des échantillons de sols de surface ont été prélevés dans différents endroits de la ville d’Antananarivo. Les campagnes de prélèvement ont été répétées sur trois ans. Les échantillons ont été amenés au laboratoire de l’INSTN-Madagascar pour préparation. Comme les radionucléides émetteurs gamma ont été ciblés en premier lieu, les mesures ont été effectuées à l’aide d’un spectromètre gamma de haute résolution en énergie, utilisant un détecteur HPGe. Les durées de mesure ont été suffisamment longues pour détecter de faibles activités.

Résultats

Sur douze mesures effectuées, la présence du Cs-137 a été mise en évidence dans six cas. Les activités spécifiques étaient relativement faibles, variant entre 0,20 Bq.kg -1 et 1,50 Bq.kg -1 . Le Cs-137 a été détecté soit sur des sites non ou faiblement perturbés, soit en des endroits de dépôt de sols lessivés par la pluie. Il n’a pas été détecté en profondeur.
Ainsi, le fait que le radiocésium n’a pas été détecté dans tous les cas suggère que la contamination radioactive 1) est surfacique et 2) n’est pas très ancienne. Cette étude préliminaire a montré la globalité de la pollution radioactive, et que Madagascar n’est pas épargné. D’où la nécessité de mener des études radio-écologiques à Madagascar, mêmesi notre pays n’a pas encore d’activités nucléaires d’envergure.

Publication

Raoelina Andriambololona, Ravelomanantsoa, S. D., Rabesiranana, N. (2000).- Pollution de la Ville d’Antananarivo par le Radioisotope Artificiel Césium-137.- Bull. Acad. Natn. Art. Let. Sci.- Tome75/1-2, 1998

Matériels et méthode

Des comptages des rayonnements X et gammas ambiants totaux ont été faits à l’aide de détecteur NaI(Tl). Les débits de dose ambiante ont été mesurés à l’aide de dosimètres X et gamma. Les doses ambiantes provenant de la radioactivité de l’air et du radon ont été mesurées particulièrement à l’aide d’un dosimètre alpha qui mesure les potentiels alphas de l’air. Pour calculer les doses d’exposition d’une façon indirecte, des échantillons de sols ont aussi été collectés pour fin d’analyse des radionucléides sources des rayonnements ionisants. Durant les 3 ans de l’étude, plus de cent mesures in-situ ont été effectuées, à l’intérieur comme à l’extérieur,de jour comme de nuit.

Résultats

Les activités des familles de l’uranium et du thorium dans le sol ont été déterminées. De même, le radionucléide artificiel Cs-137 a été détecté et quantifié dans la plupart des sols. Il a été déduit que la contribution des radionucléides telluriques aux expositions à 1 m du sol est de 77 nGy.h-1. Les concentrations moyennes du radon de l’air, à l’intérieur et à l’extérieur, ont été estimées à 7,13 Bq.m -3 et 60,7 Bq.m -3 respectivement, soient de l’ordre du niveau moyen mondial, qui est 40 Bq.m-3 , mais nettement inférieures au niveau admissible, qui est de 400 Bq.m -3 .
L’exposition annuelle d’un habitant d’Antananarivo a été estimée à 5,3 mSv.a -1 , légèrement supérieure au niveau moyen mondial, qui est de 2,4 mSv.a -1, mais reste à un niveau acceptable.

Investigating the spatial anisotropy of soil radioactivity in the region of Vinaninkarena, Antsirabe Madagascar

Contexte

La région de Vinaninkarena a une radioactivité ambiante élevée, à cause de l’existence d’une formation uranifère à urano-circite et urano-autunite. Pour une évaluation scientifique ou minière, les prélèvements doivent être effectués à des espacements plus ou moins réguliers. Un compromis sur le nombre de prélèvements doit être trouvé : moins de prélèvement détruit la représentativité, trop de prélèvement entraîne un coût insupportable. Pour aider à trouver le nombre minimal acceptable d’échantillons, une étude géostatistique a été menée. Le but est dedéterminer la structure spatiale de la radioactivité du site uranifère.

Matériels et méthode

Basé sur l’existence d’un changement de relief, deux sites ont été étudiés. Sur chaque site, les points de prélèvement ont été alignés et se trouvent sur deux transects croisés : l’un suivant la direction Est-Ouest et l’autre Nord-Sud. Un appareil Magellan GPS 375 a été utilisé pour déterminer et maintenir une distance de 30 m entre les points de prélèvement. La longueur d’un transect est de 600 m. Au total, quatre-vingt-deux (82) échantillons de sol de surface ont été prélevés, et ont été analysés pour l’uranium et le thorium par spectrométrie gamma. Pour déterminer la structure spatiale de la radioactivité, l’analyse géostatistique a été utilisée. La distribution statistique des concentrations de l’uranium ayant une asymétrie fortement positive, une transformation log-normale a été effectuée. A partir de 840 données appariées, et à l’aide du logiciel Surfer 8.0, les semi-variances ont été calculées, les courbes de variogramme modélisées ettracées.

Résultats

Alors que tous les variographes sont bornés, une faible anisotropie spatiale est détectée. La dépendance spatiale dépend ainsi de la direction. La limite de dépendance spatiale, exprimée par la portée/range, est plus courte dans la direction Est-Ouest que dans la direction Nord-Sud. De plus, la micro-variabilité, exprimée par l’effet de pépite/nugget effect, est plus élevée le long de la direction Est-Ouest que dans la direction Nord-Sud. Le variographe permet de prédire par interpolation les valeurs à des emplacements non échantillonnés et d’estimer les incertitudes associées. L’intervalle d’échantillonnage doit être inférieur à la portée. Dans notre cas, il doit être de l’ordre de 100 m. En outre, il doit être plus faible dans la direction Est-Ouest que dans la direction Nord-Sud.

Publication

Rabesiranana, N., Rasolonirina, M., Solonjara, A. F., Raoelina Andriambololona (2009). Investigating the spatial anisotropy of soil radioactivity in the region of Vinaninkarena, AntsirabeMadagascar.- Proceedings of the 4th High-Energy Physics International Conference, 21 28 August 2009 (HEP-MAD 09), Antananarivo, Madagascar

Table des matières

Arrêté n° 257/14/PUA fixant les modalités d’application à l’Université d’Antananarivo du régime de l’Habilitation à Diriger des Recherches (HDR)
I. Introduction
II. Cadre général des travaux présentés
II.1. Les collaborateurs et institutions partenaires
II.2. Les projets de recherche
III. Les publications, conférences et journaux 
III.1. Les articles scientifiques
III.2. Les éditeurs
IV. Activités d’expertise dans le domaine de recherche
IV.1. Les missions d’expert
IV.2. Les supervisions
IV.3. Organisateur local et directeur de cours
V. Développement méthodologique 
V.1. La méthode en spectrométrie gamma
V.2. La méthode en Spectrométrie par Scintillation Liquide
V.3. Principe de la diffraction cristalline des rayons X
VI. Présentation des articles
Article n° 1 : Pollution de la Ville d’Antananarivo par le Radio-isotope Artificiel Césium-137
Article n° 2 : Environmental Ionising Radiation Study: Assessment of the Public Exposure to the Environmental Gamma and X Rays, and to Radon in Antananarivo City
Article n° 3 : Radon Progenies as a Source of Alpha-Beta Radioactivity in Drinking Water in Vinaninkarena, Antsirabe-Madagascar
Article n° 4 : Top soil radioactivity assessment in a high natural radiation background area: The case of Vinaninkarena, Antsirabe –Madagascar
Article n° 5 : Investigating the spatial anisotropy of soil radioactivity in the region of Vinaninkarena, Antsirabe-Madagascar
Article n° 6 : Preliminary study of a radiological survey in an abandoned uranium mining area in Madagascar
Article n° 7 : Crystallographic study of uranium-thorium bearing minerals in Tranomaro, south-east Madagascar
Article n° 8 : Contribution à l’étude de la radioactivité gamma du sable des plages de Ramena et d’Orangea, Antsiranana, Madagascar
Article n° 9 : Contribution à l’étude de dose due à la radioactivité gamma du sol sur la rive de la baie des Français, Antsiranana, Madagascar
Article n° 10 : Fallout of Pu-238 over Madagascar following the SNAP 9A satellite failure
Article n° 11 : Assessment of the level of soil degradation in three watersheds affected by intensive farming practices in Benin
Article n° 12 : Use of FRN Techniques ( Cs and Pb ex) to Document Soil Erosion and Soil Redistribution on Manually-tilled Hillslopes in the Madagascar Highland
Article n° 13 : Assessment of soil redistribution rates by Cs and Pbex in a typical Malagasy agricultural field