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Les très basses radioactivités

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La composante des faibles radioactivités s’est naturellement développée au CENBG au cours des quinze dernières années sous l’impulsion des recherches sur la décroissance double bêta sans émission de neutrino. En effet, le signal recherché est tellement rare que les matériaux mêmes du détecteur NEMO doivent être exempts de toute radioactivité susceptible de mimer une émission de deux électrons. C’est pourquoi, il a fallu mettre en place une technique capable de sélectionner et de contrôler la radiopureté des matériaux entrant dans la construction du détecteur.

La technique de spectrométrie gamma à l’aide de détecteurs germanium possède de nombreuses caractéristiques avantageuses ayant permis d’effectuer cette sélection. Le groupe du CENBG a ainsi développé des spectromètres gamma bas bruit de fond en étroite collaboration avec l’entreprise Canberra-Eurysis. L’expression « bas bruit de fond » signifie que ces détecteurs sont capables de mesurer des niveaux d’activité très faibles, 10 000 à 100 000 fois inférieurs à ceux que l’on rencontre généralement dans la nature. A titre d’exemple, les détecteurs Ge peuvent mesurer des activités de l’ordre de quelques mBq/kg alors que la radioactivité du corps humain est de l’ordre de 50 Bq/kg pour l’élément 40K.

Pour atteindre de telles sensibilités, le spectromètre doit être lui-même conçu avec des matériaux d’une grande radiopureté. Il faut ensuite le protéger de la radioactivité naturelle ambiante composée principalement de rayonnements gamma. C’est pourquoi on l’entoure généralement d’un blindage composé de matériaux lourds tels que le cuivre ou le plomb. La photographie suivante illustre l’installation d’un détecteur Germanium coaxial de 400 cm3 au Laboratoire souterrain de Modane.

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Détecteur Germanium

Actuellement, nous disposons au LSM de deux spectromètres Ge coaxiaux de 400 cm3 de volume. Ces détecteurs sont dédiés à la mesure des matériaux pour le détecteur BiPo ainsi que pour les prototypes de SuperNEMO. Des mesures de poudres de 82Se, émetteur double bêta, sont également en cours pour estimer les niveaux de radioactivité naturelle et tester les méthodes de purifications physique et chimique faites aux USA ou en Russie. A l’avenir, un autre candidat émetteur double bêta pour SuperNEMO, le 150Nd, sera également mesuré par spectrométrie gamma bas bruit de fond.

En plus des détecteurs germanium installés au LSM et avant la mise en service de PRISNA, nous disposions au sous-sol d’un bâtiment de l’université de Bordeaux 1 de plusieurs spectromètres gamma partiellement dédiés aux mesures de radiopureté pour l’expérience SuperNEMO. Le bâtiment offre une protection de 2,5 m de béton, suffisante pour atténuer la composante hadroniques (protons, neutrons) des rayonnements cosmiques, mais quasiment sans effet sur le flux de muons. C’est pourquoi, la mise en place d’un nouveau type de blindage a été nécessaire pour minimiser les effets des muons et des neutrons rapides induits par les réactions de spallation des hadrons résiduels sur le plomb. Une couche de polyéthylène boré permet aussi de thermaliser et de capturer les neutrons rapides avant qu’ils n’interagissent avec le cristal de germanium. Nous disposons également des scintillateurs plastiques au-dessus du spectromètre gamma de façon à rejeter tout événement germanium corrélé aux cosmiques : on parle alors de véto anti-cosmique. Ces spectromètres gamma sont à présent à PRISNA sur le campus du CENBG.

Bien que perdant, par rapport au LSM, environ un ordre de grandeur sur le niveau de bruit de fond, l’installation de spectromètres gamma au niveau de la mer a été motivée sur essentiellement les trois arguments suivants :

  1. Effectuer un tri des échantillons avant l’envoi à Modane, de façon à décharger les spectromètres du LSM, et à minimiser les risques de pollution.
  2. Développer localement des activités pluridisciplinaires, par exemple en collaboration avec la DGCCRF (Direction Générale de la Concurrence, de la Consommation et de la Répression des Fraudes), la Géologie/Océanographie, l’Archéologie ou encore l’INRA.
  3. Familiariser les étudiants au cours de divers stages aux techniques de mesure de la radioactivité.

En parallèle à la spectrométrie gamma bas bruit de fond, notre groupe exerce une autre activité au LSM, toujours dans le même esprit de mesure des basses radioactivités. Elle concerne le contrôle du niveau de radon dans le gaz de l’expérience NEMO. En effet, à cause de diverses fuites d’origine mécanique, le mélange gazeux (He + 4% alcool) est contaminé au niveau de 15 mBq/m3 par le radon contenu dans l’air du LSM. Le descendant du radon, le noyau 214Bi, induit alors une composante importante, non tolérable, du bruit de fond de l’expérience. Pour s’affranchir de cette contamination, le détecteur NEMO a été entouré d’une tente « étanche » à l’intérieur de laquelle on injecte avec un flux de 150 m3/h de l’air dépollué en radon obtenu en faisant passer l’air du laboratoire dans une colonne de charbon actif refroidi à -50°C. Le monitorage du niveau de radon à la sortie de l’usine antiradon et à l’intérieur de la tente est réalisé par deux détecteurs de radon, identiques, bas bruit de fond, développés par nos collaborateurs Japonais de l’Université Saga. Leur sensibilité est de l’ordre de 1 mBq/m3 correspondant à la détection d’un événement alpha par jour.

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Le niveau de radon dans l’air du LSM est de l’ordre de 15 Bq/m3, à la sortie de l’usine il se situe autour de 20 mBq/m3 et dans la tente il est voisin de 150 mBq/m3. Pour le gaz de NEMO il est descendu à 2 mBq/m3, valeur acceptée par la collaboration.

La figure suivante montre un exemple de suivi du radon dans la tente NEMO pour une période donnée (11 janvier 2005 au 13 septembre 2005). Chaque point de la courbe correspond à une mesure de 6 h. On notera qu’après chaque incident (entretien, coupure électrique, ouverture du blindage pour étalonnage, ...) le niveau de radon retombe rapidement, en quelques heures à son niveau nominal.

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Spectre double beta