PRISNA

Plateforme Régionale Interdisciplinaire de Spectrométrie Nucléaire en Aquitaine.

PRISNA | Plateforme Régionale Interdisciplinaire de Spectroscopie Nucléaire en Aquitaine) est une plateforme de métrologie des radio-isotopes en ultra-tracé implantée au CENBG inaugurée en 2009. Le bâtiment PRISNA a été́ financé dans le cadre d’un COP (Contrat d’Objectifs Partagés) par la Région Aquitaine et le CNRS, mais également par l’Université́ Bordeaux et le CENBG. Cette plateforme est née d’une collaboration interdisciplinaire entre des laboratoires de recherche bordelais travaillant sur les mesures de spectrométrie gamma bas bruit de fond dans différentes disciplines: physique du neutrino, océanographie, archéométrie, datation et recherche de fraudes, environnement. Elle héberge plusieurs détecteurs Germanium appartenant à deux laboratoires de l’Université́ de Bordeaux (le CENBG, EPOC1 et un laboratoire de l’Université de Bordeaux Montaigne-CRP2A). Elle héberge depuis 2012 un équipement de mesure d’émanation du Radon d’une capacité quasiment unique au monde (700 litres).

PRISNA est une plateforme polyvalente pour la métrologie radionucléides à l’état de traces.

Outre des mesures menées dans le cadre de la recherche propre à chaque discipline, les équipes de recherche du CENBG ont également développé́ des activités de recherche appliquée. On pourra citer l’étude récente conduite en 2019 sur la fixation des descendants du radon (222Rn) dans les vêtements pour EDF.
Par ailleurs, un vecteur spécifique de valorisation appelé PRISNA-Prestation, géré́ par l’ADERA, opère des mesures de prestation de service à destination des entreprises et collectivités.

La plateforme PRISNA héberge plusieurs spectromètres gammas Germanium et une plateforme spécifique de mesure Radon. Nous opérons aussi, « hors les murs », deux détecteurs Germanium situés en environnement très profond au Laboratoire Souterrain de Modane.

Cette capacité à opérer des mesures sur des appareillages spécifiques placés dans un environnement adéquat est pratiquement unique en France. Nous continuons à essayer de développer cette projection « PRISNA hors les murs » chaque fois que cela est nécessaire pour rester à la pointe des la métrologie de radio-isotopes en ultra-traces.

Enfin, une prospective scientifique et technique est en cours, pour évaluer le devenir et les compétences à développer autour de la plateforme. Des investigations ont notamment été conduites autour de la technique de spectrométrie de masse à plasma à couplage inductif associée à une ablation laser (LA-ICPMS) pour déterminer la contamination 238U et 232Th en surface et en volume d’échantillons à des niveaux inférieurs à 10^-12 g/g.

CENBG | PRISNA | Détail du blindage de plomb autour d'un détecteur de bas bruit de fond©OlivierGOT
CENBG | PRISNA | Détail du blindage de plomb autour d'un détecteur de bas bruit de fond©OlivierGOT
CENBG | PRISNA | Détail du blindage de plomb autour d'un détecteur de bas bruit de fond©OlivierGOT
CENBG | PRISNA | Détail du blindage de plomb autour d'un détecteur de bas bruit de fond©OlivierGOT

La plateforme PRISNA combine des capacités en spectrométrie gamma ainsi qu’en mesure d’émanation du radon. C’est l’une des rares plateformes en France capable de mesurer de très faibles niveaux de radioactivité par spectrométrie gamma, jusqu’à quelques 0,01 Bq/kg sur site à Bordeaux et jusqu’à down to few 10^-4 Bq/kg Bq/kg au  Laboratoire Souterrain de Modane | LSM.

PRISNA fait partie du réseau becquerel créé en 2010 qui fédère les plateformes de mesures de radioactivité du CNRS-IN2P3 France.

En plus des détecteurs germaniums haute pureté à faible bruit de fond | HPGe, elle héberge une très grande chambre d’émanation de radon, capable de réaliser la métrologie du 222Rn jusqu’à quelques dizaines d’atomes par jour et par mètre carré.

MESURES PAR SPECTROMÉTRIE GAMMA

PRISNA est l’une des rares plateformes en France à pouvoir mesurer des activités très faibles, typiquement de l’ordre de quelques 0,01 Bq/kg pour un échantillon solide ou liquide.

Pour les mesures de radionucléides en ultra-traces pour lesquelles une sensibilité de l’ordre de quelques 0,0001 Bq/kg pour un échantillon est nécessaire, 2 détecteurs Germanium supplémentaires sont installés en site très profond (à l’abri des rayons cosmiques) à 1800 m sous terre, dans le Laboratoire Souterrain de Modane (LSM) à la frontière franco-italienne. Ils sont opérés à distance avec le personnel technique du LSM.

La plateforme PRISNA héberge 5 spectromètres gammas Germanium :

 

1 détecteur Germanium de type coaxial de 100 cm3

2 détecteurs Germanium de type puits de 300 cm3

1 détecteur Germanium planaire de 150 cm³ utilisé spécifiquement par le CRP2A

1 détecteur Germanium planaire de 150 cm³ utilisé spécifiquement par PRISNA-Prestation

Les études conduites par le groupe Neutrino dans le cadre des projets SuperNEMO et JUNO mobilisent la plateforme à hauteur d’environ 200 échantillons mesurés annuellement. De nombreux types de matériaux (plastique, colles, métaux, photodétecteurs, composants électroniques) ont ainsi été vérifiés sur la plateforme. C’est en ce sens un outil unique qui donne aux scientifiques du CENBG un impact important dans toutes les expériences scientifiques ou le bruit de fond radioactif est important.

Par ailleurs, plusieurs études exploratoires (réf [PRAV18_1] [PRAV18_2] [PRAV18_3] [PRAV18_4]) sur des applications environnementales sont conduites sur la plateforme. L’objectif est souvent de pouvoir transférer la méthodologie de mesure vers Prisna Prestation.

Métrologie du 222Rn par émanation

Une plateforme de métrologie du radon (222Rn) existe au CENBG depuis 2013. Cette installation se compose d’une cuve d’émanation de 0,7 m3 couplée à un détecteur électrostatique et une diode silicium capable de mesurer les descendants du radon 222 (218Po et 214Po). La sensibilité du système dépend directement de la surface de l’échantillon mesuré. La taille exceptionnelle de la chambre d’émanation permet dans ce cadre de réaliser des mesures d’échantillons de grande taille. Ainsi des mesures sur des films de plusieurs dizaines de mètres carrés permettent d’atteindre des sensibilités de seulement quelques dizaines d’atomes émanés par jour et par mètre carré de surface exposée, contre quelques centaines d’atomes dans le cadre d’échantillons de l’ordre du mètre carré.

Au cours des dernières années, ce dispositif a notamment permis de mener une étude exhaustive de l’émanation du Radon dans les verres des photomultiplicateurs utilisés sur les expériences neutrino SuperNEMO et JUNO provenant de plusieurs fabricants (Hamamatsu, NNVT, HZC) et avec des tailles de photomultiplicateurs très variées, allant de 3’’ à 20’’ de diamètre. Elles ont permis de caractériser une partie du bruit de fond de ces projets, mais aussi de diriger les fabricants vers l’utilisation de certains verres lors des productions de ces détecteurs. Plusieurs communications en réunions internationales de collaboration ont été conduites sur chacun de ces projets, des publications ont été réalisées et d’autres sont en cours de rédaction (réf. [BARA18] et [CERN15]).

Ce dispositif a aussi permis de conduire une étude originale, commandées par la branche radioprotection du Groupe Prévention Environnement & eXploitation (GPEX), intégré à l’Unité National d’Ingénierie en Exploitation (UNIE) d’EDF, concernant la fixation des descendants du radon (222Rn) sur les vêtements des opérateurs intervenant dans les installations nucléaires d’EDF. Les résultats de cette étude ont fait l’objet d’une communication scientifique [KARS19] qui a obtenu la médaille de bronze du prix Henri Jammet. Des prolongements à cette étude sont envisagés pour 2020.

Prospective scientifique et technique de Prisna

Une étude exploratoire a été conduite dans le cadre d’une prospective scientifique et technique de la plateforme PRISNA. Quels sont les besoins en termes de métrologie de radionucléides en ultra-traces pour les expériences scientifiques pour la prochaine décennie ? Quelles techniques permettront de parvenir à ces mesures ? Comment la plateforme PRISNA, avec ses spécificités peut y contribuer ? Telles sont les questions qui doivent se poser pour préparer l’évolution de nos outils de mesures et de nos compétences.

Métrologie et cartographie 3D du 238U et 232th par ablation laser couplée à un ICPMS haute résolution

Dans ce cadre, des mesures prometteuses ont été réalisées en 2019 à l’aide d’un laser couplé à un ICPMS (Inductively Coupled Plasma Mass Spectrometry) pour déterminer la contamination en surface et en volume d’un échantillon d’acrylique de JUNO. Ce dispositif unique au monde, situé à l’Institut des Sciences Analytiques et de Physico-Chimie pour l’Environnement et les Matériaux (IPREM) de l’Université de Pau, dans notre région Nouvelle Aquitaine, a permis une première cartographie en trois dimensions de la distribution des éléments 238U et 232Th dans l’acrylique avec de surcroît une analyse quantitative de grande sensibilité en-deçà de 10-12 g/g.

Ces travaux ont fait l’objet d’une communication scientifique [PERR19]. D’autres échantillons d’intérêt en physique du neutrino sont également en cours d’investigation grâce à cette technique quasiment unique au monde.

La question du futur de la plateforme dans son environnement régional et scientifique sera discutée dans l’année 2020.