Détection de rayonnements et instrumentation nucléaire

Abdallah Lyoussi

Description

Dans ce livre scientifique et technique, traitant de la détection et de la mesure de rayonnements nucléaires, thématique pluridisciplinaire, nous présentons les principes physiques de fonctionnement, les performances, les limitations et les domaines d'utilisation des principaux détecteurs dédiés que sont notamment les détecteurs à remplissage gazeux, les scintillateurs et les semi-conducteurs.Un rappel des mécanismes d'interaction des différents types de rayonnements avec la matière et de leurs principes physiques de base est donné préalablement. Des éléments fondamentaux et indispensables de statistiques appliquées à la mesure de rayonnements sont présentés. Des notions essentielles sur les chaînes électroniques d'acquisition et de traitement sont aussi exposées. Y figurent ensuite des exemples d'application et d'utilisation des détecteurs de rayonnements pour les besoins de méthodes de mesure nucléaire ou encore de contrôle-commande de réacteurs nucléaires de puissance de type REP. Enfin, chaque chapitre de cet ouvrage s'achève par une série d'exercices.

Ce livre est conçu à l'attention des élèves-ingénieurs de Génie Atomique. Il peut aussi être destiné aux étudiants en dernière année d'école d'ingénieurs ou en deuxième année de master ainsi qu'aux ingénieurs et physiciens concernés par l'instrumentation et la mesure nucléaire.

Sujets

• Techniques
• Energie et Environnement
• Automatisation et Contrôle
• Energie & environnement
• Sciences appliquées
• Ingénierie
• Sciences appliquées
• Sciences appliquées
• Ingénierie
• Science
• Nucléaire
• Nuclear
• Physics
• Sciences et techniques
• Physique
• Physical attractiveness
• Automate
• Automatisation
• Contrôle des processus

Informations

• Publié par: EDP Sciences
• Date de parution: 01 mars 2010
• Nombre de lectures: 1
• EAN13: 9782759809127
• Langue: Français
• Poids de l'ouvrage: 4 Mo

Extrait

Détection de rayonnements
et instrumentation nucléaire
Abdallah LYOUSSI
INSTITUT NATIONAL DES SCIENCES
ET TECHNIQUES NUCLÉAIRESDétection de rayonnements
et instrumentation nucléaire7KLVSDJHLQWHQWLRQDOO\OHIWEODQNGÉNIE ATOMIQUE
Détection de rayonnements
et instrumentation nucléaire
Abdallah LYOUSSI
Avec la contribution de : François FOULON, Serge HAAN,
Bernard LESCOP, Loredana MANDUCI et Annick NGUYEN
17, avenue du Hoggar
Parc d’activités de Courtabœuf, BP 112
91944 Les Ulis Cedex A, FranceIllustrations de couverture : Le réacteur expérimental EOLE, de très faible puissance, est destiné
aux études neutroniques de réseaux modérés, en particulier ceux
des Réacteurs à Eau Pressurisée industriels.
c Philippe Stroppa/CEA.
Imprimé en France
ISBN : 978-2-7598-0018-6
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reproduction, par quelque procédé que ce soit, constituerait donc une contrefaçon sanctionnée par
les articles 425 et suivants du code pénal.
c EDP Sciences 2010« Whenever a nuclear physicist observes a new effect caused by an atomic particle, he
tries to make a counter out of it. »
McKAY,
19537KLVSDJHLQWHQWLRQDOO\OHIWEODQNTable des matières
Préfaces........................................................................ xi
Chapitre 1 : Introduction
Chapitre 2 : Interactions des rayonnements avec la matière
2.1. Les différents types de rayonnements nucléaires .......................... 3
2.1.1. Les particules chargées............................. 4
2.1.2. Les particules non chargées ou neutres.............. 4
2.1.3. Notions de probabilité d’interaction................ 6
2.1.4. Conclusion........................................ 7
2.2. Interaction des particules chargées avec la matière ........... 7
2.2.1. Interaction des particules chargées lourdes...................... 11
2.2.2. Interaction des particules ch légères.... 19
2.3. Interaction des particules non chargées avec la matière ....... 26
2.3.1. Interaction des rayonnements X et γ ............................ 26
2.3.2. Atténuation des photons X et γ ......... 35
2.4. Interaction des neutrons avec la matière ......... 39
2.4.1. Diffusion élastique............................................. 40
2.4.2. D inélastique (n, γn ) ........... 41
2.4.3. Capture radiative (n, γ)................. 41
2.4.4. Réactions nucléaires d’absorption .............................. 42
2.4.5. Réaction de fission..................... 43
2.5. Exercices........................... 46
Chapitre 3 : Détecteurs de rayonnements nucléaires
3.1. Caractéristiques principales des détecteurs ............................... 56
3.1.1. Les paramètres propres aux dispositifs de détection et à leur mise
en œuvre. ............................. 56
3.2. Détecteurs à remplissage gazeux............................ 64
3.2.1. Principe de fonctionnement ............ 65
3.2.2. La chambre d’ionisation ............... 69
3.2.3. Le compteur proportionnel..................................... 75
3.2.4. Le cur Geiger-Müller............. 78
3.2.5. Conclusion............................ 80viii Détection de rayonnements et instrumentation nucléaire
3.3. Détecteurs à scintillation ................................................ 80
3.3.1. Principe de fonctionnement ...... 80
3.3.2. Les scintillateurs ........... 82
3.3.3. Propriétés des scintillateurs .............................. 85
3.3.4. Le photomultiplicateur ou PM.......... 86
3.3.5. Applications des détecteurs à scintillation..... 88
3.3.6. Exercices...................................................... 89
3.4. Détecteurs à semi-conducteurs ........... 91
3.4.1. Généralités................ 91
3.4.2. Principe de fonctionnement .............................. 92
3.4.3. Applications .......................... 96
3.5. Détecteurs de neutrons........ 99
3.5.1. Détecteurs à remplissage gazeux ............................... 99
3.5.2. Scintillateurs .................... 104
3.6. Autres types de détecteurs........... 106
3.6.1. Détecteurs Cerenkov......................... 106
3.6.2. Émulsions photographiques ............ 106
3.6.3. Détecteurs solides de traces 108
3.6.4. Détecteurs à changement de phase ............................. 109
3.6.5. Détecteurs chimiques........................ 109
3.6.6. Détecteurs thermoluminescents ........ 110
3.6.7. Détecteurs photoluminescents et détecteurs
minéraux par coloration........................................ 111
3.6.8. Détecteurs à activation................. 111
3.6.9. Calorimètres, bolomètres......... 113
3.6.10. Détecteurs à transfert de charges – Collectrons ou Self Powerd
NeutronDetectors............................................. 114
3.7. Exercices..................... 118
3.7.1. Chambre à fission ......... 118
3.7.2. Compteur proportionnel à triflurure de bore (BF ) ......... 1193
3.7.3. Scintillateur et production de photoélectrons dans le PM ........ 120
Chapitre 4 : Statistiques appliquées aux mesures de rayonnements
4.1. Généralités sur les incertitudes de mesure................................ 123
4.2. Statistiques et mesure de rayonnements .... 124
4.2.1. Notions élémentaires de statistique ................. 125
4.2.2. Lois de distribution de probabilité dans les mesures
de rayonnements .............................................. 129
Chapitre 5 : Instrumentation neutronique pour le contrôle commande
des réacteurs nucléaires
5.1. Introduction ............................................................ 139
5.2. Détecteurs de neutrons appliqués à l’exploitation des réacteurs ..... 140
5.2.1. Compteur proportionnel à dépôt de bore ........... 141
5.2.2. Chambre d’ionisation à dépôt de bore .................... 141
5.2.3. Chambretion à dépôt de bore compensée gamma....... 142
5.2.4. Chambre à fission ........................... 143Table des matières ix
5.3. Chaînes de mesure ..................................................... 145
5.3.1. Mode impulsion ........... 145
5.3.2. courant ............. 147
5.3.3. Mode fluctuation .............................................. 148
5.3.4.s et régime de fonctionnement des détecteurs ............. 148
5.3.5. Vérification périodique des chaînes de mesure ...... 149
5.4. Chaînes neutroniques utilisées sur les REP ............................... 149
5.4.1. Chaîne niveau source .................. 150
5.4.2. Chaîne niveau intermédiaire ........... 150
5.4.3. Chaîne niveau puissance....................................... 151
Chapitre 6 : Exemples de méthodes de mesures photoniques
et neutroniques dans l’industrie nucléaire
6.1. Spectrométrie gamma et X .............................................. 156
6.1.1. Principe physique.... 156
6.1.2. Les détecteurs ............. 157
6.1.3. Électronique associée ......................................... 159
6.1.4. Acquisition et traitement du signal...... 161
6.1.5. Domaines d’application ............... 163
6.1.6. Principales limitations ......................................... 164
6.2. Mesure neutronique passive......... 165
6.2.1. Comptage neutronique total............ 165
6.2.2.ge des coïncidences neutroniques ...................... 170
6.2.3. Comptage des multiplicités neutrs ........... 174
6.2.4. Conclusion........................................ 175
Annexe A : Électronique associée aux détecteurs de rayonnements
Annexe B : Annales des sujets d’examens de Génie Atomique
De 2003-2004 à 2009-2010
Annexe C : Corrigé des sujets d’examens de Génie Atomique
De 2003-2004 à 2009-2010
Annexe D : Unités, constantes et grandeurs fondamentales en physique7KLVSDJHLQWHQWLRQDOO\OHIWEODQNPréfaces
Alors que nous allons prochainement célébrer le centenaire de l’attribution à Marie Curie
de son second prix Nobel, il est important de rappeler au plus grand nombre que la
détection des rayonnements, et plus généralement les techniques d’instrumentation nucléaire,
objets de l’ouvrage de notre collègue Abdallah Lyoussi, restent au cœur des progrès de
la connaissance dans les sciences nucléaires; progrès de la connaissance, mais aussi
garants de la sûreté d’exploitation des installations nucléaires et de la protection contre les
rayonnements.
De longues années durant, la capacité de conduire des expériences dans le domaine
des sciences nucléaires a reposé sur la capacité de concevoir et de réaliser
l’instrumentation associée. Il en allait ainsi dans l’équipe de Frédéric Joliot, au Fort de Châtillon, mais
aussi, de l’autre côté de l’Atlantique, dans l’équipe de Willard Libby qui « découvrit » le
carbone 14, produit naturellement sous l’effet du rayonnement cosmique, par la simple
mise en œuvre d’un dispositif permettant d’en mesurer l’activité. Après avoir révolutionné
la physique et la médecine, les sciences nucléaires s’apprêtaient alors à révolutionner la
connaissance de l’Homme et de son environnement.
Aujourd’hui, les techniques de détection nucléaire continuent de progresseret
d’apporter, au sein des expériences de physique des hautes énergies, une contribution essentielle
à la recherche fondamentale et à notre connaissance de l’univers et de ses lois
fondamentales, la « physique des deux infinis ». Elles nous permettent également de piloter les
réacteurs nucléaires, de contrôler la dosimétrie des personnes potentiellement exposées
au rayonnement, de contribuer à la santé publique dans le domaine du diagnostic et de
la thérapie, d’assurer certains contrôles relatifs à la sécurité des transports, de vérifier la
conformité de composants et de procédés industriels, de lutter c