Brevet FR2779865A1 — publié le 19991217

SOURCE DE RAYONNEMENT a OPTIMISEE Domaine technique et art antérieur L'invention concerne de nouvelles sources radioactives, et en particulier une source de polonium-210. Une telle source est mise en oeuvre dans les mesures de type PIXE (Particle Induced X-rays Emission). Il s'agit d'une méthode d'analyse basée sur la spectrométrie X. Dans cette technique, un faisceau de particules est utilisé pour éjecter des électrons d'atomes cibles d'un échantillon à caractériser. Suite au réarrangement électronique des sites vacants, les raies X caractéristiques des atomes qui sont émis constituent la signature des éléments de la cible. La caractérisation des échantillons archéologiques ou historiques par l'analyse PIXE est une méthode non destructive très utilisée. Un exemple, en France, dans ce domaine, concerne le Laboratoire de Recherches des Musées de France (Palais du Louvre) qui, il y a environ 10 ans, s'est équipé d'un accélérateur de particules de type TANDEM nommé AGLAE (acronyme d'Accélérateur du Grand Louvre d'Analyse Elémentaire). Malheureusement, cette installation n'est pas adaptée à l'analyse d'échantillons ayant des contraintes dimensionnelles (grands tableaux difficilement transportables au laboratoire, ou fresques par définition inamovibles). Pour ces cas précis, un système XRF (fluorescence -X dispersive en énergie) équipé d'un ensemble portable excitation-détection X apparaît mieux adapté. Néanmoins, ce dernier système n'est pas optimisé pour la caractérisation d'éléments de numéro atomique (Z) inférieur à 17, et ne permet pas l'analyse particulière des couches superficielles des échantillons (du fait de l'absorption exponentielle des raies X dans la matière). En matière d'archéologie, les hommes de terrain sont demandeurs d'un appareil portatif économique permettant d'effectuer ce type de caractérisation sur des poteries, ou encore des céramiques, soit directement sur le site de fouilles, soit dans les laboratoires des musées. Ceci a récemment amené à envisager le développement d'un dispositif autonome et portatif d'analyse PIXE utilisant une source excitatrice alpha (PIXE-a) comme décrit dans l'article de Pappalardo et al., intitulé "Feasibility study of a portable PIXE system using a poloniu-210 alpha source", paru dans Nucl. Instrum. Meth. In Physics Research B109/110, p. 214-217, (1996). Dans la méthode PIXE-a (Alpha Particules Induced X-rays Emission) l'échantillon à analyser est soumis à un flux de particules alpha provenant, non plus d'un accélérateur, mais d'une source radioactive contenant une forte activité d'un émetteur alpha. Suite à l'interaction de ces particules avec les atomes cibles de l'échantillon, il est observé un spectre X de fluorescence, dont l'énergie des différents pics est caractéristique des atomes constitutifs de l'échantillon à analyser. Le polonium-210, malgré sa courte période (138,4 jours), présente un spectre d'émission alpha pur, contrairement, par exemple, à celui du curium-244. On utilise donc préférentiellement une source polonium-210. La méthode PIXE-a est alors idéale pour l'analyse de la composition des surfaces (patine, pigments,...) sur des profondeurs ne dépassant pas quelques dizaines de pm. De plus, pour des raisons de section efficace d'interaction, elle est particulièrement bien adaptée à la caractérisation d'éléments légers, et donc complémentaire de la méthode XRF. La figure 1 représente schématiquement une source connue de polonium-210. Une source scellée 2 de polonium-210 est fixée dans le logement d'un capot 4 en matière plastique accouplé à un détecteur 6 de rayonnement X, de type silicium (lithium) ou germanium, protégé par une fenêtre 8 de béryllium et refroidi par un petit cryostat à azote liquide. Le détecteur est relié à une chaîne portable et autonome d'analyse spectrométrique comprenant une source de haute tension, un amplificateur et un analyseur multicanaux. Les données spectrométriques sont traitées par un logiciel implanté dans un ordinateur portable. Lors d'une analyse, le rayonnement alpha provenant de la source irradie l'échantillon. Une partie du rayonnement X de fluorescence émis par les atomes constitutifs de la surface à identifier est analysée par le détecteur. Afin d'augmenter le flux de particules alpha vu par l'échantillon, une géométrie concave de source est préalablement définie par un calcul du type Monte- Carlo. On connaît un prototype de source (voir article de Pappalardo et al. cité ci-dessus), constitué d'un support en céramique de forme annulaire tronconique concave dont la face interne est recouverte d'une feuille d'argent laminée d'épaisseur 0,5 pm et de surface égale à 3,2 cm2. Le polonium (activité=37MBq) est fixé sur l'argent métallique par la méthode dite du "remplacement électrochimique spontanée". L'unique confinement de la source est assuré par deux membranes de mylar d'épaisseur 3,5 pm, collées respectivement sur les deux faces du support céramique. Cette source est imparfaite et il n'est pas possible d'envisager son emploi hors du laboratoire. En effet, elle présente des difficultés concernant principalement la sécurité d'utilisation et la spectrométrie. Suite à un phénomène de radiolyse, les membranes de mylar, sous la contrainte mécanique due au collage, se détruisent au bout de deux à trois mois d'exposition au rayonnement alpha et doivent être systématiquement remplacées. La source ne peut donc pas être considérée comme scellée durant une durée d'utilisation de 9 à 12 mois (la période du polonium-210 est égale à 138,4 jours). Or, afin de satisfaire aux exigences des normes de radioprotection, le confinement parfait du polonium est indispensable pour une utilisation du dispositif sur le terrain. Il sera rappelé ici que le polonium-210 est un radioélément volatil alliant une toxicité chimique à une toxicité radiologique, et que la limite d'incorporation annuelle pour l'être humain est très faible (LAI=2.104Bq pour les travailleurs et 2.103Bq pour le public, (Journal Officiel des Communautés Européennes, 17 Septembre 1980, n L246/54)). En ce qui concerne la spectrométrie, malgré la pureté du spectre alpha du polonium-210 au regard de son schéma de désintégration, des pics parasites apparaissent dans le spectre X de mouvement propre de l'appareil: ce sont principalement des pics d'argent, de calcium (E=3, 69keV), de chlore (E=2,62 keV). Par ailleurs, on note également un phénomène, encore plus important, de fluorescence X sur les atomes de plomb-206 (E=9,18keV, 10,5keV, 12,6keV, 14,30keV et 14, 7keV) produits suite à la décroissance du polonium-210 après émission alpha. Le spectre du bruit de fond de l'appareil limite donc la méthode. L'avenir de la méthode PIXE-x portable est directement lié à la fabrication d'une source de rayonnement c ne présentant pas les inconvénients décrits précédemment. La résolution des problèmes techniques ci-dessus permettrait d'une part de pouvoir enfin utiliser ce système en dehors du laboratoire situé en zone contrôlée, et d'autre part, d'effectuer des analyses plus précises des échantillons. D'une manière plus générale (et pas seulement en vue de la méthode PIXEx), il serait souhaitable de disposer d'une source intense de rayonnement X, présentant un confinement efficace. Exposé de l'invention L'invention a pour objet une source de particule a, comportant: - un support de source, - un film constitué d'une couche métallique contenant un élément transuranien, déposé sur une surface du support, - une couche de polymère organique, déposée sur ce film. Un confinement primaire de la source est assuré par la couche de polymère organique; celle-ci est préparée, par exemple, par nébulisation, directement sur la couche métallique, d'un mélange d'une résine époxy aromatique et d'un durcisseur en solution dans de l'acétone. La source peut en outre comporter, sur l'une et/ou l'autre de ses faces, au moins une membrane organique résistante au rayonnement x. Cette, ou ces, membrane(s) permet(tent) de réaliser un confinement secondaire de la source. Elle(s) est (sont) réalisée(s) par collage sur les deux faces de la source. A titre d'illustration, un matériau polyimide, par exemple d'épaisseur 2 pm, peut être avantageusement utilisé. Enfin, une grille constituée d'un matériau de faible numéro atomique peut être fixé extérieurement, face à la couche métallique. Ce confinement tertiaire assure une protection mécanique, en cas de choc accidentel sur la source. Par conséquent, la résolution, à un degré plus ou moins important, des problèmes liés à la radioprotection de la source passe par la mise en place d'une ou plusieurs barrières de confinement, entre la source et l'utilisateur. Ces écrans, de faible épaisseur, permettent le passage du rayonnement alpha hors de la source, tout en confinant le dépôt radioactif. Ils sont constitués de préférence d'un matériau de faible numéro atomique (Z irradiation par le rayonnement alpha. Une source scellée de polonium-210 utilisable en toute sécurité a été élaborée grâce à l'association des trois barrières physiques entre la source et l'utilisateur. Ces barrières ne gênent pas l'émission d'un flux de particules suffisamment intense, nécessaire en particulier à la méthode d'analyse par PIXE-a. Afin d'éviter les problèmes liés à l'apparition d'un pic de fluorescence parasite (l'argent, dans le cas d'une source de polonium-210), on limite l'épaisseur de la couche métallique à 0,2 pm. L'emploi d'un support de source en mylar massif permet d'éliminer toute trace de calcium, et favorise l'adhérence d'une couche métallique mince. Par ailleurs, la réduction de la présence de pics parasites, par exemple dus à la fluorescence X sur des atomes de plomb, peut être obtenue en réduisant la surface radioactive et par l'utilisation d'un collimateur, par exemple en cuivre. Brève description des figures De toute façon, les caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront mieux à la lumière de la description qui va suivre. Cette description porte sur les exemples de réalisation, donnés à titre explicatif et non limitatif, en se référant à des dessins annexés sur lesquels: - La figure 1 représente une vue éclatée d'un dispositif expérimental de type PIXE-a. - La figure 2 représente la structure d'une source de polonium 210 selon l'invention. - La figure 3A représente un spectre de fluorescence X du bruit de fond obtenu avec la source de l'art antérieur. - La figure 3B représente un spectre de fluorescence X du bruit de fond obtenu avec la source selon l'invention. - La figure 4A représente un spectre de fluorescence X de l'étalon SCO-1 obtenu avec la source de l'art antérieur. - La figure 4B représente un spectre de fluorescence X de l'étalon SCO-1 obtenu avec la source selon l'invention. - La figure 5A représente un spectre de fluorescence X de la partie noire d'une céramique attique grecque, obtenu avec la source de l'art antérieur. - La figure 5B représente un spectre de fluorescence X de la partie noire d'une céramique attique grecque, obtenu avec la source selon l'invention. - La figure 6 est un schéma d'une source avec support en forme de disque et avec les membranes kapton et la grille. Description détaillée de modes de réalisation de l'invention La figure 2 représente une coupe transversale d'une source annulaire tronconique de polonium-210 selon l'invention. La source de rayonnement proprement dite est constituée d'un dépôt de polonium-210 sur une couche d'argent 16. Une première barrière de confinement entre cette source et un utilisateur est constituée par un film mince en polymère organique, de type résine époxy aromatique, d'épaisseur inférieure à 1 pm, de préférence inférieure à 0,5 pm, déposé par nébulisation sur la surface d'argent contenant le polonium-210. Les proportions en masse du mélange destiné à être nébulisé sont par exemple les suivantes: 6% d'éther diglycidilique du bisphénol A (résine) + 3,6% de diamino diphényl méthane (durcisseur) mis en solution dans 90,4% d'acétone (solvant). Diverses épaisseurs peuvent être obtenues en faisant varier la concentration du mélange durcisseur- époxy dans l'acétone. Au-delà de 1 pm d'épaisseur, le spectre en énergie des particules c est dégradé. Un film en résine époxy aromatique présente en outre l'avantage de ne pas se dégrader, ou de peu se dégrader, dans le cas d'une source d'activité élevée (par exemple: 1 mCi ou activité comprise entre 2mCi et 500pCi). Une seconde barrière est constituée de membranes 20, 22 de polyimide, tendues puis collées à l'aide d'une colle époxy sur les deux faces du support annulaire tronconique concave 18 de la source. Ce matériau, très résistant à l'irradiation, est commercialisé sous le nom de "kapton" par Dupont de Nemours. Il est disponible sous la forme de feuilles de 8pm d'épaisseur. A partir de ce produit de base, des membranes de 2 pm d'épaisseur sont préparées après attaque chimique régulière dans une solution de NaOH à %, jusqu'à l'obtention de l'épaisseur désirée. Une épaisseur de 2 pm ( 0,5 pm) convient particulièrement bien pour une source tronconique de polonium 210, mais d'autres épaisseurs, dans une gamme inférieure à 4 pm, peuvent convenir (par exemple: 3,5 pm). Enfin, une barrière de protection mécanique constituée d'une grille 10 en un matériau organique léger (par exemple, du nylon) est fixée au- dessus de la membrane kapton 20, face au dépôt de polonium-210. Cette sécurité supplémentaire assure une protection de la membrane de kapton en cas de choc accidentel sur la source. De préférence, on utilise du mylar massif comme matériau pour réaliser le support 18. On supprime ainsi le pic du calcium dans le spectre du bruit de fond de l'appareil. De plus, ce matériau favorise une bonne adhérence de la couche métallique 16, en particulier lorsqu'il s'agit d'une couche mince, d'épaisseur inférieure à 0,3 pm. Le collage des membranes 20, 22 en kapton, si il est réalisé à l'aide d'une colle époxy, permet d'éliminer le pic du chlore (E=2, 62keV). On peut cependant réaliser, préalablement, une analyse par fluorescence X de la colle à utiliser. Quant au pic de fluorescence de l'argent (E=2,98keV), il est très fortement atténué par réduction de l'épaisseur de la couche d'argent à une valeur inférieure à 0,5 pm ou à 0,2 pm, par exemple à 0,15 pm, en utilisant notamment la technique de l'évaporation d'argent sous vide. Le polonium-210 peut, quant à lui, être déposé électrochimiquement. En outre, la réduction de l'épaisseur de cette couche contribue à assurer une très bonne adhérence de celle-ci sur le support 18. En réduisant la surface d'argent (donc celle du dépôt de polonium), par exemple à 1,2 cm2, et en disposant un collimateur circulaire 24 en cuivre au centre du support 18 de source annulaire tronconique, on masque le rayonnement de fluorescence X dû aux atomes de plomb-206. La réduction de la surface d'argent est obtenue en limitant la zone 16 de la surface intérieure 17 du support 18 sur laquelle le dépôt d'argent et de polonium est effectué. A titre d'exemple, une activité de 37MBq de polonium-210 a été électrodéposée sur une couche 1l d'argent métallique d'épaisseur 0,15 pm, préalablement préparée par évaporation sous vide sur un support de mylar massif. Une source de polonium-210 a été réalisée avec les caractéristiques géométriques suivantes (voir figure 2): e1=5mm, *1=l1mm, *2=24mm, e2=4,5mm, 12=6mm, h1=3mm h2=1,5mm, h3=lmm, 11=l,7mm. Enfin, sur la figure 2, les références 26 et 28 désignent des vis d'assemblage de la source. Les figures 3A et 3B montrent des spectres de bruit de fond d'une installation de spectrométrie X (mesure effectuées sans aucun échantillon devant la source et le détecteur), obtenus respectivement en utilisant, comme source excitatrice, une source de polonium-210 issue de l'art antérieur (figure 3A), et la source objet de l'invention (figure 3B). Le résultat le plus significatif obtenu ici est la disparition totale, sur le spectre de la figure 3B, des pics caractéristiques de la fluorescence X du descendant du polonium-210 présents sur le spectre de la figure 3A. En analysant comparativement ces deux spectres, il est également possible d'observer, sur le spectre de la figure 3B, la disparition du pic de chlore et l'apparition d'un pic de fluorescence de cuivre issu du matériau constitutif du collimateur 24. Ce problème peut être résolu par l'utilisation d'un collimateur en polymère organique ou graphite. Les autres pics restants proviennent de la fluorescence de l'argon de l'air, qu'il n'est pas possible de séparer d'un éventuel pic résiduel de fluorescence de l'argent. Le pic caractéristique d'une impureté de calcium est réduit quant à lui d'un facteur 10. Les figures 4A et 4B présentent des spectres de fluorescence de l'étalon SCOR-1 (Geostandard Newsletters, special issue, vol. 18, p. 35, 1995) de composition certifiée (MgO=2,88%; Al203=14, 40%; SiO2=66,54%; K20=2,93% et FeO=5,37%). Ces spectres sont obtenus en utilisant respectivement, comme source excitatrice, une source de polonium issue de l'art antérieur (figure 4A) et la source objet de l'invention (figure 4B). Le spectre de la figure 4A ne permet pas d'identifier les pics caractéristiques d'aluminium et du magnésium, à cause de l'important bruit de fond. Les pics caractéristiques du potassium et du calcium sont masqués par la présence d'un important pic provenant du chlore sur le spectre de la figure 4A, lequel ne permet pas d'effectuer une analyse précise, contrairement au spectre de la figure 4B dont les pics caractéristiques sont parfaitement séparés. Une analyse quantitative effectuée en utilisant la dernière version du logiciel GUPIX (Maxwell et al., "the GUELPH software package II", paru dans Nucl. Instrum. Methods in Physics Research, 895, p. 407-421, 1995), avec les données du spectre de la figure 4B a permis de montrer une parfaite cohérence entre les résultats expérimentaux et les valeurs portées sur le certificat d'étalonnage de la référence. Cette comparaison des résultats est résumée dans le tableau 1 ci-dessous. TABLEAU 1 ETALON SCO-1 MgO A1203 SiO2 K20 CaO Fetot Certificat 2,88 14,4 66,54 2,93 2,97 5,37 d'étalonnage Analyse Pixe-c 2,7+1,3 14,0+1,5 63+2 2,8+0,3 2,6+0,3 5,1+0,7 Co Oe On Les figures 5A et 5B présentent des spectres de fluorescence de la partie noire d'une céramique grecque attique. Ces spectres sont obtenus en utilisant respectivement, comme source excitatrice, une source de polonium-210 issue de l'art antérieur et la source objet de l'invention. Comme dans le cas présent, il est mis en évidence une amélioration importante de la séparation des pics de fluorescence X du spectre, liée à l'utilisation de la source selon l'invention. Les données du spectre de la figure 5B ont été traitées avec le logiciel GUPIX. Le tableau 2 présente les résultats de cette analyse quantitative, ainsi que la comparaison entre la méthode PIXE-c utilisant la source optimisée et une méthode d'analyse destructive traditionnelle SEM (Scanning Electron Microprobe) (d'après "Y. MANIATIS, E. LOUPI, A.D. STALIOS - New Evidence for the nature of the Attic black gloss. ARCHAEOMETRY 33, (1993) 23-24"). On peut constater le parfait accord entre les résultats issus de l'analyse PIXE-a selon l'invention, et ceux provenant de la méthode traditionnelle. La description qui a été faite ci-dessus concerne une source de polonium-210, de structure tronconique. Cependant, l'invention peut également s'appliquer à d'autres structures de source pour d'autres applications, en particulier à une source ayant la forme d'un disque sur lequel un dépôt est réalisé, par exemple un dépôt d'argent et de polonium-210. La figure 6 représente une telle source, avec un support 30 en forme de disque (par exemple en mylar massif), un disque (ou dépôt sous vide) 32, par exemple en argent métallique. La référence 34 désigne une zone radioactive (par exemple: dépôt électrochimique de polonium), qui est recouverte d'une couche primaire 40 de résine époxy. Au-dessus de cette dernière se trouve une membrane 42 de polyimide (Kapton), ainsi qu'une grille 44 de protection. De telles sources peuvent être utilisées dans des domaines tels que la biologie, afin de faire des irradiations x. De même, quelle que soit la structure retenue, on peut réaliser des sources d'autres éléments, par exemple des sources de transuraniens tels que 241Am, 239Pu, 244Cm ou autres, l'élément retenu étant déposé sur une surface de Pt, d'inox ou d'Au, par une technique classique d'électrodéposition. Quelle que soit la structure et la nature de la source retenues, une couche de polymère organique (par exemple un film de résine époxy aromatique) constitue une première barrière de confinement. Dans certains cas, cette barrière peut être suffisante, en particulier pour des applications en zone contrôlée ou surveillée. Dans d'autres cas, une ou des protection(s) supplémentaire(s) (membranes de polyimide, grille) peu(ven)t être ajoutée(s). Les techniques déjà exposées ci-dessus pour le dépôt du film de résine époxy, pour la préparation et la fixation (collage) de membranes de polyimide, ou pour la réalisation d'une grille restent valables dans le cas le plus général, ainsi que les considérations sur les épaisseurs des différents éléments. De même, on utilisera toujours aussi avantageusement un support de source en mylar massif. TABLEAU 2 CERAMIQUE ATTIQUE GRECQUE (ATT) ECHANTILLONS MgO A1203 SiO2 K20 CaO Fetot ATT-1 1,9 31,7 46,8 4,1 0,9 13,5 ATT-2 1,8 31,0 46,7 5,5 0,3 13,1 Analyse ATT-3 2,2 29,8 43,4 6,1 0,9 15,4 destructive ATT-4 1,9 29,2 45,6 4,7 0,6 15,3 ATT-5 1,9 30,9 45,3 6,5 na 14,8 (SEM) ATT-6 1,6 32,4 45,8 3,0 0,3 15,5 Analyse Pixe-c 2 +1,5 29 +2 42+2 3,2+0,2 0,45+0,15 13+1 na pas de donnée o00 Oe o) REVENDICATIONS 1. Source de particules a, comportant: - un support (18) de source, - un film (16) constitué d'une couche métallique contenant un élément transuranien, déposé sur une surface du support (18), - une couche de polymère organique déposée sur ce film métallique. 2. Source selon la revendication 1, comportant en outre au moins une membrane organique (20, 22) résistante au rayonnement a. 3. Source selon la revendication 2, la membrane organique étant constituée d'un matériau polyimide. 4. Source selon l'une des revendications 2 ou 3, la membrane organique étant collée sur le bord du support (18) à l'aide d'une colle époxy. 5. Source annulaire selon l'une des revendications 1 à 4, comportant en outre une grille (10) en un matériau ayant un faible numéro atomique (Z 6. Source selon la revendication 5, la grille étant en nylon. 7. Source selon l'une des revendications précédentes, la couche de polymère organique ayant une épaisseur inférieure à 1 pm. 8. Source selon la revendication 7, la couche de polymère organique ayant une épaisseur inférieure à 0,5 pm. 9. Source annulaire selon l'une des revendications 1 à 8, la couche métallique ayant une épaisseur inférieure à 0,2 pm. 10. source selon l'une des revendications 1 à 9, le support (18) de source étant en mylar massif. 11. Source selon l'une des revendications 1 à , le film constitué de la couche métallique et de l'élément transuranien ayant une surface inférieure à la surface émettrice maximum (17) du support (18). 12. Source selon l'une des revendications 1 à 11, comportant en outre un collimateur (24) au centre du support (18) de source. 13. Source selon la revendication 12, le collimateur étant en cuivre. 14. Source selon la revendication 12, le collimateur étant en un polymère organique ou en carbone. 15. Source selon l'une des revendications précédentes, le support de source ayant la forme d'un disque ou d'un anneau. 16. Source selon l'une des revendications 1 à , le support de source (18) ayant la forme d'un tronc de cône. 17. Source selon l'une des revendications précédentes, le film (16) déposé sur la surface émettrice du support (18) étant constitué d'une couche d'argent contenant du polonium-210. 18. Source selon l'une des revendications 1 à 17, le film déposé sur la surface émettrice du support (18) étant constitué d'une couche de platine ou d'inox ou d'or contenant un élément transuranien.