Brevet FR3105839A1 — publié le 20210702

L’invention concerne un procédé de préparation d’un absorbeur (2), caractérisé en ce qu’il comporte les étapes : - imprégnation, au moyen d’une solution (20) comportant au moins un radionucléide, d’une matrice (8) poreuse réalisée dans un premier matériau, plus de 40 %, de préférence plus de 50 %, en volume des pores présentant un diamètre inférieur ou égal à 200 nm ; - encapsulation de la matrice (8) imprégnée dans une capsule (10) réalisée dans le premier matériau, la capsule (10) étant configurée de façon à intercepter des particules émises depuis tout point de la matrice (8) et suivant toute direction. Figure pour l’abrégé : Figure 1 Procédé de fabrication d’un absorbeur et procédé de spectrométrie associé La présente invention concerne un procédé de fabrication d’un absorbeur. L’invention concerne également un procédé de spectrométrie. L’invention s’applique au domaine de l’instrumentation nucléaire, en particulier à la préparation de sources radioactives pour la spectrométrie de l’énergie totale de désintégration de radionucléides émetteurs α, dite « spectrométrie Q ». ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE La spectrométrie Q est une technique de spectrométrie en énergie récente pour identifier et quantifier des radionucléides émetteurs α présents dans une matière radioactive. Une telle méthode consiste à enfermer un échantillon radioactif à caractériser (comprenant lesdits radionucléides) dans une capsule de façon à former un absorbeur, à agencer l’absorbeur ainsi formé dans un détecteur cryogénique, l’absorbeur étant couplé à un senseur thermique, puis à analyser un signal de mesure délivré par le senseur. Un tel senseur est classiquement configuré pour convertir une élévation de température en une grandeur physique mesurable (typiquement une variation de résistance ou d’aimantation). Au cours de leur désintégration, les radionucléides de l’échantillon radioactif libèrent des particules (α, électrons, photons et noyaux de recul), qui sont captées par la capsule, ce qui provoque une élévation de sa température. La valeur de l’élévation de la température de l’absorbeur étant fonction de la somme des énergies des particules émises par désintégration (soit l’énergie totale de désintégration du radionucléide), l’analyse du signal de mesure délivré par le senseur thermique permet ainsi de mesurer l’énergie totale de désintégration (« Q value » en anglais) des radionucléides de l’échantillon. Or, l’énergie totale de désintégration de chaque radionucléide est caractéristique de celui-ci. Une telle mesure donne donc accès à la composition de l’échantillon radioactif, donc de la matière radioactive. Le recours à un détecteur cryogénique fonctionnant à très basse température, typiquement moins de 100 mK (millikelvin), par exemple environ 20 mK, permet d’atteindre des résolutions en énergie à mi-hauteur dans les spectres de l’ordre du kiloélectronvolt (keV) ou moins. Par conséquent, un tel procédé de spectrométrie autorise une discrimination entre des actinides pour lesquels les différences entre les « Q values » respectives sont d’au moins une dizaine de kiloélectronvolts. De tels actinides sont, par exemple, des isotopes tels que le plutonium 238, le plutonium 239 et le plutonium 240, dont les « Q values » respectives sont de l’ordre de 5 MeV (mégaélectronvolt). Néanmoins, un tel procédé de spectroscopie ne donne pas entière satisfaction. En effet, des impuretés présentes dans l’absorbeur, dues au procédé de dépôt de l’échantillon radioactif, sont susceptibles de capter une partie de l’énergie des particules α et des noyaux de recul résultant de la désintégration des radionucléides de l’échantillon. De telles impuretés résultent, par exemple, de la cristallisation d’un solvant transportant les radionucléides à caractériser (par exemple, un liquide dans lequel sont dissous les radionucléides). L’énergie des particules captées par de telles impuretés ne sera donc pas déposée dans la capsule, de sorte que cette énergie n’est pas dissipée sous forme de chaleur par l’absorbeur. Il en résulte une dégradation de la résolution spectrale de la mesure, voire des interférences spectrales, nuisant à la fiabilité de la mesure : la caractérisation de la matière radioactive est donc rendue plus difficile, voire n’est plus possible. Un but de l’invention est donc de proposer un procédé de préparation d’un absorbeur conduisant, dans le contexte de la spectrométrie Q, à une mesure fiable de l’activité des radionucléides présents dans l’échantillon radioactif. A cet effet, l’invention a pour objet un procédé de fabrication du type précité, comportant les étapes : - imprégnation, au moyen d’une solution comportant au moins un radionucléide, d’une matrice poreuse réalisée dans un premier matériau, plus de 40 %, de préférence plus de 50 %, en volume des pores présentant un diamètre inférieur ou égal à 200 nm ; - encapsulation de la matrice imprégnée dans une capsule réalisée dans le premier matériau, la capsule étant configurée de façon à intercepter des particules émises depuis tout point de la matrice et suivant toute direction. En effet, une telle matrice mésoporeuse présente des pores de très petite taille. Or, les dimensions des impuretés emprisonnées dans la matrice sont limitées par la taille des pores de la matrice. Il en résulte que les impuretés dans la matrice (notamment dues au solvant transportant les radionucléides à identifier) présentent des dimensions n’excédant pas quelques dizaines de nanomètres. Par conséquent, dans un absorbeur préparé selon le procédé objet de l’invention, l’épaisseur d’impuretés susceptible d’être traversée par chaque particule (notamment particules α ou noyaux de recul) émise par un radionucléide présent dans ledit absorbeur est très faible, de sorte que l’énergie de chaque particule est peu susceptible d’être absorbée par lesdites impuretés avant son absorption par la matrice ou la capsule : ceci conduit à une moindre dégradation de la mesure. Il en résulte une mesure plus fiable de l’activité des radionucléides présents dans l’absorbeur. Suivant d’autres aspects avantageux de l’invention, le procédé de fabrication comporte une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prise(s) isolément ou suivant toutes les combinaisons techniquement possibles : - l’encapsulation comprend : • l’agencement de la matrice imprégnée entre un premier feuillet et un deuxième feuillet chacun réalisé dans le premier matériau, une première face du premier feuillet étant en regard d’une deuxième face du deuxième feuillet ; • la mise en contact de la première face du premier feuillet et de la deuxième face du deuxième feuillet pour former la capsule encapsulant la matrice imprégnée ; - le premier feuillet et le deuxième feuillet sont des parties distinctes d’une même feuille, le procédé de fabrication comprenant le pliage de la feuille pour mettre en regard la première face du premier feuillet et de la deuxième face du deuxième feuillet ; - lors de l’imprégnation, la matrice est solidaire de la première face du premier feuillet ; - le premier matériau est l’or ; - le procédé comprend, avant l’imprégnation, la mise en œuvre, sur un élément réalisé dans un alliage or-argent, d’un traitement destiné à retirer les atomes d’argent de l’élément pour réaliser la matrice ; - l’imprégnation est réalisée au moyen d’un diffuseur de nanogouttes ; - l’imprégnation est précédée d’une fonctionnalisation de la matrice au moyen d’au moins une molécule apte à se lier à l’au moins un radionucléide. En outre, l’invention a pour objet un procédé de spectrométrie comprenant les étapes : - acquisition d’un signal de mesure délivré par un senseur thermique d’un détecteur cryogénique, le senseur thermique étant thermiquement couplé à un absorbeur réalisé suivant le procédé de fabrication tel que défini ci-dessus, le signal de mesure étant représentatif des variations de température de l’absorbeur ; - établissement d’un spectre à partir de l’amplitude du signal de mesure. Suivant un aspect avantageux de l’invention, le procédé de spectrométrie comprend l’identification de chaque radionucléide à partir du spectre établi. L’invention sera mieux comprise à l’aide de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d’exemple non limitatif et faite en se référant aux dessins annexés sur lesquels : la figure 1 est une représentation schématique d’un détecteur cryogénique comportant un absorbeur selon l’invention, l’absorbeur étant couplé à un senseur thermique ; la figure 2 est une représentation schématique d’un élément destiné à la fabrication d’une matrice de l’absorbeur de la figure 1 ; la figure 3 est une représentation schématique de l’élément de la figure 2, disposé sur un support 3 ; la figure 4 est une représentation schématique d’une imprégnation de la matrice obtenue à partir l’élément des figures 2 et 3, préalable à la réalisation de l’absorbeur de la figure 1 ; et la figure 5 est un spectre obtenu par spectrométrie Q au moyen de l’absorbeur de la figure 1. DESCRIPTION DÉTAILLÉE Un absorbeur 2 selon l’invention est représenté sur la figure 1. L’absorbeur 2 est destiné à être couplé thermiquement à un senseur thermique 4 au sein d’un détecteur cryogénique 6 en vue d’établir un spectre d’une solution comprenant au moins un radionucléide issu d’une matière radioactive contenue dans l’absorbeur 2, et ce afin de déterminer une composition de ladite matière radioactive. En outre, le détecteur cryogénique 6 (plus précisément, le senseur thermique 4) est lui-même couplé thermiquement à un bain thermique 7, par exemple au moyen d’un lien métallique. De préférence, la conductance thermique du lien entre l’absorbeur 2 et le senseur thermique 4 est plus élevée que la conductance thermique du lien entre le senseur thermique 4 et le bain thermique 7. L’absorbeur 2 comprend une matrice 8 encapsulée dans une capsule 10. La matrice 8 est destinée à être imprégnée au moyen d’une solution contenant la matière radioactive dont le spectre est à établir. La matrice 8 est une matrice poreuse réalisée dans un premier matériau. Plus précisément, la matrice 8 est une matrice dans laquelle plus de 40 %, de préférence plus de 50 %, en volume des pores présentent un diamètre inférieur ou égal à 200 nm (nanomètre). Par exemple, la matrice 8 est une matrice mésoporeuse réalisée dans un premier matériau. Par « matrice mésoporeuse », il est entendu, au sens de la présente invention une matrice dans laquelle plus de 40 %, de préférence plus de 50 %, en volume des pores de cette matrice présentent un diamètre compris entre 2 et 50 nm, conformément à la définition de l’ International Union of Pure and Applied Chemistry . Avantageusement, une telle détermination de la taille des pores de la matrice 8 est réalisée au moyen d’un microscope électronique à balayage. De préférence, le premier matériau est l’or. Dans ce cas, la matrice 8 est, de préférence, réalisée en appliquant, à un élément 12 (figure 2) réalisé dans un alliage or-argent, un traitement destiné à retirer l’argent dudit élément 12, la structure restante en or étant destinée à être utilisée en tant que matrice 8. Un tel traitement destiné à désallier l’argent, c’est-à-dire retirer les atomes d’argent de l’élément en alliage or-argent, est, par exemple, un traitement chimique connu à l’acide nitrique. D’une façon plus générale, la matrice 8 est, de préférence, réalisée en appliquant, à un élément réalisé dans un alliage prédéterminé, un traitement destiné à retirer au moins l’un des éléments chimiques présents dans l’alliage, la structure restante à l’issue dudit traitement étant destinée à être utilisée en tant que matrice 8. La capsule 10 est agencée autour de la matrice 8 de façon à intercepter toute particule émise depuis la matrice 8, quel que soit son point d’origine, quelle que soit sa direction et, notamment, quelle que soit sa nature (α, électron, photon ou noyau de recul). En d’autres termes, la capsule 10 est configurée de façon à intercepter une particule émise depuis tout point de la matrice 8 et suivant toute direction. En outre, la capsule 10 est également réalisée dans le premier matériau. Par exemple, lorsque la matrice 8 est en or, la capsule 10 est également réalisée en or. Un procédé de préparation de l’absorbeur 2 selon l’invention va maintenant être décrit, en référence aux figures 2 à 4. Au cours d’une première étape, illustrée par les figures 2 et 3, la matrice 8 est fabriquée. Comme indiqué précédemment, une telle fabrication comprend, par exemple, un traitement chimique de l’élément 12 réalisé dans un alliage prédéterminé afin de retirer au moins l’un des éléments chimiques présents dans l’alliage. Par exemple, l’élément 12 présente une épaisseur de l’ordre du micromètre à la dizaine de micromètres, par exemple entre 1 µm (micromètre) et 30 µm. Avantageusement, avant la mise en œuvre du traitement chimique de désalliage, l’élément 12 est déposé sur un support 14 (figure 3) réalisé dans le premier matériau, de préférence solidarisé au support 14. Ceci est avantageux dans la mesure où la matrice 8, obtenue à l’issue du traitement de désalliage, est fragile. Le recours au support 14 autorise de déplacer la matrice 8 sans avoir à manipuler directement ladite matrice 8. Le risque de dommage est donc réduit. Un tel support 14 est susceptible de former une partie de la capsule 10. Par exemple, le support 14 est un premier feuillet 16, notamment un premier feuillet d’or, l’élément 12 étant déposé sur une première face 18 du premier feuillet 16. Puis, comme illustré par la figure 4, la matrice 8 est imprégnée au moyen d’une solution 20 comportant au moins un radionucléide. Plus précisément, la solution est préparée par dissolution de la matière radioactive à caractériser dans un solvant prédéterminé. Par exemple, pour obtenir une telle solution, un prélèvement de la matière radioactive à caractériser est dissous dans de l’acide nitrique ou chlorhydrique. Avantageusement, l’imprégnation de la matrice 8 est réalisée par dépôt de la solution 20, sur la matrice 8, au moyen d’un diffuseur de nanogouttes 21. Ceci est avantageux, dans la mesure où le diffuseur de nanogouttes 21 autorise une grande maîtrise du volume et de la position de la solution 20 amenée sur la matrice 8, cette dernière présentant une surface externe de l’ordre du millimètre carré seulement. Il en résulte une meilleure qualité du dépôt de la solution 20, ce qui se traduit, comparativement à d’autres méthodes de dépôt, par exemple celle mettant en œuvre une seringue, par une plus grande maîtrise du volume déposé et par un dépôt plus uniforme de la solution 20 sur la matrice 8, tout en évitant un dépôt hors de la matrice 8, sur le feuillet 16 par exemple. Avantageusement, l’imprégnation de la matrice 8 est précédée d’une fonctionnalisation de la matrice 8 au moyen d’au moins une molécule apte à se lier à au moins un radionucléide. Ceci est avantageux, dans la mesure où une telle fonctionnalisation est susceptible d’accroître la concentration de chaque radionucléide dans la matrice 8, ce qui se traduit par une plus grande activité au sein de l’absorbeur 2, donc un abaissement des limites de détection et la possibilité de caractériser une solution 20 présentant une plus faible concentration en radionucléides. Puis, la matrice 8 imprégnée est encapsulée dans la capsule 10, de préférence après évaporation du solvant. Par exemple, la matrice 8 imprégnée est agencée entre le premier feuillet 16 et un deuxième feuillet 22 chacun réalisé dans le premier matériau, la première face 18 du premier feuillet 16 étant en regard d’une deuxième 24 face du deuxième feuillet 22. A titre d’exemple, le premier feuillet 16 et le deuxième feuillet 22 sont des parties distinctes d’une même feuille. Dans ce cas, ladite feuille est pliée pour mettre en regard la première face du premier feuillet et de la deuxième face du deuxième feuillet en vue d’encapsuler la matrice 8. Alternativement, le premier feuillet 16 et le deuxième feuillet 22 n’appartiennent pas à la même feuille. Par exemple, le premier feuillet 16 et le deuxième feuillet 22 présentent chacun une épaisseur de l’ordre de la dizaine de micromètres, par exemple comprise entre 15 µm et 500 µm. Le choix de l’épaisseur des feuillets 16, 22 résulte d’un compromis entre l’absorption des photons et la résolution en énergie. En effet, l’épaisseur minimale requise pour intercepter l’ensemble des photons émis par les radionucléides recherchés croît avec l’énergie desdits photons, tandis que la résolution susceptible d’être atteinte pour la spectrométrie Q décroît avec l’épaisseur de l’absorbeur 2, c’est-à-dire avec l’épaisseur desdits feuillets 16, 22. Puis, la première face 18 du premier feuillet 16 et la deuxième face 24 du deuxième feuillet 22 sont mises en contact pour former la capsule 10 encapsulant la matrice 8 imprégnée. De préférence, la première face 18 du premier feuillet 16 et la deuxième face 24 du deuxième feuillet 22 sont soudées l’une à l’autre, par exemple au moyen d’un soudage par diffusion. Dans ce cas, au cours d’un tel soudage, le premier feuillet 16 et le deuxième feuillet 22 sont pressés l’un contre l’autre, en particulier au niveau d’une zone contenant la matrice 8, et sont chauffés. Par exemple, dans le cas d’un premier feuillet 16 et d’un deuxième feuillet 22 réalisés en or, entre des faces 18, 24 desquels est agencée une matrice 8 en or, le premier feuillet 16 et le deuxième 22 sont pressés l’un contre l’autre et chauffés à une température de l’ordre de 400° C (degré Celsius) pendant quelques heures. Puis, l’absorbeur 2 ainsi formé est fortement couplé thermiquement au senseur thermique 4 du détecteur cryogénique 6 à l’aide d’une colle époxy (par exemple, une colle époxyde de nom commercial « Stycast 1266 »). Sur la figure 1, un tel couplage est symbolisé par un motif en zigzag entre l’absorbeur 2 et le senseur thermique 4. Par « absorbeur fortement couplé thermiquement au senseur thermique », il est entendu, au sens de la présente invention, que les transferts de chaleur entre l’absorbeur 2 et le senseur thermique 4 sont rapides, c’est-à-dire qu’ils se produisent sur des durées typiquement inférieures à 200 microsecondes. Une telle grandeur dépend, notamment, de la conductance thermique du lien entre l’absorbeur 2 et le senseur thermique 4. Dans ce cas, un signal de mesure délivré par le senseur thermique 4 est représentatif des variations de température de l’absorbeur 2. Le signal de mesure comporte des impulsions, chaque impulsion présentant une constante de temps de descente de quelques millisecondes, définie par la conductance thermique du lien thermique entre le détecteur cryogénique 6 et le bain thermique 7. Un tel bain thermique 7 impose une température d’équilibre du détecteur cryogénique 6, constante avec le temps, par exemple comprise entre 10 mK et 100 mK. Le détecteur cryogénique 6 est faiblement couplé au bain thermique 7, de sorte que les transferts de chaleur entre détecteur cryogénique 6 et le bain thermique 7 sont lents, c’est-à-dire qu’ils se produisent sur des durées typiquement un ordre de grandeur supérieures à 200 microsecondes. Sur la figure 1, un tel couplage est symbolisé par un motif en zigzag entre le senseur thermique 4 et le bain thermique 7. Puis, le signal de mesure délivré par le senseur thermique 4 est acquis, par exemple par un ordinateur, et un spectre en énergie est établi à partir du signal de mesure acquis. Le spectre correspond à un histogramme des amplitudes des impulsions. Puis, les radionucléides présents dans l’absorbeur 2 sont identifiés à partir de la position de chacun des pics dudit spectre, le nombre d’évènements obtenu par unité de temps dans chacun desdits pics étant représentative de l’activité de chacun des radionucléides. Comme illustré par la figure 5, grâce à l’absorbeur 2 selon l’invention, une résolution suffisante est atteinte pour discriminer des radionucléides donc les « Q values » sont très proches, par exemple le plutonium 239 (5245 keV) et le plutonium 240 (5255 keV), ou encore le plutonium 238 (5585 keV) et l’américium 241 (5565 keV). Procédé de fabrication d’un absorbeur (2), caractérisé en ce qu’il comporte les étapes : - imprégnation, au moyen d’une solution (20) comportant au moins un radionucléide, d’une matrice (8) poreuse réalisée dans un premier matériau, plus de 40 %, de préférence plus de 50 %, en volume des pores présentant un diamètre inférieur ou égal à 200 nm ; - encapsulation de la matrice (8) imprégnée dans une capsule (10) réalisée dans le premier matériau, la capsule (10) étant configurée de façon à intercepter des particules émises depuis tout point de la matrice (8) et suivant toute direction. Procédé de fabrication selon la revendication 1, dans lequel l’encapsulation comprend : - l’agencement de la matrice (8) imprégnée entre un premier feuillet (16) et un deuxième feuillet (22) chacun réalisé dans le premier matériau, une première face (18) du premier feuillet (16) étant en regard d’une deuxième face (24) du deuxième feuillet (22) ; - la mise en contact de la première face (18) du premier feuillet (16) et de la deuxième face (24) du deuxième feuillet (22) pour former la capsule (10) encapsulant la matrice (8) imprégnée. Procédé de fabrication selon la revendication 2, dans lequel le premier feuillet (16) et le deuxième feuillet (22) sont des parties distinctes d’une même feuille, le procédé de fabrication comprenant le pliage de la feuille pour mettre en regard la première face (18) du premier feuillet (16) et de la deuxième face (24) du deuxième feuillet (22). Procédé de fabrication selon la revendication 2 ou 3, dans lequel, lors de l’imprégnation, la matrice (8) est solidaire de la première face (18) du premier feuillet (16). Procédé de fabrication selon l’une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel le premier matériau est l’or. Procédé de fabrication selon l’une quelconque des revendications 1 à 5, comprenant avant l’imprégnation, la mise en œuvre, sur un élément (12) réalisé dans un alliage or-argent, d’un traitement destiné à retirer les atomes d’argent de l’élément (12) pour réaliser la matrice (8). Procédé de fabrication selon l’une quelconque des revendications 1 à 6, dans lequel l’imprégnation est réalisée au moyen d’un diffuseur de nanogouttes (21). Procédé de fabrication selon l’une quelconque des revendications 1 à 7, dans lequel l’imprégnation est précédée d’une fonctionnalisation de la matrice (8) au moyen d’au moins une molécule apte à se lier à l’au moins un radionucléide. Procédé de spectroscopie comprenant les étapes : - acquisition d’un signal de mesure délivré par un senseur thermique (4) d’un détecteur cryogénique (6), le senseur thermique (4) étant thermiquement couplé à un absorbeur (2) réalisé suivant le procédé de fabrication selon l’une quelconque des revendications 1 à 8, le signal de mesure étant représentatif des variations de température de l’absorbeur (2) ; - établissement d’un spectre à partir de l’amplitude du signal de mesure. Procédé de spectroscopie selon la revendication 9, comprenant l’identification de chaque radionucléide à partir du spectre établi.