Dosimétrie : mesurer le rayonnement | Hackaday

Grâce à des passages en tant que technicien en radiologie au début de la vingtaine, suivis d’un travail dans divers laboratoires de biologie jusqu’au début de la quarantaine, j’ai été classé comme un « travailleur professionnellement exposé » en ce qui concerne les rayonnements ionisants pendant une grande partie de ma vie. Et bien que les emplois que j’ai accomplis sous cette égide aient été très différents, ils avaient tous un terrain d’entente. L’un concerne les cours de formation annuels obligatoires en radioprotection. Étant donné que la physique ne changeait jamais et que la réglementation le faisait rarement, ces sessions ennuyaient inévitablement tout le monde aux larmes, ce qui était dommage car cela ressemblait toujours à quelque chose auquel je devrais prêter une attention particulière, comme les briefings de sécurité que donnent les agents de bord mais que tout le monde ignore.

L’autre chose en commun était la nécessité de garder une trace de la quantité de rayonnements auxquels mes collègues et moi avons été exposés. Outre les implications évidentes en matière de santé et de sécurité pour nous personnellement, il y avait des considérations juridiques et réglementaires pour les différentes institutions impliquées, ce qui expliquait le rituel consistant à trouver votre nom sur une impression et à signer la dose mesurée par votre dosimètre pour le mois.

La dosimétrie a parcouru un long chemin depuis que j’étais activement considéré comme étant exposé professionnellement, et encore plus depuis l’époque où l’on savait très peu de choses sur les effets des rayonnements sur les tissus vivants. Ce que les premiers pionniers de la radiochimie ont appris sur les dangers de l’exposition a été durement acquis, mais nous a donné les connaissances nécessaires pour développer des méthodes et des outils dosimétriques qui rendent le travail avec les rayonnements beaucoup plus sûr qu’il ne l’a jamais été.

Rads et Rems, Sieverts et Grays

Bien qu’il existe de nombreux outils pour mesurer la dose de rayonnement reçue par une personne, il doit y avoir un moyen de placer ces données dans un contexte biologique significatif. Pour cela, il existe tout un écosystème de systèmes de mesure, qui se résument tous à quelques principes de base de la physique et de la biologie.

Le premier principe est que les sources de rayonnement sont toutes capables de transmettre de l’énergie cinétique aux tissus, soit sous forme de particules ionisées (rayonnements alpha et bêta) soit sous forme d’ondes électromagnétiques (rayonnements gamma et rayons X). Différents types de rayonnement ont des impacts différents sur les tissus, et ces différences doivent être prises en compte lors du calcul de la dose, grâce à des facteurs de pondération qui reflètent l’efficacité biologique relative (EBR) du rayonnement. Il s’agit essentiellement d’une mesure de la puissance de frappe des packs de rayonnement. Par exemple, les particules alpha, qui sont des noyaux d’hélium relativement massifs, ont un poids 20 fois plus élevé que les rayons bêta, gamma ou X.

Le deuxième principe derrière la dosimétrie est de nature biologique et reflète le fait que dans presque tous les cas, quels que soient les effets délétères des rayonnements subis par un organisme, ils sont causés par des interactions avec son ADN. Il y a certainement d’autres effets, comme l’ionisation dans le cytoplasme des cellules et la production de radicaux libres, mais dans l’ensemble, les gros problèmes de rayonnement surviennent lorsqu’ils s’écrasent sur l’ADN, en particulier lorsqu’il est en train de se répliquer. C’est pourquoi les cellules qui se divisent rapidement dans les organes hématopoïétiques (principalement la moelle osseuse), les parois du système digestif et les gonades sont particulièrement sensibles aux radiations.

La dose efficace tient compte du type de rayonnement et de la sensibilité biologique des différents organes. Source : EPA

La nécessité de prendre en compte tous ces facteurs et bien d’autres a donné lieu à une multitude de systèmes de mesure dosimétrique, avec des unités conçues pour différentes applications. Dans le système SI, l’unité de base de dose absorbée est le gray (Gy), qui est un joule par kilogramme de matière. La dose équivalente, qui tient compte de l’EBR du rayonnement, est mesurée en sieverts (Sv), qui est simplement la dose absorbée en joules par kilogramme multipliée par le facteur de pondération sans dimension. De même, le dose efficace est également exprimée en sieverts et correspond à la dose efficace multipliée par un autre facteur sans dimension basé sur la sensibilité du tissu cible au rayonnement. Pour ajouter à la complexité, les unités non SI (rads pour la dose absorbée, rems pour la dose équivalente et efficace) sont encore largement utilisées, et de nombreux dosimètres sont toujours étalonnés dans ces unités.

Film brumeux

Bien que les méthodes ad hoc d’enregistrement de la dose reçue par les travailleurs exposés professionnellement aux rayonnements remontent bien aux premières années de la radiochimie, la première tentative de création d’une méthode systématique de surveillance des travailleurs sous rayonnement est attribuée à EO Wollan, un physicien qui a travaillé avec le Chicago Metallurgical Laboratoire. Dans le cadre du projet Manhattan qui examinait la radiochimie du plutonium, Wollan a reconnu la nécessité de surveiller avec précision les expositions et a proposé le premier dosimètre à badge de film en 1942. Son appareil était simple : une enveloppe opaque contenant une bande de film photographique. film glissé dans un support en aluminium. Wollan a également inclus un filtre en cadmium, pour égaliser la réponse du film à différents types de rayonnement. Le développement du film montrerait le degré auquel le rayonnement l’avait embué, ce qui était facilement lu avec un densitomètre optique.

Film badge dosimètres. Source : Henry Grabowy, utilisation libre de droit d’auteur.

Compte tenu de leur facilité d’utilisation, de leur faible coût, de leur haute sensibilité et de leur taille compacte, les dosimètres à badge à film étaient la norme de facto jusqu’à relativement récemment. Les versions modernes étaient plus susceptibles d’être fabriquées à partir de plastique que d’aluminium du Dr Wollan, mais elles incorporaient toujours une variété de métaux pour agir comme des filtres. Le développement de badges de film et même leur lecture sont finalement devenus des processus automatisés, et des systèmes ont été développés qui pouvaient gérer des millions de badges chaque mois.

Un inconvénient des dosimètres à badge film est qu’ils ne fournissent de retour sur la dose reçue qu’après avoir été portés pendant un mois et développés. Bien que cela convienne probablement dans la plupart des contextes médicaux et universitaires, où l’exposition aux rayonnements devrait être généralement faible, certains dosimètres sont conçus pour fournir des lectures continues dans les cas où l’environnement est un peu plus énergétique. Une conception, le dosimètre de poche auto-indicateur, remonte à 1937. Le SIPD prend généralement la forme d’un tube de la taille d’un stylo et contient une chambre scellée remplie d’air à une extrémité. À l’intérieur de la chambre se trouvent un électroscope, composé d’une fibre de quartz flexible et d’une électrode fixe, et un microscope avec un réticule calibré. Lorsqu’une haute tension est appliquée à l’électrode, un champ électrostatique plie la fibre de quartz vers le repère zéro du réticule ; lorsque le rayonnement ionisant traverse la chambre, les charges sont lentement éliminées de l’électrode, ce qui lui permet de se plier plus haut sur l’échelle du réticule. Les porteurs pouvaient facilement suivre la dose en regardant à travers le microscope avant de recharger la chambre avec un chargeur portable alimenté par batterie.

Un dosimètre à fibre de quartz. Il s’agit essentiellement d’un petit électroscope qui est chargé par une alimentation HT portable ; le rayonnement traversant la chambre assomme la charge et dévie la fibre, qui est lue sur un réticule à travers un petit microscope.

Les SPID jaune vif portant le logo familier rouge, blanc et bleu de la défense civile sont devenus très populaires pendant la guerre froide aux États-Unis. Des millions d’appareils ont été fabriqués, certains calibrés avec des échelles qui ne seraient utiles que dans des environnements à rayonnement catastrophique. Les SPID sont des appareils extrêmement robustes et la plupart d’entre eux fonctionnent encore après plusieurs décennies, et même les chargeurs, avec leur électronique très simple, peuvent encore être trouvés en état de marche.

État (plus) solide

Les badges de film et les SPID en fibre de quartz étaient pratiques, mais la technologie progresse et des méthodes de dosimétrie moins chères et meilleures les ont largement supplantés. La dosimétrie thermoluminescente (TLD) est devenue une méthode très populaire pour suivre l’exposition. Elle repose sur la tendance de certains matériaux à « piéger » les électrons excités par les photons de haute énergie qui les traversent. Ces électrons piégés, qui s’accumulent dans la matrice cristalline proportionnellement à la quantité de rayonnement qui l’a traversée, peuvent être libérés à leur état fondamental simplement en appliquant un peu de chaleur. La lumière émise est captée par un photodétecteur et utilisée pour calculer la dose reçue.

Les TLD pour la plupart des applications dosimétriques commerciales sont basés sur des cristaux de fluorure de lithium dopés avec une petite quantité de manganèse ou de magnésium, ce qui crée des pièges à électrons. Les cristaux de TLD peuvent être suffisamment petits pour être intégrés dans un anneau en plastique, afin de surveiller la dose reçue par les extrémités lors de la manipulation de radio-isotopes, par exemple. Une méthode connexe, connue sous le nom de luminescence stimulée optiquement (OLS), utilise une céramique d’oxyde de béryllium comme matériau de piégeage; les électrons sont libérés du piège à l’aide d’un laser réglé sur une fréquence spécifique et un photodétecteur lit la lumière émise.

Un dosimètre personnel électronique (EPD) utilisant un capteur à diode PIN. Source : par Rama, CC BY-SA 2.0 FR.

Comme les badges de film, TLD et OSL ne fournissent aucune rétroaction en temps réel au porteur sur le dosage. Heureusement, les dosimètres personnels électroniques compacts sont maintenant largement utilisés. La plupart des EPD utilisent l’humble diode PIN comme capteur. De la même manière que les diodes PIN sont sensibles à la lumière lorsqu’elles sont polarisées en inverse grâce à leur grande région intrinsèque non dopée – le « I » dans PIN – les EPD utilisent des diodes PIN polarisées en inverse pour compter les photons de rayonnement ionisant qui les traversent. Les porteurs de charge sont créés lorsqu’un photon frappe la couche intrinsèque, ce qui produit un petit courant qui peut être amplifié. Un microcontrôleur totalise les comptages et affiche la dose équivalente calculée ; la plupart des EPD ont également des options pour déclencher une alarme si les points de consigne sont atteints.

Un autre capteur de rayonnement intéressant, bien qu’il soit davantage utilisé pour la dosimétrie in vivo pendant la radiothérapie que pour la dosimétrie personnelle, est le MOSFET, qui a des propriétés similaires aux matériaux utilisés dans les TLD. La zone d’un MOSFET sensible aux rayonnements ionisants est la couche de dioxyde de silicium qui sépare la grille de la source et du drain. Lorsque le rayonnement traverse le MOSFET, des paires électron-trou sont créées dans le SiO2 couche. Les trous migrent rapidement vers l’interface entre le SiO2 et le silicium de type N, où ils augmentent progressivement la tension de seuil du transistor. Plus il a reçu de rayonnement, plus il sera difficile d’allumer le MOSFET ; la dose totale peut être calculée en mesurant ce changement.

La chose intéressante à propos des dosimètres MOSFET est que les dommages accumulés dans le transistor servent d’enregistrement permanent de la dose reçue. L’inconvénient est que les dommages accumulés sur le MOSFET le rendent finalement inutilisable en tant que capteur. La limite pratique est une dose absorbée d’environ 100 Gy, soit plus de trois fois la dose absorbée par le corps entier qui est 100 % létale en 48 heures.