Étalonnage économique entre 28 et 1250 keV pour les appareils de radioprotection utilisés dans la surveillance de l'environnement

 

Jean-Marc Légaré, Ph. D.

Ministère de l'Environnement du Québec

5199, rue Sherbrooke Est, bureau 3860

Montréal (Québec)

H1T 3X9

Tél.: (514) 873-1978

Téléc.: (514) 873-5662

 

Page principale de Jean-Marc Légaré

Sommaire

Services de radioprotection commerciaux

Travail présenté au congrès de la Health Physics Society,

3-7 juillet 1988 à Boston, Mass., É.-U.

 

Dépôt légal - 2e trimestre 1990

Bibliothèque nationale du Québec

Bibliothèque nationale du Canada

ISBN 2-550-20797-1

 

Envirodoq 900030

QEN/EN-26/1

 

Sommaire

I- Résumé

II- Resumo

III- Mots Clefs

IV. Introduction

V. Méthode expérimentale

VI. Résultats

VII. Conclusions et discussion

VIII. Références

 

Résumé

 

Afin de quantifier les rayons gamma de diverses sources radioactives solides et liquides ainsi que les rayons X dans l'environnement, l'auteur a établi une méthode simple et économique d'étalonnage des appareils de radioprotection entre 28 et 1250 keV. La méthode consiste à faire étalonner les lectures d'un appareil de référence adéquat à diverses énergies dans un laboratoire national ou agréé. On l'utilise ensuite pour étalonner les rayons sortant des contenants blindés ouverts pour des sources de 125I, 241Am, 133Xe filtré, 57Co, 99mTc, 51Cr, 137Cs et de 60Co. Celles-ci servent finalement à étalonner des compteurs Geiger-Müller, des chambres d'ionisation et des stylodosimètres à lecture directe dans les unités des appareils dans l'air libre et selon 1'ICRU à 10 mm de profondeur. On y présente des courbes de réponse axiale et des facteurs de correction correspondants en fonction de 1'énergie équivalente pour des appareils typiques ainsi que les courbes de réponse angulaire pour les principaux plans de ces genres d'appareils.

 

Resumo

 

Página principal Radioprotection J.-M. Légaré

Servicios de radioprotección profesionales

Calibração económico entre 28 e 1250 keV para os aparelhos de radioproteção

utilisados na monitoragem do meio ambiente

 

A fim de quantificar os raios gama de varios fontes radioativas solidas e liquidas e também pela quantificação dos raios X no meio ambiente interior e exterior, o autor estabeleceu um método fácil e económico do padrão ou calibração dos aparelhos de medição utilizados em radioproteção pelas energias entre 28 e 1250 keV. O metodo consiste na obtenção da calibração, num laboratorio nacional ou aprovado, das leituras de nosso alparelho de referência apropriado. Quando temos istes factores de calibração entre 28 e 1250 keV, para iste aparelho de base, fazemos a irradiação dele chegando das fontes com raios do I 125, Am 241, Xe 133 filtrado, Co 57, Tc 99m, Cr 51, Cs 137 e Co 60. Finalmente istas fontes calibradas com intensidades exactas já hoje conhecidas estão utilizadas pela calibração de varios aparelhos Geiger-Müller, camaras de ionização e dosímetros pessoais com leituras dereitas, etc., e isso com unidades de medição no ar libre e secundo conceptos de ICRU ou ICRP. Iste trabalho apresenta curvas dos factores de resposta e de correcção axiais para cada umo aparelho vs energia equivalente. Também ali encontramos na publicação o respondo angular pelos planos principais destes aparelhos de medição.

 

Mots Clefs

 

Environnement, Étalonnage, Surveillance,

Radioprotection, Dosimétrie, Sources radioactives

 

 

Introduction

 

Certains organismes internationaux ont déjà décrit, pour fins d'étalonnage, des choix et les caractéristiques recherchées des sources d'irradiation externes, des appareils de mesure appropriés et des conditions d'étalonnage à utiliser (1, 4). Il existe également des travaux typiques sur des sources d'étalonnage externe (3, 7, 8, 9, 10 et 12) servant à quantifier les émissions photoniques des sources radioactives solides ou liquides et les rayons X que l'on retrouve dans l'environnement intérieur ou extérieur.

À cause d'une longue tradition d'étalonnage d'appareils de référence pour étalonner des débits de dose d'exposition en radiothérapie, les bureaux nationaux d'étalons ont mis l'accent depuis plusieurs décennies sur des faisceaux de rayons X de divers kV avec des filtrations et des intensités diverses en plus des rayons gamma du cobalt 60, du césium 137 et parfois de l'iode 125. Chaque étalonnage complet d'un appareil de mesure coûte souvent plus que l'appareil lui-même.

Avec le nombre croissant de sources de rayonnements ionisants dans l'environnement, les appareils de surveillance se sont multipliés d'où l'utilité d'inclure d'une façon courante un étalonnage économique. Les exigences légales mondiales se sont accrues aussi.

L'emploi de sources radioactives gamma individuelles, monochromatiques ou presque, permet souvent une spécifications plus facile des énergies équivalentes sans passer par les diverses caractéristiques des appareils à rayons X, de leur filtration et de leurs couches de demi-atténuation (CDA), à moins d'utiliser la fluorescence X. Cette méthode appliquée à plusieurs appareils de surveillance est plus économique en plus d'éviter de se priver des appareils envoyés au loin pour fin d'étalonnage, et dont les conditions de transport de retour ne sont généralement pas contrôlées.

 

Méthode expérimentale

 

La technique préconisée est la suivante:

a) Faire étalonner dans un laboratoire national d'étalons ou en un laboratoire agréé les échelles de mesure en fonction de 1'énergie d'un appareil de base simple (débitmètre ou appareil intégrateur) stable à long terme, fiable et à réponse énergétique uniforme ou presque. Contrôler le transport lors du retour après 1'étalonnage à l'extérieur.

L'étalonnage se fait pour les échelles de lecture comparables à celles des divers compteurs de surveillance à étalonner; si l'on choisit une chambre d'ionisation avec exposition intégrée, le maximum mesurable doit être compatible avec un temps d'exposition raisonnable par rapport aux périodes physiques des sources radioactives choisies (tableau 1), avec le temps d'exposition et la distance source-détecteur.

Nous avons utilisé une chambre d'ionisation Victoreen de 64,5 uC/kg (250 mR) de notre inventaire avec son chargeur de modèle 570. Nous l'avons fait étalonner au Conseil national de recherches du Canada (CNRC) à Ottawa au moyen de rayons X de 80, 120, 180 et 250 kV avec diverses filtrations; leurs couches de demi-atténuation (CDA) étaient de 3,6 mn Al ainsi que 0,40 - 1,7 et 3,5 mm Cu. Leurs énergies équivalentes citées étaient successivement de 34, 56, 100 et 149 keV. Le CNRC a également étalonné cette chambre avec une source de cobalt 60 après l'avoir entourée de 4 mm de plexiglas afin d'y assurer 1'équilibre électronique. L'étalonnage au césium 137 n'était pas disponible au CNRC à Ottawa. Les facteurs de correction rapportés par le NRCC entre 34 et 1250 keV (60Co) étaient successivement 1,089 - 1,063 - 1,023 - 1,028 et 1,088. Nous avons contrôlé visuellement le transport lors du retour sur la banquette arrière de l'automobile.

 

b) Étalonner le débit d'exposition de chacune des sources radioactives choisies (tableau 1) dans leurs contenants blindés ouverts au moyen de l'appareil de base étalonné ci-dessus.

 

Pour l'iode 125, 1'étalonnage primaire de la chambre Victoreen (avec son chargeur) par rayons X au CNRC ne convenait pas aux basses énergies. Nous avons donc utilisé un débitmètre de table Pitman modèle 37C avec ses chambres de 350 et 35 ml pour faire le lien entre les rayons de basses énergies de l'iode 125 et les rayons d'énergies supérieures. Ceci se justifiait en raison de la réponse presque uniforme pour toute la gamme d'énergies sur l'appareil Pitman.

Pour tout appareil intégrateur en présence d'une source dont l'activité diminue significativement durant le temps d'exposition, nous avons utilisé 1'équation suivante:

 

 

où D0 : débit de dose d'exposition au temps t = 0

E : dose d'exposition pour une durée d'exposition t

T : période physique (demi-vie radioactive)

 

Dans le système international (SI) d'unités, D0 est en uC/kgs, E en uC/kg alors que T et t sont en s. Pour les appareils commerciaux utilisés dans ce travail, D0 est en mR/h, E en mR alors que T et t sont en h.

Nous avons ainsi utilisé avec succès cette équation pour notre chambre d'ionisation Victoreen de 64,5 nC/kg (250 mR) et pour notre stylodosimètre à lecture directe Dosimeter Corp. of America (DCA) Modèle 002 de 51,6 nC/kg (200 mR).

 

TABLEAU 1

 

PRINCIPALES CARACTÉRISTIQUES PHYSIQUES ET ÉCONOMIQUES DES SOURCES RADIOACTIVES CHOISIES

 

 

c) Étalonner chacune des échelles de mesure de chaque appareil de radioprotection au moyen des débits de doses d'exposition en mR/h étalonnés de chacune de ces sources et utiliser les facteurs ci-dessus (tableau 1) afin d'établir, soit les débits des équivalents de dose ambiants en nSv/s du système international (SI), ou les équivalents S de dose ambiants en uSv (5), selon les appareils.

 

Les échelles de mesure des appareils étaient comme suit: Berthold LB 1200 (0,1 - 1 - 10 et 100 mR/h); Solar Electronics International (SE Int.) monitor-4 (0,5 - 5 et 50 mR/h); Keithley 36150, (multiples de 0,1 mR/h) et finalement DCA-002 (200 mR).

Quant à 1'étalonnage des débitmètres en général, faire d'abord des mesures de débits de dose en fonction de la distance tout en passant par toutes les échelles possibles pour chaque source et chaque compteur afin de voir sur papier log/log si la pente est -2, c'est-à-dire voir si les valeurs varient avec l'inverse du carré de la distance et s'il y a bien linéarité de chaque échelle. Ceci permet de voir s'il y a des rayons mous et des bêta provenant de la source, de son contenant blindé et permet aussi de réduire les effets de fluctuation des lectures. Pour les sources initialement intenses et de courte durée, répéter les mesures en fonction du temps tout en s'assurant qu'il n'y a pas de fuites de matière radioactive en vérifiant le contenant blinde extérieur fraîchement vidé du contenant intérieur contenant la source.

Dans le cas du Xe 133, l'addition de 0,46 mm Cu (9) a permis d'éliminer les rayonnements indésirables. Pour la pilule de I 125 dans son contenant blindé (9), le graphique log/log de l'intensité en fonction de la distance indiquait une addition de rayons mous à 0,60 m et moins. Pour chaque compteur et stylodosimètre, établir le rapport "valeur lue/valeur étalonnée" pour chaque source radioactive afin d'obtenir la réponse axiale en fonction de 1'énergie équivalente d'ionisation des photons. La réponse axiale est celle pour l'axe central sauf pour le stylodosimètre où les rayons sont perpendiculaires à l'axe central du stylodosimètre. Exprimer les courbes de réponse et les facteurs de correction (l/réponse axiale) correspondants en fonction de 1'énergie équivalente pour chaque radioisotope. Ces énergies équivalentes s'obtiennent à partir de la fluence de photon par unité d'exposition publiée (6) pour les sources dont les pourcentages d'émissions photoniques sont connus en théorie (tableau 1).

 

d) Faire des mesures de réponse angulaire relatives à la valeur axiale décrite ci-dessus à des distances réalistes (ex. 0,50 - 1,00 m) pour chaque compteur étalonné, et ce, pour chaque source radioactive pour les principaux plans où la réponse peut ne pas être uniforme.

 

e) Utiliser les sources de longue durée (Am 241 et Cs 137) pour les étalonnages et références futures. Pour des raisons légales, il vaut encore mieux les faire étalonner initialement dans leurs contenants blindés ouverts par un laboratoire national ou agréé.

 

Résultats

 

Le tableau 1 résume les principales caractéristiques physiques et économiques des sources radioactives choisies. Les énergies équivalentes réelles peuvent varier un peu selon la nature et la filtration de chaque source d'émission.

La figure 1 nous donne les courbes de réponse axiale et les facteurs de correction correspondant à diverses énergies pour quelques-uns des appareils évalués. Il est bien connu que l'énergie des rayons influence beaucoup la réponse des compteurs G.M. (2, 11).

Les figures 2, 3 et 4 illustrent les réponses angulaires pour les principaux plans de quelques appareils où il peut y exister une réponse non uniforme.

 

Conclusions et discussion

 

a) la méthode est réaliste pour l'étalonnage, local ou mondial;

b) les sources radio-actives à rayons monochromatiques ou presque, sortant par l'ouverture de contenants blindés appropriés peuvent remplacer avantageusement les sources de rayons X (autres que par fluorescence) dans les laboratoires nationaux et agréés pour étalonner des appareils de surveillance;

 

 

Réponse axiale et facteurs de correction correspondants en fonction de 1'énergie équivalente d'ionisation dans l'axe central de nos appareils Berthold LB 1200 (0-100 mR/h), SE Monitor-4 (0-5 mR/h), Keithley 56150 (multiples de 0,1 mR/h) et sur tout axe perpendiculaire à l'axe central de notre DCA 002 (0-200 mR).

 

 

Réponse angulaire des compteurs Geiger-Müller Berthold LB 1200 sans ses pièces métalliques frontales, exposés aux photons ionisants de diverses sources radioactives.

 

 

Réponse angulaire des chambres d'ionisation Keithley, Modèle 36150 sans capuchon et exposées aux photons ionisants de diverses sources radioactives.

 

 

Réponse angulaire des dosimètres à lecture directe Dosimeter Corp. of America, Modèle 002, exposés aux photons ionisants de diverses sources radioactives.

 

c) on devrait effectuer un choix judicieux des sources radioactives et de la périodicité d'achat en tenant compte des caractéristiques, du nombre d'appareils à étalonner, des exigences légales, des coûts, de la disponibilité, des périodes physiques et des sources radioactives;

d) les sources sont pratiques même si l'on ne devait les utiliser que pour établir les réponses angulaires;

e) la source de 57Co peut être préférable au 99mTc, surtout si l'on veut s'en servir systématiquement pour évaluer le blindage des salles de radiographie (9);

f) il y a lieu de vérifier si les valeurs lues sur le compteur suivent bien la loi de l'inverse du carré de la distance;

g) il y a avantage à effectuer une spectrométrie ou une courbe de transmission afin de voir si le faisceau est homogène ou non;

h) une filtration de 0,46 mm Cu est nécessaire pour le 133Xe, tel que déterminé par la courbe de transmission;

i) on devrait utiliser les débits étalonnés et non leurs valeurs théoriques pour 1'étalonnage par sources radioactives, surtout s'il y a présence d'absorption ou de diffusion;

j) la méthode est meilleure lorsque l'appareil de référence avec sa mécanique et son électronique est simple, stable, fiable, de réponse énergétique uniforme et dans la gamme de débits prévus;

k) un débitmètre convient beaucoup mieux qu'un appareil intégrateur puisque les résultats sont immédiats même s'il peut en coûter plus cher à 1'étalonner à 1'extérieur pour 1' ensemble des échelles de mesures graduées;

l) si l'on utilise un appareil intégrateur, il vaudrait mieux qu'il ne dépasse pas 26 uC/kg (100 mR) et qu'il ait une chambre peu volumineuse;

m) l'appareil de référence peut être étalonné moins souvent en un laboratoire national ou agréé si sa réponse change peu lorsqu'on l'expose périodiquement aux sources d'américium 241 et de césium 137 étalonnées dans leurs boîtiers blindés ouverts;

n) 1'étalonnage sur place permet d'éviter les aller-retour difficilement contrôlables pour les appareils et évite de s'en priver;

o) les utilisateurs devraient exiger, préalablement à l'achat, l'obtention des courbes de réponses axiales et angulaires pour la gamme d'énergies voulues, en plus du circuit détaillé de l'appareil et d'une garantie adéquate.

p) on peut appliquer également la méthode d'étalonnage décrite aux rayons gamma de 2,75 et 1,37 MeV du 24 Na (12) ainsi qu'à diverses sources radioactives monochromatiques ayant peu ou pas de bêta et de Bremsstrahlung (rayonnements de freinage);

q) si l'on veut le débit de 1'équivalent de dose ambiant en nSv/s du système international (SI), préconisé par 1'ICRU (5) à partir des mR/h dans l'air en l'absence de tissu, il suffit de multiplier les mR/h réels par 2,78 H*(10) du tableau 1. Ainsi, pour le cobalt 60 où H*(10) = 1,00 cSv/R, on obtient 1 mR/h = 2,78 nSv/s. De plus, 1,0 mR = 10 H*(10) uSv; donc pour le cobalt 60, 1,0 mR dans l'air libre sans tissu, mais avec équilibre électronique donne un équivalent de dose ambiant de 10 uSv,

 

Références

 

1. AGENCE INTERNATIONALE DE L'ÉNERGIE ATOMIQUE

Handbook on calibration of radiation protection monitoring instruments

IAEA Technical reports séries no 133, 1971, 95 p., STI/DOC/10/133, Vienne.

2. ALLARD D.J.

Geiger-Mueller tube radiation response characteristics. Proceedings of the Health Physics Society's 21st midyear topical meeting on power reactor health physics, Miami, Florida, U.S.A., 13-17 déc. 1987, 16 p.

3. CHAWAGA D.J.

An analysis of ambiant dose equivalent response for various types of portable "micro-R" survey meters.

Thèse M.Sc., 51 p., University of Pittsburg, 1988.

4. INTERNATIONAL STANDARD ORGANISATION

Rayonnements X et gamma de référence pour 1'étalonnage des dosimètres et débitmètres et pour la détermination de leur réponse en fonction de 1'énergie des photons

ISO 4037-1979,

5. INTERNATIONAL COMMISSION ON RADIATION UNITS AND MEASUREMENTS

Determination of dose equivalents resulting from external radiation sources

ICRU rapport no 39, 10 p., fév. 1985

6. JOHNS H.E. ET CUNNINGHAM J.R.

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7. KATHREN, R.L.

Standard sources for health physics instrument calibration

Health Physics 1975, 29 p. 143-153.

8. KATOH A.

Sources radioactives et d'étalonnage (II)

Sources étalon gamma pour 1'étalonnage de radiomètres

Radioisotopes 1979, 28, 274-283 (en japonais).

9. LÉGARÉ J.-M. et CARRIÈRE P.-É.

Comparaison des sources de Tm 170, Yb 169, Tc 99m, Xe 133 et de Co 57 pour 1'évaluation du blindage des salles de rayons X et spécifications de blindage primaire pour Tc 99m, Xe 133 et Co 57.

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Use of 99m Tc for calibrating survey meters.

Health Physics 1987, 52, 83-86.

11. SWINTH K.L. et KENOYER J.L.

Evaluation of health physics instrument performance.

IEEE Transactions on Nuclear Science, 1985, NS-32, 923-933

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A simple method for checking an instrument response at 2,75 MeV photon energy

Health Physics 1985, 49, 980-981.

 

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