Banc d’essais et protocole de génération d’atmosphères atypiques

L’étude du comportement d’un CAM de type ABPM203M a été réalisée avec le couplage du banc ICARE et du dispositif de génération des aérosols non-radioactifs, lesquels ont été présentés en détail au premier chapitre et sont rappelés à la figure 60 ci-dessous.

La démarche expérimentale est élaborée de manière à étudier :

- d’une part, l’évolution en temps réel du comptage effectué par le CAM dans les trois voies de mesures d’intérêt : ROI1 (α-artificiels, tels le 239Pu, le 241Am, etc.) et ROI2 et 3 (α-naturels, principalement 218Po et 214Po),

- d’autre part, le spectre en énergies α mesuré mis en relation avec la masse et la granulométrie des aérosols non-radioactifs collectés sur le filtre par le CAM.

Pour ce faire, la tête de prélèvement du CAM a été exposée à diverses configurations d’atmosphères reproduites dans la chambre expérimentale.

Figure 60 : Schéma du banc d’essais utilisé pour l’étude du comportement du CAM dans des conditions atypiques

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À une expérience est attribuée une atmosphère, laquelle est caractérisée d’une part, par une concentration stable en aérosols radioactifs naturels et d’autre part, par une brève génération, inférieure à 10 minutes, d’aérosols d’alumine non-radioactive, dénommés A, B, C et D en concentrations variées. Dans le tableau 13 ci-dessous sont rappelées les caractéristiques des aérosols radioactifs naturels (deux premières lignes) et les caractéristiques des aérosols non-radioactifs (deux dernières lignes).

La stabilité en concentration d’aérosols radioactifs naturels (pour l’ensemble des mesures) est contrôlée à l’aide du Condensation Particle Counter (CPC), disposé sur le banc d’essais ICARE, tandis que la concentration en aérosol non-radioactif est, elle, mesurée à l’aide du Compteur Optique de Particules (COP), lequel est placé à l’intérieur de la chambre expérimentale.

Tableau 13 : Les deux premières lignes correspondent aux caractéristiques des aérosols radioactifs naturels générées. Les deux dernières lignes correspondent aux caractéristiques

principales des aérosols non-radioactifs dénommés A, B, C et D

DAMA1 (µm) Concentration (part.cm-3) Fraction attachée/libre (FA/FL) Activité 218Po (FA+FL) (Bq.m-3) Activité 214Po (FA+FL) (Bq.m-3) 0,2 5 à 20 0,6 / 0,4 ~ 15 ~ 5 Dénomination de l’aérosol non-radioactif A B C D DEVMM2 (µm) 5,7 7,9 11,3 31,4

Une expérience se décompose en deux phases distinctes qui dure chacune deux heures :

• Première phase : la vanne reliée au filtre THE en partie supérieure de la chambre expérimentale est fermée et le générateur d’aérosol non-radioactif (RBG) est arrêté. Seule la vanne reliée à la veine ICARE est ouverte. En partie inférieure de la chambre expérimentale, le COP et le CAM sont activés.

Au cours de cette première phase, seuls les aérosols radioactifs naturels sont prélevés dans la chambre expérimentale par le CAM à 35 L.min-1 et par le COP à 1,2 L.min-1. Cette première phase est essentielle d’une part, pour homogénéiser, dans la chambre expérimentale, la concentration en aérosols radioactifs naturels, soit un temps environ égal à 10 minutes3 et d’autre part, pour stabiliser les mesures effectuées par le CAM4 dans une condition atmosphérique d’aérosols radioactifs naturels.

• Seconde phase : la vanne reliée au filtre THE en partie supérieure de la chambre expérimentale et la vanne reliée à la veine ICARE sont toujours respectivement fermée et ouverte. Durant cette phase, le RBG est activé pendant des durées variables (allant de 10 secondes à 10 minutes) pour reproduire des bouffées d’aérosols non-radioactifs mélangés aux

1 DAMA : Diamètre Aérodynamique Médian en Activité.

2 DEVMM : Diamètre Équivalent en volume Médian en Masse.

3 Trois renouvellements d’air sont nécessaires pour atteindre une concentration à 95 % de l’équilibre. L’enceinte a un volume de 0,122 m3, le prélèvement se fait à un débit de (35 + 1,2) L.min-1, ce qui fait un renouvellement d’air en 3 minutes et 22 secondes. Soit une concentration à 95 % de l’équilibre après environ 10 minutes de prélèvement.

4 En annexe 1, on présente l’évolution de l’accumulation théorique des descendants solides du radon sur le filtre du CAM dans les conditions d’expositions à l’activité naturelle et de prélèvement du CAM.

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aérosols radioactifs naturels prélevés dans la chambre expérimentale. En partie inférieure de celle-ci, seuls le COP et le CAM sont activés.

Au cours de cette seconde phase, le COP et le CAM prélèvent l’air à des débits respectifs de 1,2 l.min-1 et de 35 l.min-1. Après un temps de génération donné, le RBG est arrêté et la vanne reliée au filtre THE en partie supérieure de la chambre expérimentale est ouverte. En partie inférieure, l’ensemble filtre THE-débitmètre-pompe est activé durant quelques minutes de manière à réduire rapidement la concentration en aérosols non-radioactifs dans la chambre expérimentale. Le prélèvement effectué par le CAM et le COP se poursuit et ce jusqu’à la fin de l’expérience.

Pour chaque expérience un filtre vierge de type FSLW est placé sur le fritté de la tête de prélèvement du CAM. Ce filtre est pesé en début (m_initiale) et fin (mfinale) d’expérience avec une balance de précision METTLER AT250. La masse de particules accumulée au cours d’une expérience est alors simplement déduite (relation 55). L’incertitude élargie (k = 2) sur la masse se calcule avec la relation 61 présentée en annexe 1.

macc= mfinale− minitiale, ( 55 )

Remarque : les aérosols radioactifs naturels prélevés durant les quatre heures ne contribuent pas de manière significative à la masse d’aérosol prélevée. Effectivement, la masse calculée d’aérosols radioactifs naturels prélevée par le CAM est de l’ordre du microgramme. Une si faible masse n’est pas mesurable avec la balance de précision utilisée et est surtout négligeable au vu des masses d’aérosols non-radioactifs pesées, lesquelles sont toujours supérieures au milligramme).

Le comportement du CAM durant les deux premières heures de prélèvement d’aérosols radioactifs naturels est déjà bien caractérisé. Effectivement, la condition d’exposition est standardisée, ainsi l’évolution du comptage en temps réel et en continu est constant et stable après environ 1h30 (IEC 61578, 1997). En annexe 2 sont présentés l’ensemble des résultats, de position en énergie (E) et de FWHM, individuels obtenus à partir des spectres mesurés en phase une. Dans cette même annexe 2, on présente le calcul utilisé (relation 64) pour déterminer, à partir des 58 spectres enregistrés en phase une, l’incertitude absolue à 95 % sur les valeurs moyennes des positions en énergie et de leur FWHM. Les résultats sont reportés dans le tableau 14 ci-dessous. Ils mettent bien en avant le côté stable de la mesure des spectres en énergies des descendants solides du radon seuls, avec des incertitudes absolues à 95 % qui sont faibles.

Tableau 14 : Valeurs moyennes des positions et des FWHM des pics 218Po et 214Po, accompagnées de leurs incertitudes absolues à 95 %

Paramètres E (keV) U(E) (keV) FWHM (keV) U(FWHM) (keV)

218Po 4835 7 176 10

214Po 6679 4 132 3

Pour l’ensemble des spectres, la contribution de la traîne du pic 218Po, au comptage dans la ROI1, a également été calculée, laquelle est de 12 ± 1 %. Cette contribution correspond au paramètre K₁₂, lequel est fixé dans l’ABPM203M à 9 % (0,09). On constate un léger écart qui peut toutefois être expliqué par les différences de temps de mesure pour déterminer la valeur du paramètre K12 en conditions normatives IEC. Effectivement, dans notre cas, la mesure ne dure que 2 heures alors que pour la détermination du paramètre K12 (utilisé dans l’ABPM203M), la mesure moyenne se fait sur une durée d’environ 8 heures.

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Dans la suite, nous ne caractérisons que d’une part, les comptages mesurés par le CAM dans les différentes ROI au cours de la phase deux et d’autre part, les spectres en énergies enregistrés à la fin de cette phase.