La mesure des intensités absolues d’émission photonique nécessite deux techniques : la spec- trométrie γ et/ou X, sur une source préparée avec une solution radioactive, et une technique de mesure primaire permettant de déterminer de manière absolue (sans étalon) l’activité mas- sique de la solution, Am. Ainsi, il est possible de déduire l’intensité d’émission correspondant
à l’énergie E à partir de la surface du pic d’absorption totale, du rendement de détection et de l’activité de la source de masse m, A = Amm. Dans le cas de 103mRh, la méthode primaire
retenue est la scintillation liquide par méthode RCTD [95] et [96].
6.2.1
Scintillation liquide
La mesure de la radioactivité par scintillation liquide consiste à détecter et quantifier la lu- mière produite par les rayonnements ionisants lors du mélange d’une solution radioactive avec un scintillateur liquide. Le rôle du scintillateur liquide est de transformer les rayonnements io- nisants émis lors de la désintégration d’un radionucléide en impulsions de lumière quantifiables. Il s’agit d’un liquide principalement composé de molécules organiques fluorescentes dissoutes dans un solvant. Le rôle de ce dernier est d’absorber l’énergie du rayonnement ionisant et de la propager vers les molécules fluorescentes dont la fonction est de capter l’énergie d’excitation du solvant pour la transformer en lumière possédant une longueur d’onde compatible avec les détecteurs, avec la meilleure efficacité possible. La concentration d’un scintillateur est généra- lement comprise entre 5 et 10 g par litre de solvant. Sa faible concentration rend peu probable son excitation directe par les rayonnements ionisants, ils interagissent principalement avec le solvant. Les molécules sont excitées ou ionisées par les électrons émis par le radionucléide ou par les électrons secondaires créés par différents processus d’interaction rayonnement-matière. Le dixième environ de cette énergie excite les molécules de solvant et le reste est converti en chaleur. L’énergie d’excitation migre ensuite d’une molécule à l’autre par un processus non radiatif, jusqu’à ce qu’elle soit transférée à une molécule scintillante ou dissipée sous forme de chaleur. Les molécules fluorescentes se désexcitent par transition radiative, conduisant de ce fait à une émission de lumière. Certains phénomènes physiques ou chimiques peuvent être à l’origine de la réduction de l’émission lumineuse du scintillateur, pour les décrire c’est le terme de « quenching » qui est utilisé. Il y a trois principaux modes de quenching : chimique, de couleur ou d’ionisation :
— Le quenching chimique est dû à la présence d’espèces chimiques susceptibles de désex- citer les molécules de solvant avant que son énergie ne soit transférée à une molécule scintillante ;
— Le quenching de couleur est dû à la présence d’espèces colorées dans la solution mesurée qui absorbent la lumière des photons émise par scintillation. Cela peut conduire à une anisotropie de l’émission lumineuse ;
combinaison non radiative augmente. On parle alors de quenching d’ionisation.
Le nombre de photons de scintillation est généralement très faible, du fait du faible rende- ment du processus de scintillation liquide. Cela implique l’utilisation de photodétecteurs ainsi que la conception de chambres de mesure spécifiques afin de collecter le plus de photons émis possible. Les photodétecteurs les plus communément utilisés sont des tubes photomultiplica- teurs. Quant à la chambre de mesure, elle doit être conçue de manière à être totalement étanche à la lumière tout en permettant l’introduction des flacons de scintillation liquide. Les résultats obtenus avec un seul photomultiplicateur sont difficilement exploitables, principalement à cause du bruit de fond thermique fluctuant. Pour éviter la suppression d’informations importantes il n’est pas possible de régler les seuils de discrimination sur des canaux trop élevés. Une alter- native généralement utilisée, est la mise en coïncidence de plusieurs photomultiplicateurs afin de réduire le bruit thermique, cependant le rendement de détection est également plus faible.
6.2.2
Méthode RCTD
La méthode du rapport des coïncidences triples aux coïncidences doubles (RCTD) permet la mesure de l’activité massique d’une solution radioactive sans utilisation d’étalons radioac- tifs. Il s’agit d’une méthode de mesure dite primaire, qui ne requiert donc pas d’étalonnage préalablement aux mesures. Le compteur à scintillation liquide, pour la mise en œuvre de cette méthode, comporte trois photomultiplicateurs. Pour déterminer le rendement de détection avec cette méthode, le modèle statistique est décrit à l’aide de la loi de Poisson. Soit E le dépôt d’énergie dans le scintillateur conduisant à une émission de m(E) photons en moyenne. La probabilité d’émission de x photons pour un nombre moyen est :
P(x m) =
m(E)xe−m(E)
x! (6.14)
Où m(E) suit la loi de Birks :
m(E) = Z Emax 0 A dE 1 + kBdE dx (6.15) Où A est un paramètre décrivant le rendement du scintillateur en photons par énergie absor- bée, kB est le paramètre de quenching d’ionisation et dE/dx est le transfert d’énergie linéique des électrons dans le scintillateur.
En supposant que les photomultiplicateurs ont une probabilité de détection non nulle, le ren- dement de non détection peut être assimilé à la probabilité d’émission de zéro photon pour une moyenne de m photons. En admettant que la probabilité de non détection est le complément de la probabilité de détection, le rendement de détection (équivalent à la probabilité de détection) devient :
R = 1 − P (0
m) = 1 − e
−m(E) (6.16)
Pour un système composé de trois photomultiplicateurs, de rendement quantique ν, les rendements de détection pour un photomultiplicateur puis deux et trois photomultiplicateurs
en coïncidences sont respectivement : R1 = 1 − e− ν m(E) 3 (6.17) R2 = 1 − e−ν m3(E)2 (6.18) RT = 1 − e−ν m(E) 3 3 (6.19) Le rendement de détection pour la somme des coïncidences doubles est :
RD = 3
1 − e−ν m3(E)2−21 − e−ν m3(E)3 (6.20)
Le rapport des probabilités de coïncidences triples sur les probabilités de coïncidences doubles s’écrit : RCT D= PT PD = REmax 0 S(E) 1 − e−ν m3(E)3 dE REmax 0 " 3 1 − e−ν m(E) 3 2 −2 1 − e−ν m(E) 3 3# dE (6.21)
Où S(E) est la densité décrivant le spectre normalisé de l’énergie absorbée par le scin- tillateur. Pour un grand nombre de désintégrations, le rapport des comptages en coïncidences triples à doubles converge vers le rapport des probabilités de détection en coïncidences triples à doubles. Ainsi, le rapport des probabilités est mesurable et il est alors possible de résoudre l’équation précédente, s’il est possible de déterminer S(E) et m, grâce à un algorithme utilisant la méthode de dichotomie. Ainsi, le rendement de détection devient une fonction du RCTD à partir duquel on obtient la valeur de l’activité massique de la solution radioactive. Lors d’une capture électronique ou d’une transition isomérique, une lacune est produite dans le cortège électronique, ce qui donne lieu à de nombreuses possibilités de processus de réarrangement comme l’émission d’électrons Auger ou de rayons X. Dans le cas d’une transition isomérique, l’émission γ peut être plus ou moins convertie, donnant lieu à l’éjection d’un électron du cor- tège électronique et donc aux réarrangements consécutifs. Pour déterminer la forme du spectre d’émission électronique et donc le rendement de détection, il convient de calculer au mieux les énergies d’émission des électrons et des photons issus de chacun des chemins de réarrangement. Il existe différents modèles de calcul, le modèle KLM, le modèle LLMN ou encore le modèle KL1L2L3M qui prend également en compte la correction d’effet photoélectrique. Le modèle
KLM est le plus simple, il ne distingue pas les sous-couches de la couche électronique L et les couches supérieures (N, O et P) sont regroupées avec la couche M. Ce modèle est illustré par la figure D.1 et les différentes probabilités par le tableau D.2 présentés en Annexe D. Dans cer- tains cas, les rendements de détection calculés à partir de ce modèle s’écartent significativement des valeurs expérimentales, ce qui montre que ce modèle n’est pas suffisamment détaillé. Le modèle LLMN propose une description plus précise et tenant compte de la couche électronique N. Il est ainsi plus adapté aux radionucléides ayant un numéro atomique plus élevé. Le modèle KL1L2L3M distingue quant à lui les trois sous-couches de la couche L et prend donc en compte
les transitions Coster-Krönig, alors que les autres modèles moyennent simplement les énergies des électrons et rayons X émis. Ce modèle tient compte également de l’effet photoélectrique
nombreux programmes sont à disposition pour permettre le calcul, par méthode Monte Carlo, du rendement de détection suivant l’un des modèles.