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Submitted on 1 Jan 1962
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Mesures microcalorimétriques du rayonnement γ
M. Lecoin, J. Robert, M. Picq
To cite this version:
151
MESURES
MICROCALORIMÉTRIQUES
DU RAYONNEMENT 03B3 Par M.LECOIN,
J. ROBERT et M.PICQ,
Laboratoire Curie, Institut du Radium.
Résumé. 2014 Mise au
point d’un nouveau dispositif de microcalorimétrie adiabatique à
compen-sation automatique permettant la mesure absolue du rayonnement 03B3 des radioéléments.
Abstract. 2014
Description of a new apparatus for adiabatic micro-calorimetry, with automatic
compensation, able to measure the absolute 03B3 radiation of radioelements.
LE JOURNAL DE PHYSIQUE ET LE
PHYSIQUE APPLIQUÉE
SUPPLÉMENT AU N° 12.
TOME 23, DÉCEMBRE 1962, PAGE
Introduction. - Dans
un
précédent
article[1],
nous avons décrit l’installation de microcalo-rimétrie
adiabatique qui
nous apermis
de comparer. l’intensité des étalons de radium et de déterminer
les
périodes
d’un certain nombre deradio-éléments
[2].
1Rappelons
brièvement la méthode utiliséejusqu’à
présent :
Les sources radioactives dont on veut mesurer le débit de chaleur sont
placées
dans
un calorimètrehermétiquement
clos dans lesparois
duquel
sontabsorbés les
rayonnements
émis. Cecalorimètre,
suspendu
dans une enceintemétalliquo
par des fils trèsfins,
est enprincipe
isolé aupoint
de vuether-mique :
leséchanges
de chaleur sont trèspetits
etdeviennent
pratiquement
nulslorsque
lecalori-mètre et l’enceinte sont à des
températures
voisines(quelques
millièmes dedegré).
Lamanipulation
consiste donc essentiellement à suivre duplus près
possible
l’évolutionthermique
du calorimètre enannulant constamment la différence de
température
existant entre l’enceinte et le calorimètre. Dans cebut,
l’enceinte estplongée
dansunbain
d’eau d’une centaine de litres dont latempérature peut
être,augmentée
progressivement
parinjections
depetites
quantités
d’eau chaude. Dans cesconditions,
l’élé-vation de
température
dubain,
mesurée avec unthermomètre au centième ou au millième de
degré,
est
égale
à l’élévation detempérature
du calori-mètre.La différence de
température
entre le bain et le calorimètre est décelée àchaque
instant au moyend’un
couple
thermo-électrique
en cuivre constantanrelié à un
galvanomètre
à haute sensibilité per-mettantd’apprécier
10-4degré.
Ledéplacement
duspot
dugalvanomètre
dans un sens ou dans l’autreindique
parconséquent
une surchauffe soitdu
bain,
soit du calorimètre. Undispositif
auto-matique
maintient lespot
au zéro enagissant
sur latempérature
du bain.Les calorimètres utilisés dans cet ancien
dispo-sitif,
sont des calorimètres47r,
c’est-à-dire que les sources sontplacées
directement à l’intérieur descalorimètres,
dans lesparois
desquels
sont absorbés lesrayonnements.
- Ce
dispositif
nepermet
donc pas de discernerles
rayonnements
émis par les radioélémentsétu-diés,
les rayons ceet p
étant totalement absorbés etles rayons y l’étant en
grande
partie
si le calori-mètre est suffisammentépais.
Il nous a paru intéressant de mettre au
point
une nouvelle installationpermettant
la mesure du seulrayonnement
y émis par lesradioéléments,
l’utilisation de l’anciendispositif
permettant
d’avoir alors par différence la mesure desrayon-nements a et
P.
La combinaison des deux instal-lations nouspermettra
d’obtenir lesénergies
mo3Tennes des émetteursg.
I.
Principe
de la méthode de micro calorimétrie y.- Cette méthode introduite au laboratoire
"par
Zlotovski
[3]
adéjà
été utilisée par l’un de nous,[4]
dans l’intention de mettre en évidence unrayon-nement
pénétrant
du Ra E. Leprincipe
en estessentiellement le suivant :
La source radioactive est
placée
au centre d’un calorimètre annulaire dequelques
centimètres de hauteur et de diamètre. Immédiatement autour de la source circule un microcourant d’eauqui
absorbela chaleur
dégagée
par lesrayonnements
peupéné-trants oc et
g.
Le calorimètre absorbe dans ces condi-tions une fractionplus
ou moinsimportante
durayonnement
y suivant sa hauteur etl’épaisseur
de sesparois.
L’utilisation de calorimètre différentspermet
de calculer l’intensité totale durayon-nement y émis dans
l’angle
47r.Le microcourant d’eau circule dans deux tubes coaxiaux à la source, l’eau
puisée
dans le bain étantaspirée
par une pompe rotative.Comme dans la
précédente
installation,
uncouple
thermoélectrique
relie le calorimètre à l’enceinte. Undispositif
decompensation
automatique,
com-mandé par le courant débité dans lecouple,
permet
de réchauffer le bain de manière à maintenir l’adia-baticité del’ensemble,
et parconséquent
d’évitertout
échange
de chaleur entre le calorimètre et le152
bain. L’élévat,ion de
température
dubain, qui
estdans ces conditions
égale
à celle ducalorimètre,
estmesurée par un thermomètre au millième de
degré.
Nous dcnnons
ci-après quelques
indications surl’appareillage
utilisé.A)
LES CALORIMÈTRES. - Pour obtenir l’élévation de
température
laplus
grande possible,
le calorimètre doit être de massepetite
et de chaleurspécifique
faible,
mais doit avoir ungrand pouvoir
absorbant et doit recevoir lerayonnement
y sousun
angle
solide suffisammentgrand ;
il doit d’autrepart
être assezéloigné
du tube central pourqu’il
n’y
ait pasd’échanges
de chaleur par convection. Ces conditions contradictoires nous ont conduit à utiliser des calorimètres deplomb
ou d’or dont le diamètre et la hauteur sont de l’ordre de 30 à à 35 mm. Leurépaisseur
est de2,5
ou 5 mm suivant laproportion
derayonnement
que l’on désire absorber.B)
TUBE CENTRAL. - Le calorimètre est axé surun tube de laiton solidaire de l’enceinte dans
lequel
onpeut
placer
les sources radioactives. Undispositif
de télécommandepermet
de monter et deFIG. 1. -
Coupe schématique de l’enceinte
calorimétrique.
A : Axe de descente des sources. - B : Bain. - C :
Calori-mètre. - F : Vers le filtre. - G : Vers le
galvanomètre.
- M : Manchon. - P : Vers la pompe. - R : Source
radioactive. - S : Fils de
suspension. - T : Tubes de
circulation d’eau. - TC :
Thermocouple.
descendre les sources, un
système
derepères
indi-quant
laposition
exacte de la source dàns le tubepar
rapport
au calorimètre( fcg.1).
Ce tube est entouré par deux autres tubes
coa-xiaux laissant entre eux deux espaces de 1 mm dans
lesquels
descendpuis
remonte un courantd’eau,
des trous effectués entre ces deux tubes à la
partie
inférieurepermettant
le passage de l’eau. Cecou-rant d’eau doit être assez fort pour évacuer toute
la chaleur émise par
l’absorption
dans le laiton desrayonnements
aet p
mais suffisamment faible pourne provoquer lui-même aucun
dégagement
decha-leur par voie
mécanique
ouchimique
(attaque
dulaiton...).
Des essais ont été effectués avec une bobine en
fil de cuivre
placée
au fond du tube et débitant uncourant
électrique
suffisant pourdégager
2 calories parminute,
cettequantité
de chaleur étantana-logue
à celle que donne un curie de radium environ. Un courant d’eau de 300cc/mn
s’est trouvésúffi-sant pour absorber cette
chaleur ;
un courant d’eauplus
intense est àproscrire,
desdégagements
de chaleurparasites
se transmettant alors au calori-mètre’etprovoquant
un « mouvementpropre » de
l’appareillage.
C)
POMPE ET CIRCUIT DE REFROIDISSEMENT.--Pour assurer l’adiabaticité de
l’ensemble,
l’eau refroidissant le tube centraldoit
êtrerigoureu-sement à la
température
de l’enceinte. Elle doit donc êtreprise
dans le bain et être maintenue àtempérature
constante avant d’atteindre le circuit de refroidissement.Nous avons été de ce fait amenés à éliminer
toutes les pompez foulantes
qui
échauffent l’eauavant de
l’envoyer
dans le circuit de refroidissementet à utiliser une pompe
aspirante placée
à la sortiede ce circuit. Cette pompe est entraînée par un
moteur
électrique
au moyen d’unelongue
courroie pour éviter là encore toute transmission de chaleurd’origine électrique.
Diverses
précautions
ont dû êtreprises
pour éviterl’engorgement
des microcourants d’eau : pose d’une toile inox à l’entrée du circuit pourempêcher
ledépôt
de boues dans lestubes,
instal-lation d’unpiège
à air interdisant la rentrée dans les tubes de l’aircomprimé
utilisé pour lebrassage
dubain,
etc...D)
MANCHON. -
Autour du tube centralpeuvent
s’emboiter des « manchons » dont lebut
estd’ab-sorber une
première partie
durayonnement
y. L’utilisation deplusieurs
manchons successifsper-met alors de mesurer avec un même calorimètre
diverses fractions du
rayonnement
y et de tracer la courbed’absorption
dans desépaisseurs
croissantes de matières.cou-rant d’eau. Un
couple placé
entrel’enceinte
et le manchon montre àchaque
instant l’isothermie dusystème.
E)
DISPOSITIF DE COMPENSATION AUTOMATIQUE.- Le
dispositif
estanalogue
à celui de notrepre-mière installation. Le
couple
calorimètre-enceinte débite dans ungalvanomètre Kipp
à hautesensi-bilité ;
dès que lespot
quitte
lezéro,
il entre dans lechamp
d’une cellulephoto
résistantequi
actionneune série de relais et de minuteries ouvrant
pendant
un
temps
déterminé une électro-vanne à eauchaude : le bain se réchauffant d’un ou deux mil-lièmes de
degré,
lespot
revient au zéro et lecycle
est
prêt
à se renouveler..II.
Pratique
des mesures : causes d’erreurspos-sibles,
-- Lapratique
des mesures s’effectue comme dans notre anciendispositif,
lesystème
de compen-sationautomatique
commandant leréchauffage
progressif
du bain dès que l’un descouples
est encircuit. La
lecture,
du thermomètre est faiteau moyen d’une lunette
permettant
d’apprécier
2 X 10-4
degrés.
Les mesures sonttoujours
faitesentre les mêmes
graduations
duthermomètre,
cequi
élimine toutes les corrections éventuelles decalibrage
de la colonne de mercure. Le thermo-mètre lui-même a été testé au moyen d’une sonde deplatine
associée à unpont
de Schmidt.Cependant,
laposition
de la source intervientdans ce nouveau
dispositif :
pour obtenir l’élévationFIG. 2. - Élévations de
température du calorimètre en
md/h, en fonction de la position de la source par rapport au fond du tube, avec et sans manchon, pour "OCo.
de
température maximum,
il est nécessaire decentrer
parfaitement
la source afin que lerayon-nement
atteigne
le calorimètre sousl’angle
solidemaximum. On trouve
expérimentalement
cemaxi-mum, en faisant varier la
position
de la source parrapport
au calorimètre. La courbe obtenuepermet
de se
placer
exactement au centre du calorimètre etde travailler
toujours
dans les mêmes conditions degéométrie.
Avant et
après
chaque
série de mesures, il a été vérifié que le mouvement propre de l’installationétait
nul,
et cela en utilisant descouples
situés à différentes hauteurs de calorimètre.III. Résultats
expérimentaux.
-ABSORPTION DANS LES ÉCRANS. - Nous
avons étudié
jusqu’à
présent
l’absorption
durayonnement
y de 6°Co etde
198Au,
les sources fournies par le C. E. A. étantde forte activité
spécifique.
Les calorimètres utilisés ont pour
épaisseur
2,5
et 5 mm. Ils sont vusde
la source sous unangle
solide variant de
0,69
à0,73
X 4n.La
comparaison
des résultats obtenus avec des calorimètresd’épaisseur
variablespermet
de cal-culer le coefficientd’absorption
durayonnement
yt
Les calorimètres
épais
peuvent
en effet êtreconsi-dérés comme constitués par deux calorimètres minces
coaxiaux,
l’unextérieur,
l’autre intérieur : par différence desquantités
de chaleurdégagées
par unitéd’angle
solide et par gramme de matière ondéduit de
proche
enproche
la courbed’absorption.
On
peut
également
déterminerl’absorption
des y dans desmanchons,
parcomparaison
des résultatsobtenus sans
manchon
et avec des manchons deplus
enplus épais,
le même calorimètre servant de détecteur.Le tableau ci-dessous donne la fraction du
rayon-nement absorbée dans différents manchons pour les y durs du 6°Co
(1,17
et1,33 MeV)
et pour les ymoins
énergiques
de 198Au’(0,411 MeV) ;
lapré-cision est de l’ordre de 4 à 5
o jo.
On déduit de ces résultats
l’épaisseur
d’absorl)-tion moitié :fais-154
ceau
parallèle
dans un écranplan :
cela tient aufait que nos mesures concernent
l’absorption
d’un faisceaudivergent
dans unangle
déterminé.FIG. 3. -
Courbes
d’absorption
des y de x98Au dans Pb et Au.Les mesures faites de
l’absorption
des y dans un manchon de cuivrepermettent
de déterminer letaux
d’absorption
durayonnement
dans les tubes du circuit de refroidissement. On en déduit la valeur de l’intensité y émise par la source dansl’angle
41t. Onpeut
alors obtenir l’intensité absolue de la sourceaprès
correction de la selfabsorption.
B)
SELF ABSORPTION. - Le fait d’avoir deuxins-tallations de
calorimétrie,
l’une à calorimétre 47cabsorbant tous les
rayonnements quelle
que soit lagéométrie
de la source, l’autre à calorimètre annu-laire absorbant lerayonnement
y sous unegéo-métrie connue,
permet
de déterminer la selfabsorp-tion y dans les sources. En
effet,
des sources seprésentant
sous des formes diverses maisayant
la même intensité au calorimètre4n,
donneront desrésultats différents au calorimètre annulaire : on en
déduira la fraction du
rayonnement
y absorbé dansles sources elles-mêmes.
Des
expériences
semblables ont été faites avec deux sources de 198Au de l’ordre de 3 curiesayant
respectivement
4 et0,5
mm dediamètre,
la secondeayant
une activitéspécifique beaucoup plus
intense Lacomparaison
des résultats obtenus avec les deuxtypes
de calorimètres a donné la selfabsorption
de ces deux sources et conduit à la valeur absolue de leur intensité.Conclusion. - La
mise au
point
de cette instal-lation nous apermis
de déterminer par une méthodenouvelle les courbes
d’absorption
durayon-nement y et la self
absorption
de cerayonnement
pour des sources de
grande
intensité. Par compa-raiso.n avec les résultats obtenus avec notre anciendispositif,
ilpermet
de mesurerindépendamment
les intensités absolues desrayonnements
ce, p
et y.BIBLIOGRAPHIE
[1] LECOIN (M.) et ROBERT (J.), J. Physique Rad., 1956, 17, 150 A.
ROBERT (J.), Thèse Doctorat. Ann. Physique, 1959, 4, 89.
[2] ROBERT (J.), J. Physique Rad., 1959, 20, 830.
