Nouvelle méthode de dosage de l'uranium, du radium, du thorium et de l'actinium dans des particules fines de minerai radioactif

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Nouvelle méthode de dosage de l’uranium, du radium,

du thorium et de l’actinium dans des particules fines de

minerai radioactif

G. Becquerel

To cite this version:

137 A

NOUVELLE

MÉTHODE

DE DOSAGE DE

_L’URANIUM,

DU

RADIUM,

DU THORIUM ET DE L’ACTINIUM DANS DES PARTICULES FINES DE MINERAI RADIOACTIF.

Par G.

_BECQUEREL,

Laboratoire de Recherches de la Société Kodak-Pathé

_(1).

Sommaire. 2014 Dans l’article

qui suit, on _expose une méthode permettant de doser simultanément

l’uranium, le radium, le thorium et l’actinium dans une _particule très fine de minerai radioactif. Ce _dosage est réalisé en étudiant _{l’absorption des rayons} 03B1 _{par l’air} ou par des écrans équivalents et en _appliquant les résultats obtenus à l’observation de la courbe de recroissance des _dépôts actifs

dans l’échantillon après chauffage prolongé à 800 °C.

La sensibilité de la méthode permet l’étude de _particules fines de minerai émettant un _rayon 03B1

par seconde.

PHYSIQUE APPLIQUÉE TOME _17, NOVEMBRE _1956, PAGE 137 A

L’étude des

_particules

de minerai radioactif dont

le volume est

souvent

inférieur au centième de

millimètre cube se heurte à de nombreuses

diffi-cultés

_{expérimentales.}

En

_{particulier, l’emploi}

de

_plaques

photo-graphiques

est très délicat et les résultats obtenus sont

_qualitatifs

ou

semi-quantitatifs,

les mesures

absolues étant

_pratiquement

_impossibles.

Dans l’article

_{qui suit,}

on _expose une méthode

permettant

le

_dosage

_quantitatif

d’un tel minerai

par un

_procédé

de

comptage

de

longue

durée

utilisant un

photomultiplicateur

d’électrons monté

spécialement

et un écran de sulfure de zinc de

caractéristiques

connues.

* * *

L’étude

énergétique

du

_{rayonnement P}

est

com-pliquée

par le fait que

chaque

radioélément émet

un

_spectre

continu d’électrons. Les

compteurs

de

Geiger

ou les

photomultiplicateurs

utilisés en rayon

nement introduisent,

d’autre

part,

dans les

comp-tages,

des fluctuations

statistiques importantes

dues aux mouvements propres élevés.

Enfin,

le rendement des

_compteurs

est faible _pour les

rayon-nements 03B2

et y. En

_rayonnement

oc, au

contraire,

on

_peut

obtenir des rendements élevés pour des

mouvements propres

remarquablement

faibles et l’étude des

_énergies

des

_particules

oc émises est relativement

_simple.

Pour ces différentes

raisons,

la méthode de

_dosage

_exposée

ci-dessous repose sur

l’étude du

_rayonnement

oc.

’

En tenant

_compte

du rendement de l’écran fluo-rescent _{pour la} détection des

_particules

oc, on dose

les différentes familles radioactives naturelles par l’étude de la recroissance des

_dépôts

actifs combinée

à l’étude

_{énergétique}

du

_rayonnement

OC émis. On

envisagera

successivement :

1. Le

_problème

de la fraction d’un

_rayonnement

monoénergétique

atteignant

un écran fluorescent

(1)

Communication 1811 V des Laboratoires de

Recher-ches

de la Société Kodak-Pathé.

situé à une distance d de la source. 2. Le

_problèule

du rendement de l’écran fluorescent en fonction du

parcours restant des

_particules

ce. 3.

_{L’appareillage.}

4.

_{L’application}

au

_dosage

de

_l’uranium,

du

radium,

de l’actinium et du thorium dans le minerai consi-déré.

I. Fraction d’un

rayonnement

oc

monoénergétique

atteignant

un écran situé à une distance d de la

source. - L’émission

a est

_isotrope,

c’est-à-dire _que

le nombre de

_particules

émises dans un

_angle

solide _{p est}

_{proportionnel}

à cet

_angle.

Si l’on

_dispose

au-dessus d’une source

_ponctuelle

un écran fluorescent E

(fig.

1),

on

_peut

considérer

FIG. 1. P = Parcours des _particules oc.

R = Parcours restant.

d = Distance de la source à l’écran fluorescent. E = Écran fluorescent.

0 = Source _ponctuelle de

_particules

a

monoénergétiques.

que le nombre de

particules

ce

qui l’atteignent

est

.

proportionnel

à la surface de la calotte

_sphérique

découpée

sur la

sphère

(S)

ayant

la source comme

centre et le _parcours P des

_particules

oc _{pour rayon.}

La

_proportion

du nombre de rayons ce

_qui

touchent l’écran par

rapport

au

_rayonnement

émis sur un seul

côté,

donc dans

l’angle

solide de vu

sté-radians,

est :

138 A avec

o étant la distance de la source à

l’écran,

.I’ le _parcours des _rayons « considérés.

II. Rendement de l’éeran fiuoreseent en fonction

du parcours restant des

particules

ce. - Une

parti-cule «

_atteignant

l’écran ne _{provoque pas} forcément

la fluorescence d’un

_grain

de sulfure de zinc. Il est donc

_{expérimentalement}

intéressant de déterminer

le

_rapport

T du _{nombre de coups}

_comptés

_lorsque

l’écran est situé à une distance d de la source au

nombre de coups

enregistrés lorsque

l’écran

_est

au

contact de la source.

J. P.

_{Anthony [1]}

a montré _{que l’évolution du}

comptage

N(R)

en fonction du parcours restant R

suit une loi de la forme :

où NI est une constante et

où f

est la distance

moyenne entre deux centres excités par la même

particule.

Le

_rapport

T s’écrit donc :

Étant

donné _{les faibles activités que} l’on

_étudie,

on ne

diaphragme

_{pas le} faisceau de

particules a

et

l’on

_emploie

une

photocathode

dont la surface est

grande

vis-à-vis de celle de l’échantillon

_{(cf. III,}

appareillage).

On

_adopte

_{pour R} une valeur

moyenne R

calculée comme suit :

Soit 03C8

l’angle

que fait la

trajectoire

d’une

parti-cule avec la normale à l’écran

(fig. 1)

III.

_{Appareillage.}

-- Les

particules

de minerai

sont solubilisées et

_déposées

sous forme de

_dépôt

infiniment mince sur

_plaque

de nickel _par une des

méthodes

_classiques.

On utilise un

photomulti-plicateur

EMI

_type

6099

_(VX

₅₀₄₆₎

à

photo-cathode de 12 cm de diamètre.

A. Clavier

_[2]

a montré l’intérêt _que

_présente,

pour ce

_type

de _mesure, l’alimentation du

photo-multiplicateur

sous tension relativement basse

(900 volts).

Dans ces

_conditions,

le mouvement propre est d’environ une

_impulsion

_par minute.

L’écran fluorescent est réalisé en

_dispersant

du

sulfure de zinc activé à

_l’argent

_(poudre

Massiot

G.

₈₆₎

dans du

_polystyrène

_{que l’on étend} sur un

support

mince de triacétate de cellulose. On

déter-mine avec le

_plus

de

_précision

_possible

la valeur

de X _{pour l’écran fluorescent utilisé} en

employant

la

_technique

de J. P.

_Anthony

_[1].

IV.

_Application

au

_dosage

de

_l’uranium,

du

radium,

du thorium et de l’actinium dans une

particule

de minerai. -

a) ÉTABLISSEMENT

DES

TABLES DONNANT LA VALEUR DE T EN FONCTION DE LA DISTANCE d DE LA SOURCE A L’ÉCRAN FLUO-RESCENT POUR LES DIFFÉRENTS RADIOÉLÉMENTS NATURELS : :

Pour

_chaque

radioélément et _pour

_plusieurs

valeurs de d on calcule la valeur de T en utilisant la relation

₍₁₎

établie

_plus

haut :

On

_reporte

les valeurs obtenues dans les tableaux

correspondants

I,

II et III. On

_peut

ainsi tracer

point

par

point,

pour les radioéléments suivants : UI, UII, Io, Ra en _équilibre radioactif _{(sans Rn...),}

UI... en

_équilibre

avec tous ses _descendants,

Ra ... en _équilibre avec tous ses _descendants,

Th ... en équilibre avec tous ses descendants,

UAc ... en

équilibre

avec tous ses descendants,

les courbes donnant le

_comptage

_{que l’on doit}

théoriquement

obtenir

_lorsque

l’écran fluorescent

est à une distance d de la source si l’on affecte du

coefficient 100 le

_comptage

obtenu

_lorsque

l’écran

fluorescent est au contact de la source.

A titre

_indicatif,

on

_a.reporté

sur la

figure

2 ces

1

différentes courbes _pour l’écran

ayant 1/03BB=

_0,66

cm 03BB

d’air

_équivalent

_{utilisé par}

_Anthony.

b)

TECHNIQUE

OPÉRATOIRE. - On dose le radium et le thorium en

_{suivant, après chauffage,}

la recrois-sance des

dépôts

actifs. L’uranium et l’actinium

sont _{dosés par} étude de

_l’énergie

du

_rayonnement

oc

émis.

Tous _{les corps du}

_dépôt

actif sont volatils. Dans l’ordre

_{décroissant,}

_{les corps}

_isotopes

du

polonium

et les corps C" sont les

_plus

_{volatils ;}

viennent ensuite les _corps C et

_E,

enfin les _{corps B} et

TABLEAU 1

TABLEAU II

140 A

pendant

deux

_heures,

_{afin que la}

_quantité

de radium B éventuellement non volatilisée ait décru

dans une

_proportion

telle

qu’elle

ne soit

_plus

gênante

pour

les

mesures à effectuer.

Immédia-tement

_après,

on

_étudie,

à l’aide du

photomulti-plicateur,

la recroissance

_du’dépôt

actif en

inter-posant,

entre la source et la matière

_{fluorescente,}

un écran

_équivalent

à

_3,5

cm d’air TPN

(Tempé-rature et

_{pression normales).}

Cet écran a été choisi

de telle sorte _{que le}

_rayonnement

oc dû au radium

et à

_l’uranium,

dont on a extrait le

radon,

soit

totalement absorbé

_(cf.

_{fig. 2).}

FIG. 2. -

Courbes d’absorption des _particules oc émises

par l’uranium, le radium, le thorium et l’actinium,

compte tenu du rendement de l’écran fluorescent

-

= O,fi6 cm _éq. d’air.

Nature de la source :

1. Uranium sans radon.

2., Radium sans radon.

3. Uranium en _équilibre avec ses descendants.

4. ; Radium en _équilibre avec ses descendants. 5. Thorium en _équilibre avec ses descendants. 6. Actinium en

_équilibre

avec ses descendants

Si l’échantillon ne contient pas de

thorium,

la

courbe des

_comptages

obtenus en fonction du

_temps

est du

_type

de la courbe tracée en

_pointillé

_{( fig. 3).}

Si l’échantillon contient du

_thorium,

la courbe

obtenue

_présente

une concavité

plus

forte dans les

premiers

jours

de

_{l’expérience}

et est du

_type

de la

courbe tracée en trait

plein ( fig.

3).

FIG. 3. - Courbes de recroissance des

dépôts actifs. - courbe expérimentale obtenue à partir d’un échantillon actif étudié.

- - - - Courbe

théorique de recroissance du radon dans le radium.

La méthode

_générale

consiste à établir l’influence du radon et celle du thoron dans la recroissance de

l’activité observée.

Dosage

du radium _par le radon. -- La croissance

du radon dans le radium est

_{proportionnelle}

à :

l’ étant la

_période

de

_{3,8 jours}

du

_radon,

et t le

temps

écoulé

_depuis

la sortie de l’échantillon du four.

Pour t = T _{on a} la moitié de la

quantité

du

radon obtenu

_{pour t}

infini. La seconde ’moitié

apparaît

donc entre

_(t

= fi et t _~

~).

C’est dans ce dernier intervalle de

_temps

_(t

=

T, t

_~

oo)

que

l’on détermine l’influence du radon.

On considère

_{que,l’évolution}

du

_dépôt

actif du thorium est terminée au bout de trois

_jours,

la

période

du thorium

_B,

la

_{plus longue,}

étant

de

_10,6

heures. A

_partir

du 4e

_jour,

la croissance de l’activité est donc

_uniquement

due à la formation

du radon dans le radium.

Au bout d’un certain

_temps

_{l’équilibre}

radio-actif s’établit et l’activité tend vers une limite

Y_,

qui

correspond

à

_{l’équilibre}

du radon dans

le

radium.

On cherche la différence de cote

_{( Y~ -}

_Y3,8;)

entre

_{l’asymptote}

horizontale et le

_point

t =

3,8

jours

(fig. 4).

FIG. 4. - Courbe de recroissance des

dépôts lactifs

d’un échantillon _déposé sur nickel.

Le double de cette _{valeur donne donc le} rayon-nement dû au radon et à son

dépôt

actif à travers l’écran considéré et à l’état

_{d’équilibre}

avec le

radium

_présent.

La valeur

_Y3,8,j

est

_prise

sur la courbe

expéri-mentale et la valeur

_{Y 00}

est déterminée en

compa-rant la courbe

_{expérimentale}

à la courbe

_théorique

de croissance du radon dans le radium. On

_opère

de la

_façon

suivante : On construit la courbe

théorique

de croissance du radon dans le radium en

141 A croissance totale du

_comptage

soit voisine

de

_{2( Y~ -}

_Y3,8

_j)

estimée sur la courbe

expéri-mentale. On évite ainsi une dilatation de l’échelle

des ordonnées

_{correspondant}

à l’introduction d’un

coefficient de

_{multiplication}

_trop

_important

de la croissance totale de l’activité. On _{superpose par}

transparence

et

_{pour t}

> 4

_jours,

la courbe

expéri-mentale construite avec les mêmes coordonnées et

la courbe

_théorique

dont

_{l’asymptote}

horizontale

est connue

_{mathématiquement.}

On obtient

_{ainsi, après}

correction de l’effet de l’écran

_équivalent

à

_3,5

cm

_d’air,

le

_dosage

du radium par le radon.

Dosage

du thorium _{par le} thorium B. - Il reste à évaluer l’influence du thoron dans la recroissance de l’activité observée. On retranche

_{l’influence,}

maintenant _connue, du radon et l’on

_applique

le

même raisonnement au thoron. On considère encore

que la loi de recroissance du thorium B et de ses

descendants dans la thorium est

_{proportionnelle}

à :

T étant cette fois la

_période

de

_10,6

heures du

thorium B.

L’activité totale

_{pour t}

~ oo

_est,

lorsque

l’on a

retranché l’influence du radon :

- L’activité

_{pour t}

=

10,6 heures,

influence du

radon

_retranchée,

est :

où _ylo,6 heures est l’irfluence du radon pour

t =

10,6

heures.

Cette valeur est _{donnée par les} tables

_lorsque

l’on connaît l’activité _y~ due au radon

_{pour t}

-> oo.

On

_applique

maintenant le raisonnement fait

_plus

haut : La fraction du

_comptage

due au thorium B et à ses descendants est _pour t - oo le double de la

recroissance observée dans l’intervalle de

_temps

(t

=

10,6 h ; t

_~

oo)

_en

ayant

soin de retrancher

l’influence du radon. On obtient ainsi, en tenant

compte

des

_expressions

₍₂₎

et

₍₃₎

la croissance totale du thorium et de ses descendants.

On admet _{que, pour} un

minerai,

le thorium est

automatiquement

en

équilibre

avec tous ses

des-cendants dont les

_périodes

sont inférieures à 10 ans.

On

_peut

_{ainsi, après}

correction de l’effet de l’écran

équivalent

à

_3,5

cm

_d’air,

doser le thorium par le

thorium B.

Dosage

de l’actinium. - Le

dosage

des _corps de la

famille de l’actinium n’est

_{plus possible}

_{par la}

méthode de recroissance du

_dépôt

actif.

De

_longs

_comptages

sont en effet nécessaires

(1

heure environ pour des activités

faibles)

et il est

impossible

de suivre la recroissance de l’activité des

éléments volatils de l’actinium dont les

_périodes

sont courtes.

On remédie à cet inconvénient en utilisant

l’activité initiale de

_Yo.

Cette valeur

_Yo

ne

_peut

être que très

approximativement

déterminée sur la

courbe

_{expérimentale.}

La

_pente

de cette courbe

est,

en

_effet,

extrêmement élevée au

_voisinage

de

l’origine

des

_temps.

On

_adopte

_{donc pour}

_Yo

la valeur calculée en

soustrayant

de

_{Y 00}

l’influence du radon et du

thoron pour t ~ oo.

On considérera _que l’activité initiale

_Yo

enre-gistrée

à travers un écran

_équivalent

à

_3,5

cm d’air est due aux _{corps :}

Les corps de la

première

colonne

_{appartiennent}

à la famille du thorium

_qui

a été dosé

précé-demment. Les corps de la seconde colonne

appar-tiennent à la famille de l’actinium et

_sont,

dans

un

minerai,

automatiquement

en

équilibre

avec

’ l’actinium.

En

_soustrayant

de

_Yo

l’influence connue des

corps de la

première

colonne,

on obtiendra un

dosage

de l’actinium

_présent

dans le minerai.

Dosage

de l’uranium. - Les

mesures utilisées

précédemment

sont effectuées en

_interposant

entre la source et l’écran fluorescent un écran

équivalent

à

_3,5

cm d’air TPN.

Les rayonnements

oc émis par les radioéléments

suivants :

sont _{donc totalement arrêtés par l’écran.}

Les corps

soulignés

ont été dosés

_{précédemment,}

leurs influences et celles de leurs descendants sont

donc connues.

En se

_reportant

aux courbes

correspondant

à

celles de la

_figure

_{2 construites pour l’écran}

_utilisé,

on établit la

_{participation n}

du

_radium,

du thorium

et de l’actinium en

_équilibre

avec leurs descendants au

_comptage

effectué

_lorsque

la source est au

contact de la matière fluorescente

_(d

=

0).

Si N est

le

_comptage

total obtenu dans ces

_conditions,

la

participation

des corps

UI, UII,

Io et

_AcU,

Pa

est N - n.

L’influence de ces radioéléments sera établie

globalement

par

plusieurs comptages

avec

inter-position

d’écrans de différentes

_épaisseurs.

Les

142 A

séparément

les groupes

UI, UII,

Io et

_AcU,

Pa.

Toutefois,

on constate

_souvent,

à

_partir

des

_dosages

précédents,

que l’influence d’une des deux familles U ou AcU est faible vis-à-vis de l’autre. On

_peut

_{alors supposer} en

_{première approximation}

que la

première

famille est en

_équilibre

radioactif

. avec son descendant dosé

précédemment,

et le

dosage

de l’autre

_groupe

est alors

_possible.

Ceci

peut

être

_fait,

_par

_exemple,

_pour des minerais d’uranium contenant _{peu d’actinium.}

Remarque.

-- L’étude de la recroissance des

dépôts

actifs a été

_exposée

avec

_{interposition}

d’un

écran arrêtant une

_partie

du

_rayonnement

entre la

source et l’écran fluorescent. Cette étude

_peut

être menée par contact direct de la source avec l’écran

fluorescent ;

toutefois,

dans ce _cas, on introduit les

fluctuations

_statistiques

dues aux

_rayonnements

des _corps à vie

_longue

non volatilisables. Un minerai

contenant peu de thorium et _{d’actinium pourra,} par

exemple,

être étudié avec l’écran fluorescent au contact de la _{source ;} un minerai de thorium

sera, au

_contraire,

étudié avec un écran arrêtant le

_rayonnement

des _corps à vie

_longue.

V.

_Exemples

_{d’application.}

- Parmi les études que l’on peut traiter par cette méthode

_figure

le

dosage

du radium et de l’uranium dans des traces

de substances radioactives concentrées en

labo-ratoire.

A titre

_{d’indication,}

nous donnons dans le

tableau IV les résultats

_numériques

obtenus sur

trois

_{mélanges d’uranium,}

de radium et de thorium. On a

_reporté

dans une des colonnes le

_rapport

du

nombre d’atomes

_d’UX1,

au nombre d’atomes de

radium,

pour les comparer au résultat obtenu _par

J. Pouradier sur un

_mélange

similaire _par

sépa-ration

_chimique

des radioéléments.

Conclusion. - Cette méthode

d’analyse

apporte,

dans de nombreux _cas, des

_{renseignements}

précieux.

Une

_préparation

relativement

_longue

est

nécessaire,

mais le

_montage,

une fois mis au

_point,

peut

servir en routine et

_l’emploi

en est alors

simple.

La sensibilité de

_{dosage permet}

de mettre en

évidence l’influence des diverses familles

radio-actives sur une

_particule

de minerai dont l’activité

est d’une

_{désintégration}

_par seconde. La limite de sensibilité de la

_méthode,

dans le cas du

_radium,

est _{d’environ 10-12 g de} Ra.

Pour notre

_part,

nous avons utilisé cette méthode

d’analyse

avec succès dans des cas où les autres

méthodes se sont révélées d’un

_emploi

extrê-mement délicat.

APPENDICE

RÉALISATION DE L’ÉCRAN FLUORESCENT. - Les écrans fluorescents sont réalisés en dissolvant deux

grammes de

polystyrène

dans 20 cm3 de benzène. On

_disperse

deux _grammes de sulfure de zinc

(poudre

Massiot G.

₈₆₎

dans cette solution et l’on couche sur

_support

mince

(20

_ti

_environ)

de

tri-acétate de cellulose.

A titre

_indicatif,

_{l’épaisseur}

du

_couchage

est

optimum lorsque

l’on

_peut

lire un texte

_tapé

à la machine à travers l’écran situé à un demi-centimètre du

_texte,

la lecture devenant

_impossible

à un

centi-mètre de la feuille.

DISPOSITION DE L’ÉCRAN. - La face substratée de l’écran fluorescent sera

disposée

du côté de la source radioactive _pour éviter

_{l’absorption}

du

rayonnement

« _{par le support.}

Manuscrit reçu le 15 mai 1956. TABLEAU IV

Ces valeurs

_indiquent

un ordre de _{grandeur des activités que l’on peut} aisément étudier en routine.

BIBLIOGRAPHIE