Article paru en octobre 2005radioéléments émetteurs de rayonnements alpha
Les promesses des bolomètres refroidis
Pour déterminer la nature et l'origine des actinides, des radioéléments utilisés pour la production d'énergie et la médecine nucléaire, il suffit d'analyser leur composition isotopique. Dans cette perspective, les scientifiques du CEA LIST viennent de contribuer à la mise au point d'un détecteur d'une sensibilité et d'une précision jusqu'ici jamais atteintes.
Rien ne ressemble plus à du Plutonium 239 que du Plutonium 240 Pour distinguer les isotopes des radioéléments présents dans l'environnement, il faut déterminer l'énergie et l'intensité des rayonnements qu'ils émettent. Or, la résolution des détecteurs classiques rend difficile la séparation de ces rayonnements d'énergies très proches. Une collaboration entre l'Institut d'Astrophysique Spatiale du CNRS et le Laboratoire National Henri Becquerel du CEA LIST vient pourtant d'aboutir à la mise au point d'un détecteur d'actinides affichant une résolution en énergie très supérieure à celle des outils classiques tel que les diodes à silicium. Les enjeux sont de taille. La composition isotopique des actinides (nom donné aux 14 radioéléments dont le numéro atomique suit celui de l'actinium : 89) permet en effet de déterminer leur origine avec précision : accident de centrale, tests d'armes nucléaires, munitions contenant de l'uranium, etc.
Exploitant le principe des bolomètres refroidis en dessous de 0,1K développés pour l'astrophysique, le nouveau détecteur mesure l'élévation de température consécutive à l'interaction des rayons alpha avec sa cible. Cette technologie présente plusieurs avantages. "Tout d'abord, l'énergie d'un rayonnement alpha est principalement convertie en chaleur, et donc en énergie détectable par le bolomètre, alors que les détecteurs classiques ne mesurent qu'une partie de l'énergie, libérée par ionisation, explique Elvire Leblanc, chercheur au CEA LIST. De plus, les bolomètres ne présentent aucune zone de non-détection liée à la présence d'électrodes : tout leur volume est actif."
Mais les scientifiques ont voulu aller plus loin : pour améliorer encore les performances de leur bolomètre, ils ont choisi de le doter d'une cible en cuivre. "Grâce à son excellente conductivité thermique, ce métal permet un transfert très rapide de l'énergie du rayonnement vers le senseur. En outre, contrairement à la plupart des matériaux semi-conducteurs ou diélectriques, l'énergie n'y est pas partiellement piégée par des impuretés ou des défauts de structure."
Avec une résolution finale de 5 keV, soit un millième environ de l'énergie des rayons alpha, le prototype de détecteur est capable de séparer des rayonnements d'énergie très proches. Cette avancée majeure rend également possible la détermination de données atomiques telles que les intensités d'émission de chaque rayonnement alpha, et pourrait contribuer à la surveillance de la non-prolifération des matières nucléaires ou encore à la gestion des déchets issus du cycle du combustible dans les réacteurs. Enfin, en cas de contamination (même faible), ce détecteur permettrait d'identifier précisément les isotopes présents, dont certains peuvent être hautement toxiques et présenter des durées de vie importantes.
