WO2014013047A1 - Procede de mesure de l'activite d'une source d'emission de photons - Google Patents

Procede de mesure de l'activite d'une source d'emission de photons Download PDF

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WO2014013047A1
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site
source
detector
spectrometric
point
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PCT/EP2013/065266
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Fabien PANZA
Rodolfo GURRARIAN
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Institut De Radioprotection Et De Surete Nucleaire
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    • G—PHYSICS
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    • G01T1/16—Measuring radiation intensity
    • G01T1/169—Exploration, location of contaminated surface areas
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
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    • G01N23/22—Investigating or analysing materials by the use of wave or particle radiation, e.g. X-rays or neutrons, not covered by groups G01N3/00 – G01N17/00, G01N21/00 or G01N22/00 by measuring secondary emission from the material
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    • G01T1/00—Measuring X-radiation, gamma radiation, corpuscular radiation, or cosmic radiation
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    • G06T—IMAGE DATA PROCESSING OR GENERATION, IN GENERAL
    • G06T2211/00—Image generation
    • G06T2211/40—Computed tomography
    • G06T2211/424—Iterative

Definitions

  • the invention relates to the field of the acquisition and processing of spectrometric data, for determining the characteristics of a source of gamma-type electromagnetic radiation and of any kind (ore, pollution, sealed sources) of a given site.
  • the characterization of this source includes the location and quantification of the activity of the radiation source.
  • contaminations of a site such as a surface deposit of pollutants, leaks related to the circulation of a contaminated fluid, or the presence of a source of electromagnetic radiation buried.
  • the radiation itself can be variable. It can be gamma rays, in the case of a radioactive source, X-rays or infrared.
  • the types of contamination correspond to patterns of soil radiation emissions and different decontamination procedures.
  • the measurement campaigns carried out on a contaminated site are intended to determine, knowing the type of contamination, the location and the volume of the source of radiation, to determine its photon emission rate (or activity in the case of a radioactive source).
  • a 0 is the surface mass activity
  • p is the density of the soil in kg.
  • m "3 is the density of the soil in kg.
  • ⁇ is the coefficient of relaxation mass, in kg m -2 . This latter coefficient characterizes the depth distribution of the radioactive source in the soil.
  • the count rate is measured over a given energy range of the energy spectrum, and assumptions are made on the constitution of the soil, ie the soil is modeled and given a density p, and we hypothesize the value of ⁇ , to deduce the profile of the activity at depth.
  • the counting rate measured by the inverse of the detector's response function is then multiplied to obtain the total value of the activity, which corresponds to the activity initially deposited on the soil surface.
  • This response function is calculated conventionally from the knowledge of the distribution of radioactivity in the soil.
  • this method of calculating soil activity requires starting from the hypothesis of a homogeneous soil contamination, that is to say a source of photon emission extending over a very large area. important compared to the detector. This hypothesis is erroneous in cases where the source is punctual. This method is also rather imprecise because it is based on a hypothesis concerning the value of ⁇ , which sometimes proves to be erroneous or at least imprecise. By this method there is therefore a systematic inaccuracy on the value of the total activity present in the soil.
  • the detectors capture all the surrounding gamma radiation, and not only those that come vertically from the subsoil at the measurement sites.
  • the photons can come from areas where the soil parameters are different from the measured site, and therefore the total activity determined is false because the measurement of the activity at the surface of the site is a combination of several distributions.
  • the invention aims to overcome the aforementioned problems.
  • one of the aims of the invention is to propose a method for determining the contours of a source of radiation at a site, in order to quantify the activity of said source with increased precision.
  • Another object of the invention is to propose a method that also makes it possible to determine the depth distribution of the source.
  • the invention provides a method for studying a source of photon emission at a site, the method comprising the steps of:
  • the refined surface spectrometric information enabling the geographical location and the evaluation of the photon emission rate of said source.
  • the invention may further comprise at least one of the following features:
  • the spectrometric data are a photon count rate in a determined energy band characteristic of an atomic species of the source, and a photon count rate in a second energy band, corresponding to photons of said atomic species broadcast by Compton broadcast.
  • the method further comprises a step of remeshing the measured spectrometric data, prior to the deconvolution step, during which a network of regularly distributed points is generated, and spectrometric data at the points of the network are determined according to the data.
  • the detected radiation is gamma radiation
  • the method further comprises a step of determining a source relaxation coefficient of the source at the site from the spectrometric information at each measurement point or at each point in the array,
  • the step of determining a relaxation mass coefficient comprises, at each measurement point or at each point of the network, the calculation of a ratio between the photon count rate of the first energy band and the rate counting photons of the second energy band.
  • the method further comprises the steps of:
  • the refined surface spectrometric information includes the activity of the photon emission source at each point of the site, said activity being obtained by deconvolving the spectrometric data by the detector response function.
  • the method further comprises the steps of:
  • the method further includes a step of mapping the activity of the photon emission source to the site.
  • the invention also relates to a radioactive activity detection system adapted for implementing the method according to the invention, the system comprising:
  • a mobile carriage adapted to be moved in a site
  • a radiation detector mounted on said carriage, adapted to measure spectrometric data at a plurality of measurement points, a computing and processing unit, and
  • a memory in communication with the computing and processing unit, the system being characterized in that the processing unit is adapted to:
  • system according to the invention may further comprise at least one of the following characteristics:
  • the positioning device is a satellite positioning system.
  • the detector is a germanium detector, and the detection system further comprises a cooling system comprising a liquid nitrogen tank.
  • Figure 1 already described, represents a profile of radioactive activity at depth after the deposition of radioactive contamination on the surface.
  • FIG. 2 schematically shows a system used in the implementation of the method according to the invention.
  • FIGS 3a and 3b show the main steps of the method according to the invention.
  • FIG. 5a represents the relationship between the Peak to Valley ratio and the relaxation mass coefficient in the case of an exponential distribution source in the soil and measured by a germanium semiconductor spectrometer
  • FIG. 5b represents the relationship between the Peak to Valley ratio and the depth of a point source of photons in the ground.
  • FIGS. 6a, 6b and 6c show an exemplary implementation of data deconvolution step on a site. DETAILED DESCRIPTION OF AT LEAST ONE MODE OF IMPLEMENTATION
  • an operator moves a detection system in a site where there is supposed to be at least one photon source.
  • such a detection system 1 comprises a mobile carriage 10 on which a radiation detector 11 is mounted.
  • the detector is adapted to the type of radiation studied; for example, in the case of the location of a radioactive source, the detector is advantageously a germanium detector because it has a very fine resolution, of the order of 0.25% at 600 keV photonic energy.
  • a cooling system 14 for example a liquid nitrogen tank, for cooling the detector.
  • This detector is not collimated, so that it can detect photons coming from the ground with a detection opening of 180 °, corresponding to a solid angle of 2 ⁇ steradians.
  • the system further comprises a computing and processing unit 12, and a memory 13 connected to said unit.
  • the detector is provided with an interface enabling it to transmit data to the computing and processing unit.
  • the system may further comprise a positioning device 16, for example a satellite navigation system (GPS), connected to the computing and processing unit, for associating with the spectrometric data acquired at a measurement point the geographic coordinates of said point.
  • a positioning device 16 for example a satellite navigation system (GPS)
  • GPS satellite navigation system
  • This method comprises a measurement acquisition part 100 on a site in which there can be a source S of photon emission.
  • an operator places a system 1 at a measuring point of the site, and proceeds to the acquisition 100 of spectrometric data explained hereinafter, as well as geographical coordinates of the measurement points.
  • Each measurement of spectrometric data is recorded by the memory 13. After each measurement step 100, the operator moves the system 1 to reach a new measurement point and repeats the step 100 of data acquisition.
  • the measurement points are regularly distributed on the surface of the site.
  • the steps of measurement and displacement constitute a first part of the process carried out in real time. Once the spectrometric data has been acquired for all the measurement points of the site under consideration, a later phase of reprocessing the data is implemented. This step may be implemented by a server separate from the system 1 or alternatively by the processing unit 12.
  • This data reprocessing phase preferably comprises a step 300 of remeshing of the measurement points.
  • This step consists in generating, from a map of the site, a network of regularly distributed points on the site, and in assigning to each point of the network spectrometric data determined from the spectrometric data measured at the points of measurement. .
  • This step is performed by interpolation of the data recorded at the measurement points, to obtain spectrometric data corresponding to the geographical coordinates of the points of the network. Determination of a profile of the source in depth
  • a step 400 of determining a profile of the source in depth is implemented. This step depends on the nature of the source distribution in depth; punctual or exponential.
  • this step requires the determination of a relaxation mass coefficient ⁇ .
  • This coefficient can be determined in different ways, either by determining a hypothetical coefficient from a soil constitution hypothesis, or by calculating it from the spectrometric data at each point.
  • this step is preceded by a remeshing step, the calculation is performed on the spectrometric data of the points of the network. Alternatively, if the step is not preceded by a remeshing, the calculation is performed on the spectrometric data acquired at each measurement point.
  • the calculation of the relaxation mass coefficient comprises the calculation of a ratio, for each measurement point, between the number of detected direct gamma photons and the number of Compton scattered gamma photons detected.
  • the spectrometric data of each point used includes gamma photon count rates, in counts per second, in different energy bands.
  • FIG. 4 there is shown a portion of the photon emission spectrum of an atomic species.
  • This spectrum comprises a peak of energy, corresponding to photons emitted by a radioactive source, and reaching the detector without having undergone diffusion. They are called "direct photons".
  • the larger energy zone to the right of the peak includes only background noise at the level of the measurement coming from the natural radioactivity of the higher energy radiations (this background noise is considered constant over the energy range studied) .
  • the energy zone on the left of the peak includes lower energy photons, which are detected after Compton scattering and have lost some of the energy to which they are emitted.
  • This zone more specifically comprises a zone A which corresponds to the background noise on the right of the peak, a zone B which is an additional background noise produced by the heterogeneous Compton background of the higher energy photons, and a zone C which corresponds to the photons. Compton scattered in the soil at low scattering angle, resulting in low energy loss.
  • the spectrometric data acquired at each measurement point include a photon count rate in a first energy band at the peak energy level, and the count rate of the Compton scattered photons corresponding to a second band. energy.
  • Area C is determined by subtracting area A from background and area B. Then, using counting rates, the ratio of the net area of the area can be calculated. Peak and area of area C.
  • This ratio corresponds to the ratio between the number of direct photons and the number of scattered photons, and, as shown in Figure 5a, it is related to the depth distribution of the source.
  • FIG. 5a shows the relationship between a peak to valley ratio and the value of the relaxation mass coefficient ⁇ in the case of an exponential distribution of a gamma ray source. This abacus was made from numerical simulations and allows to find, from a Peak-to-Valley ratio, the value of the corresponding relaxation mass coefficient.
  • the Peak-to-Valley ratio is also used in the case of a point source of photon emission, since it makes it possible to obtain the depth of the source.
  • Figure 5b shows the relationship between the Peak to Valley ratio and the depth of a point source. This abacus has also been realized by numerical simulation, and allows to obtain the depth of a source with precision from the value of the ratio Peak to Valley. Determination of the detector response function
  • the coefficient of relaxation mass obtained thus indicates the distribution of radionuclides in the soil, and allows to deduce the response function of the detector during a step 500 in a manner known to those skilled in the art.
  • N f corresponds to the count rate of photons in the energy band considered, in counts / s
  • A is the surface or volume activity of the source in Becquerel per square meter or per kilogram, or more generally the rate of surface or volume emission of photons in counts / sec. m 2 or shots / s. kg.
  • j corresponds to the angular distribution of the photon flux, which depends solely on the distribution of radionuclides in the soil, this distribution being obtained by the coefficient of relaxation mass determined above.
  • ⁇ 0 / ⁇ is the proportion of photons detected with respect to the flux reaching the detector in a direction parallel to the axis of the detection crystal thereof.
  • N f / N 0 reflects the variation of the term ⁇ / ⁇ as a function of the angle of incidence of the photon flux with respect to an axial incident flux.
  • the surface activity of the source is then obtained by the measurements of the detector and by its response function, as will be seen later.
  • this step of determining the response function of the detector is followed by a deconvolution step 600 of the spectrometric data. This step is performed either on the data acquired at the measurement points, or on the data obtained at the points of the network generated during the remeshing step.
  • the spectrometric data N ie the photon count rate over the entire spectrum of energy captured by the detector, can be expressed as follows:
  • / is the signal (soil emission rate) that one wishes to estimate or restore
  • G is the response function of the spectrometer over the entire detection spectrum, or impulse response, also called Point Spread Function (PSF). It corresponds to the function of passage between the activity in the ground of a pixel and the count rate recorded, and was calculated during the previous step 500 from the knowledge of the distribution of radionuclides in the soil and the calibration of the detector.
  • PSF Point Spread Function
  • the response function G of the spectrometer represents the number of photons recorded which is generated by a pixel of 1 m 2 , as a function of its distance to the perpendicular of the detector.
  • the counting rate of photons in the detection spectrum can therefore be written in matrix terms from the writing of the detector response function as follows:
  • the activity A (x j , y j ) at the pixel S (X j ; Y,) produces a count rate N at the point S,
  • the count rate in each pixel i of the remeshed card can be represented as a convolution of the response function G of the spectrometer and the map of the radiation emission rate of the soil (or activity A) noted:
  • Ni count rate at pixel i
  • gij response function of the detector, applied to the activity of the pixel j to obtain a count rate measured at the pixel i
  • a j activity of the pixel j.
  • t is the index of the iteration su in the pixel j
  • the deconvolved data make it possible to directly obtain the activity of the source of photon emission in one pixel.
  • FIG. 6a to 6c there is shown an example of implementation of this step 600 of deconvolution.
  • Figure 6a shows a site contaminated by a radioactive source at 137 Cs and the measurement campaign carried out on the site. The source is shown in the center of the site, and the detector path is partially illustrated at the start and end. The displacement of the detector is carried out with a step of one meter, which is also the frequency of the acquisition of the measurements, and the distance between two crossings along the X axis of the site.
  • FIG. 6b shows the data collected by the detector.
  • the gray level of each pixel represents the rate of photon emission measured thereon. The darker the pixel, the higher the photon emission rate.
  • a step 700 of fine characterization of the source is then implemented, which firstly comprises the calculation 710 of the flux of photons emitted at the surface by the source, as a function of its activity and its depth.
  • the calculated photon flux can be compared with the photon flux actually measured at the surface on the detector during a step 720. If a difference is observed, then steps 400 to 600 can be reiterated (arrow 800), specifying the calculating or estimating the coefficient of relaxation mass and specifying the area over which the source determined by the deconvolution extends.
  • steps 900 can be iterated until the convergence of the measured flow and the calculated flow is achieved. Then, during a step 900, the activity obtained at the end of this iteration can be represented on a map of the site, to obtain an exact map of the presence and the activity of the source.

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Abstract

L'invention propose un procédé d'étude d'une source d'émission de photons en un site, le procédé comprenant les étapes consistant à: -mesurer(100)en un point en surface dudit site, des données spectrométriques, et des coordonnées géographiques du point de mesure, et mémoriser lesdites données en association avec lesdites coordonnées, -déplacer (200) le détecteur jusqu'à au moins un autre point du site et, en chaque point, réitérer l'étape de mesure et de mémorisation, et -mettre en œuvre, à partir d'une fonction de réponse prédéterminée du détecteur, sur l'ensemble des données spectrométriques de surface mesurées, une étape de déconvolution (500), pour obtenir des informations spectrométriques de surface affinées, les informations spectrométriques de surface affinées permettant la localisation géographique et l'évaluation du taux d'émission de photons de ladite source. L'invention propose également un système adapté pour la mise en œuvre du procédé.

Description

PROCEDE DE MESURE DE L'ACTIVITE D'UNE SOURCE D'EMISSION DE
PHOTONS
DOMAINE DE L'INVENTION
L'invention concerne le domaine de l'acquisition et du traitement de données spectrométriques, pour la détermination des caractéristiques d'une source de rayonnements électromagnétiques de type gamma et de toute nature (minerai, pollution, sources scellées) d'un site donné.
La caractérisation de cette source comprend la localisation et la quantification de l'activité de la source de rayonnements.
ETAT DE LA TECHNIQUE
Il existe plusieurs types de contaminations d'un site, tels qu'un dépôt surfacique d'éléments polluants, des fuites liées à la circulation d'un fluide contaminé, ou encore la présence d'une source de rayonnements électromagnétiques enterrée.
Les rayonnements eux-mêmes peuvent être variables. Il peut s'agir de rayons gamma, dans le cas d'une source radioactive, de rayons X ou infrarouge.
Les types de contamination correspondent à des profils d'émissions de rayonnements dans le sol et à des procédures de décontamination différentes.
Les campagnes de mesures réalisées sur un site contaminé ont pour objet de déterminer, connaissant le type de contamination, la localisation et le volume de la source de rayonnements, pour déterminer son taux d'émission de photons (ou activité dans le cas d'une source radioactive).
Or, de telles campagnes ne donnent généralement accès qu'à l'activité radioactive en surface du site. Pour déduire les informations recherchées sur la contamination à partir de cette activité surfacique, on a recours à des modèles de profils d'activité et à des hypothèses sur le type de sol.
Par exemple, en référence à la figure 1 , on a représenté la courbe de l'activité d'un élément radioactif en fonction de la profondeur à un temps donné, lorsque la présence de l'élément radioactif provient d'un dépôt en surface.
L'activité A en fonction de la profondeur z peut être une fonction exponentielle dont l'expression est donnée comme suit : A(z) = A0e 0Z
Où A0 est l'activité massique en surface, p est la masse volumique du sol en kg. m"3, et β est le coefficient de masse de relaxation, en kg. m"2. Ce dernier coefficient caractérise la distribution en profondeur de la source radioactive dans le sol.
Pour retrouver l'activité totale présente dans le sol, on mesure le taux de comptage sur une plage d'énergie donnée du spectre énergétique, et on choisit des hypothèses sur la constitution du sol, i.e. on modélise le sol et on lui confère une densité p, et on émet une hypothèse sur la valeur de β, pour en déduire le profil de l'activité en profondeur.
On multiplie ensuite ce taux de comptage mesuré par l'inverse de la fonction de réponse du détecteur pour obtenir la valeur totale de l'activité, qui correspond à l'activité déposée initialement à la surface du sol. Cette fonction de réponse est calculée de manière classique à partir de la connaissance de la distribution de la radioactivité dans le sol.
Cependant, cette méthode de calcul de l'activité du sol nécessite de partir de l'hypothèse d'une contamination du sol homogène, c'est-à-dire d'une source d'émission de photons s'étendant sur une surface très importante par rapport au détecteur. Cette hypothèse est erronée dans les cas où la source est ponctuelle. Cette méthode est également assez imprécise car elle est basée sur une hypothèse concernant la valeur de β, qui se révèle parfois erronée ou du moins imprécise. Par cette méthode il existe donc une imprécision systématique sur la valeur de l'activité totale présente dans le sol.
En outre, si la contamination n'est pas homogène ou que le détecteur se retrouve à l'aplomb d'une frontière entre une zone saine et contaminée, cette imprécision est accrue par la mesure de l'activité surfacique elle-même. En effet, les détecteurs captent tous les rayonnements gamma environnant, et pas seulement ceux qui proviennent verticalement du sous-sol sur les sites de mesure.
Il en résulte que les photons peuvent provenir de zones où les paramètres du sol sont différents du site mesuré à l'aplomb, et donc que l'activité totale déterminée soit fausse car la mesure de l'activité en surface du site est une combinaison de plusieurs distributions. PRESENTATION DE L'INVENTION
L'invention a pour but de pallier les problèmes précités. En particulier, un des buts de l'invention est de proposer un procédé pour déterminer les contours d'une source de rayonnements en un site, afin de quantifier l'activité de ladite source avec une précision accrue.
Un autre but de l'invention est de proposer un procédé permettant en outre de déterminer la répartition en profondeur de la source.
A cet égard, l'invention propose un procédé d'étude d'une source d'émission de photons en un site, le procédé comprenant les étapes consistant à :
mesurer en un point en surface dudit site, des données spectrométriques, et des coordonnées géographiques du point de mesure, et mémoriser lesdites données en association avec lesdites coordonnées,
déplacer le détecteur jusqu'à au moins un autre point du site et, en chaque point, réitérer l'étape de mesure et de mémorisation, et
mettre en œuvre, à partir d'une fonction de réponse prédéterminée du détecteur, sur l'ensemble des données spectrométriques de surface mesurées, une étape de déconvolution, pour obtenir des informations spectrométriques de surface affinées,
les informations spectrométriques de surface affinées permettant la localisation géographique et l'évaluation du taux d'émission de photons de ladite source.
Avantageusement, mais facultativement, l'invention peut en outre comprendre au moins l'une des caractéristiques suivantes :
les données spectrométriques sont un taux de comptage de photons dans une bande d'énergie déterminée caractéristique d'une espèce atomique de la source, et un taux de comptage de photons dans une seconde bande d'énergie, correspondant à des photons de ladite espèce atomique diffusés par diffusion Compton.
- le procédé comprend en outre une étape de remaillage des données spectrométriques mesurées, préalable à l'étape de déconvolution, au cours de laquelle on génère un réseau de points régulièrement répartis, et on détermine des données spectrométriques aux points du réseau en fonction des données spectrométriques acquises au niveau des points de mesure. les rayonnements détectés sont des rayons gamma, et le procédé comprend en outre une étape consistant à déterminer un coefficient de masse de relaxation de la source en le site à partir des informations spectrométriques en chaque point de mesure ou en chaque point du réseau,
l'étape de détermination d'un coefficient de masse de relaxation comprend, en chaque point de mesure ou en chaque point du réseau, le calcul d'un rapport entre le taux de comptage des photons de la première bande d'énergie et le taux de comptage des photons de la seconde bande d'énergie.
Le procédé comprend en outre les étapes consistant à :
o déduire du coefficient de masse de relaxation une distribution en profondeur dans le sol de ladite source, et
o déterminer la fonction de réponse du détecteur en fonction de la distribution en profondeur de ladite source,
les informations spectrométriques de surface affinées comprennent l'activité de la source d'émission de photons en chaque point du site, ladite activité étant obtenue par déconvolution des données spectrométriques par la fonction de réponse du détecteur.
Le procédé comprend en outre les étapes consistant à :
o calculer, à partir de la carte de l'activité, un flux de photons en surface du site,
o comparer ledit flux à au moins un flux mesuré en surface du site, et o itérer les étapes de calcul d'un coefficient de masse de relaxation et de déconvolution, pour obtenir une convergence entre le flux calculé et le flux mesuré.
Le procédé comprend en outre une étape consistant à réaliser une cartographie de l'activité de la source d'émission de photons sur le site.
L'invention concerne également un système de détection d'activité radioactive adapté pour la mise en œuvre du procédé selon l'invention, le système comprenant :
un chariot mobile, adapté pour être déplacé dans un site,
un détecteur de rayonnement, monté sur ledit chariot, adapté pour mesurer en une pluralité de points de mesure des données spectrométriques, une unité de calcul et de traitement, et
une mémoire en communication avec l'unité de calcul et de traitement, le système étant caractérisé en ce que l'unité de traitement est adaptée pour :
charger des données de chaque point de mesure stockées dans la mémoire, - à partir d'une fonction de réponse prédéterminée du détecteur, mettre en œuvre sur l'ensemble desdites données une étape de déconvolution, pour obtenir des informations spectrométriques de surface affinées, et
générer une cartographie d'une source d'émission de photons à l'origine des données spectrométriques présente dans ledit site.
Avantageusement, mais facultativement, le système selon l'invention peut en outre comprendre au moins une des caractéristiques suivantes :
le dispositif de positionnement est un système de positionnement par satellite.
le détecteur est un détecteur au germanium, et le système de détection comprend en outre un système de refroidissement comprenant un réservoir d'azote liquide.
L'utilisation d'une méthode de déconvolution des mesures spectrométriques par la fonction de réponse du détecteur qui se calcule avec une méthode de détermination d'un profil d'activité radioactive en profondeur, permet de retrouver les contours d'une source de rayonnements et d'en déduire son activité.
DESCRIPTION DES FIGURES
D'autres caractéristiques, buts et avantages de la présente invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui va suivre, au regard des figures annexées, données à titre d'exemples non limitatifs et sur lesquelles :
La figure 1 , déjà décrite, représente un profil d'activité radioactive en profondeur après le dépôt d'une contamination radioactive en surface.
- La figure 2 représente schématiquement un système utilisé dans la mise en œuvre du procédé selon l'invention.
Les figures 3a et 3b représentent les principales étapes du procédé selon l'invention.
La figure 4illustre un spectre partiel d'émission de photons. La figure 5a représente la relation entre le rapport « Peak to Valley » et le coefficient de masse de relaxation dans le cas d'une source de photons à distribution exponentielle dans le sol et mesuré par un spectromètre semiconducteur au germanium,
- La figure 5b représente la relation entre le rapport « Peak to Valley » et la profondeur d'une source de photons ponctuelle dans le sol.
Les figures 6a, 6b et 6c représentent un exemple de mise en œuvre d'étape de déconvolution de données sur un site. DESCRIPTION DETAILLEE D'AU MOINS UN MODE DE MISE EN OEUVRE
Système de détection
Au cours du procédé selon l'invention, un opérateur déplace un système de détection dans un site où se trouve supposément au moins une source de photons.
En référence à la figure 1 , un tel système 1 de détection comprend un chariot mobile 10, sur lequel est monté un détecteur 1 1 de rayonnement. Le détecteur est adapté au type de rayonnement étudié ; par exemple, dans le cas de la localisation d'une source radioactive, le détecteur est avantageusement un détecteur au germanium car il présente une résolution très fine, de l'ordre de 0,25% à l'énergie photonique de 600 keV.
Dans le cas d'un détecteur au germanium, il est avantageux de munir également le système d'un système de refroidissement 14, par exemple un réservoir d'azote liquide, permettant un refroidissement du détecteur.
Ce détecteur n'est pas collimaté, de sorte qu'il peut détecter des photons provenant du sol avec une ouverture de détection de 180°, correspondant à un angle solide de 2π stéradians.
Le système comprend en outre une unité de calcul et de traitement 12, et une mémoire 13 connectée à ladite unité. Le détecteur est pourvu d'une interface 15 lui permettant de transmettre des données à l'unité de calcul et de traitement.
Le système peut en outre comprendre un dispositif de positionnement 16, par exemple un système de géopositionnement par satellite (GPS), connecté à l'unité de calcul et de traitement, pour associer aux données spectrométriques acquises en un point de mesure les coordonnées géographiques dudit point. Procédé d'étude d'une source de rayonnements
En référence aux figures 3a et 3b, on a représenté les principales étapes du procédé selon l'invention. Acquisition des données
Ce procédé comprend une partie d'acquisition 100 de mesures sur un site dans lequel peut se trouver une source S d'émission de photons.
Au cours de cette étape de mesure, un opérateur place un système 1 en un point de mesure du site, et procède à l'acquisition 100 de données spectrométriques explicitées ci-après, ainsi que des coordonnées géographiques des points de mesures.
Chaque mesure de données spectrométriques est enregistrée par la mémoire 13. Après chaque étape de mesure 100, l'opérateur déplace le système 1 pour atteindre un nouveau point de mesure et réitérer l'étape 100 d'acquisition des données.
De préférence, les points de mesures sont régulièrement répartis en surface du site.
Les étapes de mesure et de déplacement constituent une première partie du procédé réalisée en temps réel. Une fois les données spectrométriques acquises pour l'ensemble des points de mesure du site considéré, une phase postérieure de retraitement des données est mise en œuvre. Cette étape peut être mise en œuvre par un serveur distinct du système 1 ou alternativement par l'unité de traitement 12.
Remaillage des données
Cette phase de retraitement des données comprend de préférence une étape 300 de remaillage des points de mesure. Cette étape consiste à générer, à partir d'une carte du site, un réseau de points régulièrement répartis sur le site, et à attribuer à chacun des points du réseau des données spectrométriques déterminées à partir des données spectrométriques mesurées au niveau des points de mesure.
Cette étape est réalisée par interpolation des données relevées aux points de mesure, pour obtenir des données spectrométriques correspondant aux coordonnées géographiques des points du réseau. Détermination d'un profil de la source en profondeur
Puis, une étape 400 de détermination d'un profil de la source en profondeur est mise en œuvre. Cette étape dépend de la nature de la distribution de la source en profondeur ; ponctuelle ou exponentielle.
Dans le cas d'une source de rayons gamma à distribution exponentielle, cette étape requiert la détermination d'un coefficient de masse de relaxation β. Ce coefficient peut être déterminé de différentes manières, soit en déterminant un coefficient hypothétique à partir d'une hypothèse sur la constitution du sol, soit en le calculant à partir des données spectrométriques en chaque point.
On va maintenant décrire une méthode de calcul d'un coefficient de masse de relaxation d'une source de rayons gamma présentant une distribution en profondeur exponentielle.
Si cette étape est précédée d'une étape de remaillage, le calcul est réalisé sur les données spectrométriques des points du réseau. Alternativement, si l'étape n'est pas précédée d'un remaillage, le calcul est réalisé sur les données spectrométriques acquises en chaque point de mesure.
Dans tous les cas, le calcul du coefficient de masse de relaxation comprend le calcul d'un ratio, pour chaque point de mesure, entre le nombre de photons gamma direct détectés et le nombre de photons gamma ayant subi une diffusion Compton détectés.
A cet égard, les données spectrométriques de chaque point utilisé comprennent des taux de comptage de photons gamma, en coups par seconde, dans différentes bandes d'énergie.
En référence à la figure 4, on a représenté une partie du spectre d'émission de photon d'une espèce atomique. Ce spectre comprend un pic d'énergie, correspondant à des photons émis par une source radioactive, et parvenant sur le détecteur sans avoir subi de diffusion. Ils sont appelés « photons directs ». La zone d'énergie plus importante à droite du pic ne comprend qu'un bruit de fond au niveau de la mesure provenant de la radioactivité naturelle des rayonnements de plus hautes énergies (ce bruit de fond est considéré constant sur la plage en énergie étudiée). La zone d'énergie à gauche du pic comprend quant à elle des photons de moindre énergie, qui sont détectés après avoir subi une diffusion Compton et avoir perdu une partie de l'énergie à laquelle ils sont émis.
Cette zone comprend plus spécifiquement une zone A qui correspond au bruit de fond à droite du pic, une zone B qui est un bruit de fond additionnel produit par le fond Compton hétérogène des photons de plus haute énergie, et une zone C qui correspond aux photons ayant subi une diffusion Compton dans le sol à faible angle de diffusion, entraînant ainsi une faible perte d'énergie.
Les données spectrométriques acquises en chaque point de mesure comprennent un taux de comptage des photons dans une première bande d'énergie au niveau du pic d'énergie, ainsi que le taux de comptage des photons ayant subi une diffusion Compton, correspondant à une deuxième bande d'énergie.
La détermination de l'aire de la zone C est effectuée en soustrayant l'aire de la zone A du bruit de fond et de la zone B. Puis, grâce aux taux de comptage, on peut calculer le ratio entre l'aire nette du pic et l'aire de la zone C.
Pour plus de précisions sur le calcul mis en œuvre pour déterminer ce ratio, on peut se référer à la publication GERING F. et al. (1998), « In situ gamma spectrometry several years after déposition of radiocesium. II. Peak to valleay method ». Radia. EnvironBiophys 37 :283-291 .
Ce ratio, appelé « Peak to Valley », correspond au ratio entre le nombre de photons direct et le nombre de photons diffusés, et, comme visible en figure 5a, il est lié à la distribution en profondeur de la source.
On a représenté en figure 5a la relation entre un ratio « Peak to Valley » et la valeur du coefficient de masse de relaxation β dans le cas d'une distribution exponentielle d'une source de rayons gamma. Cette abaque a été réalisée à partir de simulations numériques et permet de retrouver, à partir d'un ratio Peak-to-Valley, la valeur du coefficient de masse de relaxation correspondant.
En référence à la figure 5b, le ratio Peak-to-Valley est également exploité dans le cas d'une source ponctuelle d'émission de photons, puisqu'il permet d'obtenir la profondeur de la source. La figure 5b représente la relation entre le ratio Peak to Valley et la profondeur d'une source ponctuelle. Cette abaque a également été réalisée par simulation numérique, et permet d'obtenir la profondeur d'une source avec précision à partir de la valeur du ratio Peak to Valley. Détermination de la fonction de réponse du détecteur
Le coefficient de masse de relaxation obtenu indique donc la distribution des radionucléides dans le sol, et permet d'en déduire la fonction de réponse du détecteur au cours d'une étape 500 de façon connue de l'homme de l'art.
Cette fonction de réponse s'écrit G = ^ = ^. ^ .— où
^ A N0 Φ A
Nf correspond au taux de comptage de photons dans la bande d'énergie considérée, en coups/s, et A est l'activité surfacique ou volumique de la source en Becquerel par mètre carré ou par kilogramme, ou plus généralement le taux d'émission surfacique ou volumique de photons en coups/s. m2 ou coups/s. kg.
Le terme j correspond à la distribution angulaire du flux de photons, qui dépend uniquement de la distribution des radionucléides dans le sol, cette distribution étant obtenue par le coefficient de masse de relaxation déterminé ci-avant.
- Le terme Ν0/Φ est la proportion de photons détectée par rapport au flux parvenant sur le détecteur dans une direction parallèle à l'axe du cristal de détection de celui-ci.
Le terme Nf/N0 traduit la variation du terme Νο/Φ en fonction de l'angle d'incidence du flux de photons par rapport à un flux incident axial.
L'activité en surface de la source est alors obtenue par les mesures du détecteur et par sa fonction de réponse, comme on va le voir dans la suite.
Déconvolution des données
De retour à la figure 3a, cette étape de détermination de la fonction de réponse du détecteur est suivie d'une étape 600 de déconvolution des données spectrométriques. Cette étape est réalisée soit sur les données acquises au niveau des points de mesure, soit sur les données obtenues aux points du réseau généré au cours de l'étape de remaillage.
Les données spectrométriques N, c'est-à-dire le taux de comptage de photons sur tout le spectre d'énergie capté par le détecteur, peuvent s'exprimer comme suit :
N = G®/ Où
/ est le signal (taux d'émission du sol) que l'on désire estimer ou restaurer, et
G est la fonction de réponse du spectromètre sur tout le spectre de détection, ou réponse impulsionnelle, également nommée fonction d'étalement du point (en anglais Point Spread Function ou PSF). Elle correspond à la fonction de passage entre l'activité dans le sol d'un pixel et le taux de comptage enregistré, et a été calculée au cours de l'étape précédente 500 à partir de la connaissance de la distribution des radionucléides dans le sol et de l'étalonnage du détecteur.
On constate donc que les données relevées par le détecteur ne sont pas représentatives de l'activité exacte du site, mais sont déformées par la fonction de réponse du détecteur.
Dans le contexte de l'invention, la fonction de réponse G du spectromètre représente le nombre de photons enregistré qui est engendré par un pixel de 1 m2, en fonction de sa distance à la perpendiculaire du détecteur.
Le taux de comptage de photons dans le spectre de détection peut donc s'écrire en terme matriciel à partir de l'écriture de la fonction de réponse du détecteur comme suit :
Nf N0 Φ
N(xi, yù = - - - )®A(.Xj, yj)
L'activité A(xj, yj) au pixel S(Xj ; Y,) produit un taux de comptage N au point S,
Pour procéder à l'étape de déconvolution et obtenir le signal réel f, c'est-à- dire l'activité A que l'on souhaite mesurer, on met en œuvre l'algorithme itératif de Richardson-Lucy.
Le taux de comptage en chaque pixel i de la carte remaillée peut être représenté comme une convolution de la fonction de réponse G du spectromètre et de la carte du taux d'émission de rayonnement du sol (ou activité A) noté :
Figure imgf000013_0001
Avec Ni : taux de comptage au pixel i, gij : fonction de réponse du détecteur, appliquée à l'activité du pixel j pour obtenir un taux de comptage mesuré au pixel i, et
Aj : activité du pixel j.
On utilise la méthode du « maximum de vraisemblance » des Aj qui donnent les N, mesurés connaissant g,,. On pose l'hypothèse que la statistique du taux d'émission du sol suit une distribution Poissonienne. Cela conduit à une équation qui peut être résolu de manière e :
Où t est l'indice de l'itération su dans le pixel j, et
Figure imgf000014_0001
Il est montré que si cette itération converge, elle converge vers la valeur de l'activité du pixel « j » provoquant la part du taux de comptage au pixel « i » correspondant réellement au pixel « j ».
Ainsi les données déconvoluées permettent d'obtenir directement l'activité de la source d'émission de photons en un pixel.
référence aux figures 6a à 6c, on a représenté un exemple de mise en œuvre de cette étape 600 de déconvolution. La figure 6a représente un site contaminé par une source radioactive au 137Cs et la campagne de mesure réalisée sur le site. On a représenté la source au centre du site, et le parcours du détecteur est illustré partiellement, au niveau du départ et de l'arrivée. Le déplacement du détecteur est réalisé avec un pas d'un mètre, qui est également la fréquence de l'acquisition des mesures, et la distance entre deux traversées selon l'axe X du site.
On a représenté en figure 6b les données recueillies par le détecteur. Le niveau de gris de chaque pixel représente le taux d'émission de photons mesuré sur celui-ci. Plus un pixel est foncé, et plus le taux d'émission de photons y est important.
On remarque que le taux de comptage mesuré par le détecteur est plus étalé que la source effectivement présente sur le site. L'étape de déconvolution est mise en œuvre sur ces données, pour obtenir l'activité représentée en figures 6c. On constate que les données déconvoluées correspondent mieux à la position et à la répartition exacte de la source. Caractérisation fine de la source
A l'issue de l'étape de déconvolution, on obtient donc les zones précises du site au niveau desquelles est présente la source, ainsi que l'activité de la source en ces points.
On met en œuvre ensuite une étape 700 de caractérisation fine de la source, qui comprend en premier lieu le calcul 710 du flux de photons émis en surface par la source, en fonction de son activité et de sa profondeur.
Le flux de photons calculé peut être comparé au flux de photons effectivement mesuré en surface sur le détecteur au cours d'une étape 720. Si on constate un écart, alors on peut réitérer (flèche 800) les étapes 400 à 600, en précisant le calcul ou l'estimation du coefficient de masse de relaxation et en précisant la surface sur laquelle s'étend la source déterminée par la déconvolution.
Ces étapes peuvent être itérées jusqu'à obtenir la convergence du flux mesuré et du flux calculé. Puis, on peut représenter au cours d'une étape 900 l'activité obtenue au terme de cette itération sur une carte du site, pour obtenir une cartographie exacte de la présence et de l'activité de la source.

Claims

REVENDICATIONS
1 . Procédé d'étude d'une source d'émission de photons en un site, le procédé comprenant les étapes consistant à :
- mesurer (100) en un point en surface dudit site, des données spectrométriques, et des coordonnées géographiques du point de mesure, et mémoriser lesdites données en association avec lesdites coordonnées, déplacer (200) le détecteur jusqu'à au moins un autre point du site et, en chaque point, réitérer l'étape de mesure et de mémorisation, et
- mettre en œuvre, à partir d'une fonction de réponse prédéterminée du détecteur, sur l'ensemble des données spectrométriques de surface mesurées, une étape de déconvolution (500), pour obtenir des informations spectrométriques de surface affinées,
les informations spectrométriques de surface affinées permettant la localisation géographique et l'évaluation du taux d'émission de photons de ladite source.
2. Procédé selon la revendication 1 , dans lequel les données spectrométriques sont un taux de comptage de photons dans une bande d'énergie déterminée caractéristique d'une espèce atomique de la source, et un taux de comptage de photons dans une seconde bande d'énergie, correspondant à des photons de ladite espèce atomique diffusés par diffusion Compton.
3. Procédé selon l'une des revendications 1 ou 2, comprenant en outre une étape de remaillage (300) des données spectrométriques mesurées, préalable à l'étape de déconvolution (500), au cours de laquelle on génère un réseau de points régulièrement répartis, et on détermine des données spectrométriques aux points du réseau en fonction des données spectrométriques acquises au niveau des points de mesure.
4. Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, dans lequel les rayonnements détectés sont des rayons gamma, et le procédé comprend en outre une étape (400) consistant à déterminer un coefficient de masse de relaxation de la source en le site à partir des informations spectrométriques en chaque point de mesure ou en chaque point du réseau.
5. Procédé selon la revendication 4, dans lequel l'étape de détermination (400) d'un coefficient de masse de relaxation comprend, en chaque point de mesure ou en chaque point du réseau, le calcul d'un rapport entre le taux de comptage des photons de la première bande d'énergie et le taux de comptage des photons de la seconde bande d'énergie.
6. Procédé selon la revendication 4 en combinaison avec la revendication 3, comprenant en outre les étapes consistant à :
- déduire du coefficient de masse de relaxation une distribution en profondeur dans le sol de ladite source, et
déterminer la fonction de réponse du détecteur en fonction de la distribution en profondeur de ladite source.
7. Procédé selon la revendication 6, dans lequel les informations spectrométriques de surface affinées comprennent l'activité de la source d'émission de photons en chaque point du site, ladite activité étant obtenue par déconvolution des données spectrométriques par la fonction de réponse du détecteur.
8. Procédé selon la revendication 7, comprenant en outre les étapes consistant à : calculer (710), à partir de la carte de l'activité, un flux de photons en surface du site,
comparer (720) ledit flux à au moins un flux mesuré en surface du site, et itérer les étapes de calcul (400) d'un coefficient de masse de relaxation et de déconvolution (500), pour obtenir une convergence entre le flux calculé et le flux mesuré.
9. Procédé selon la revendication 8, comprenant en outre une étape consistant à réaliser une cartographie (900) de l'activité de la source d'émission de photons sur le site.
10. Système (1 ) de détection d'activité radioactive adapté pour la mise en œuvre du procédé selon l'une des revendications précédentes, le système comprenant :
un chariot mobile (10), adapté pour être déplacé dans un site, un détecteur de rayonnement (1 1 ), monté sur ledit chariot, adapté pour mesurer en une pluralité de points de mesure des données spectrométriques,
une unité de calcul et de traitement (12), et
- une mémoire (13) en communication avec l'unité de calcul et de traitement, le système étant caractérisé en ce que l'unité de traitement est adaptée pour :
charger des données de chaque point de mesure stockées dans la mémoire, à partir d'une fonction de réponse prédéterminée du détecteur, mettre en œuvre sur l'ensemble desdites données une étape de déconvolution, pour obtenir des informations spectrométriques de surface affinées, et
générer une cartographie d'une source d'émission de photons à l'origine des données spectrométriques présente dans ledit site.
1 1 . Système de détection selon la revendication 10, dans lequel le dispositif de positionnement (13) est un système de positionnement par satellite (GPS).
12. Système de détection selon l'une des revendications 10 ou 1 1 , dans lequel le détecteur est un détecteur au germanium, et le système de détection comprend en outre un système de refroidissement (14) comprenant un réservoir d'azote liquide.
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