Caractéristique de la charge électrique d’un aérosol radioactif naturel

Characteristic of the electric charge of a natural radioactive aerosol

• Auteur / Autrice : Roger Abou-Khalil
• Direction : Abdelmjid Nourreddine
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique et Instrumentation Nucléaire
• Date : Soutenance en 2008
• Etablissement(s) : Strasbourg 1

Mots clés

Mots clés contrôlés

Charge et distribution électriques

Radon -- Isotopes

Physique nucléaire -- Instruments

Résumé

Les caractéristiques physiques d'un aérosol déterminent son évolution dans l'atmosphère, et son captage sur les surfaces et sur les systèmes d'échantillonnage. Ainsi, les particules se trouvent différemment soumises, selon leur taille, à la pesanteur, à l'inertie et à la diffusion. Mais, lorsque les particules sont électriquement chargées, la force électrostatique peut être déterminante et influencer fortement leur comportement. Par exemple, en 1998, B. S. Cohen et ses collaborateurs ont montré l'effet prépondérant de la charge sur le dépôt des particules dans l'appareil respiratoire : des particules de 20 à 125 nm portant une charge se déposent de cinq à six fois plus que des particules neutres de même taille. Les descendants à vie courte du radon contribuent très fortement à la dose moyenne annuelle incorporée par un individu. Pour améliorer ce calcul de dose, il convient de bien maîtriser les caractéristiques physiques qui influencent le comportement d'un aérosol dans l'appareil respiratoire. Dans le cas des aérosols de taille nanométrique, c'est bien souvent la force électrostatique qui prédomine. Le but de notre thèse était donc de faire progresser les connaissances sur le processus de charge électrique d'un aérosol radioactif naturel — et notamment de la fraction libre et attachée des descendants du radon. Expérimentations et modélisation ont été conduites conjointement au cours de notre étude. Dans le cadre d’une collaboration avec l’Institut de Physique Nucléaire (IPN) d’Orsay, une expérience avait pour but de mesurer la distribution de charge des ions 218Po de recul à l’aide du détecteur TOF (Time of Flight) d’un spectromètre de masse. Des sources de 226Ra d’une centaine de becquerels ont été préparées au Groupe de Radioprotection et Mesures Environnementales (RaMsEs) de l’Institut de Recherches Subatomiques de Strasbourg et au Laboratoire des Etalons et des Intercomparaisons (LEI) de l’IRSN/DEI. Deux séries de mesures ont été effectuées : la première, qui a produit une grande quantité de particules neutres avec un faible pourcentage de mono-chargées positives, a mis en évidence l’effet de la matrice de la source sur la neutralisation du 218Po. La deuxième série de mesures, effectuées avec des sources de plus grande pureté, a conduit à une distribution des descendants majoritairement neutres (74 %), avec une présence très significative de particules mono-chargées (20 %) et une petite fraction de multi-chargées (maximum +10, et moyenne +5). Ces expériences de temps de vol ont permis de mesurer pour la première fois la distribution de la charge électrique du 218Po dans le vide. De plus, nous avons constaté l’influence des quelques nanomètres d’épaisseur de matière solide traversée sur l’état de la charge, et en particulier sur la neutralisation du 218Po dès sa formation. Ces résultats sont importants, car directement applicables à la compréhension du processus de charge de la fraction attachée des descendants du radon. Une autre série d'expériences concernait la mesure de la charge totale de la fraction libre des descendants du radon à l’aide d’un tube dit "de Zeleny", en fonction de l’activité volumique de radon et du temps de résidence dans le tube. Ces expériences permettent de mesurer la fraction pénétrante du 218Po dans un tube cylindrique muni d'une électrode à son extrémité. La détermination du rapport des fractions pénétrantes, avec application ou non d’un champ électrique entre l’électrode centrale et les parois du tube, permet d’obtenir la valeur de la fraction neutre. Ces mesures ont été couplées à des simulations à l'aide du code de calcul CASTEM 2000 que nous avons validé sur le domaine de variation des paramètres expérimentaux. On décrit pour cela une équation de convection-diffusion pour la fraction chargée des descendants du radon, à laquelle on ajoute des termes sources dus à la production de 218Po par désintégration du radon, et des termes puits dus à la désintégration du 218Po, mais dus également à la neutralisation de cet aérosol chargé. Ces équations ont été validées par étapes sur différentes configurations, montrant un bon niveau de représentativité de la modélisation retenue. La comparaison des fractions pénétrantes expérimentales et numériques permet de calculer le taux de neutralisation pour des conditions expérimentales allant jusqu’à des activités volumiques de radon de 1,6 MBq/m3, activités volumiques plus importantes que celles des expériences décrites dans la littérature. Nos résultats montrent, en premier lieu, la croissance linéaire du taux de neutralisation en fonction de la racine carrée de l’activité volumique de radon pour des temps de résidence constants. De plus, nous avons constaté l’influence du temps de résidence sur le taux de neutralisation, ce qui n’avait jamais été rapporté par ailleurs. Afin de comparer nos résultats à ceux de la littérature, on a utilisé, en plus du code CASTEM 2000, un code de type Monte Carlo (MCNPX) permettant de tenir compte de la géométrie du dispositif expérimental. En effet, le taux de neutralisation est souvent donné en fonction de l’activité volumique en radon mais, pour une même activité, le nombre d’ions créés par l’ionisation alpha peut être différent suivant les dimensions du dispositif expérimental. C'est ainsi que nous avons pu comparer nos résultats expérimentaux à ceux publiés par d'autres auteurs. [source : site http://net-science. Irsn. Org]