Dans le domaine de la dosimétrie des rayonnements photoniques d’énergie inférieure à 300 keV, la connaissance de la distribution énergétique des photons émis par les sources constitue un paramètre qu'il est important de connaître. En effet, dans le cadre de la chaîne métrologique existant entre les Laboratoires Nationaux, les Laboratoires d'Étalonnage Accrédités et les utilisateurs, il est indispensable de s'assurer que les faisceaux utilisés par chaque laboratoire sont rigoureusement similaires.

Objectifs

Métrologie primaire : Amélioration des facteurs de correction affectés aux mesures réalisées avec les chambres à parois d’air du LNE-LNHB utilisées sur les rayonnements pulsés d’imagerie médicale, étude de l’incertitude associée à chaque spectre corrigé et étude de son impact sur les facteurs de correction et les coefficients de conversion.

Normatif : Détermination des coefficients de conversion du kerma dans l’air vers les grandeurs opérationnelles utilisées en radioprotection.

Transfert aux utilisateurs : Développement de faisceaux adaptés à l’étalonnage d’appareils utilisés en radiothérapie de basse et moyenne énergie et en radiologie interventionnelle.

Contexte et résultats

Dans le cas d’un champ de rayonnement à énergie continue (spectre de tube à rayons X), la méthode classiquement utilisée pour caractériser le faisceau correspond à la détermination expérimentale de la valeur de la couche de demi-atténuation (CDA) au moyen de différents jeux de filtres additionnels. Malheureusement, cet indicateur associé à la haute tension du générateur est limité en matière de précision. Il n’est pas suffisant pour définir de manière univoque toutes les caractéristiques du faisceau. En effet, à une valeur de CDA et/ou d’énergie moyenne mesurée peuvent correspondre plusieurs faisceaux. De ce fait et pour lever toute ambiguïté, il s’est avéré important de pouvoir disposer d’une technique complémentaire, robuste et précise pour caractériser ces faisceaux.

C’est ainsi que le LNE-LNHB s’est orienté depuis 2010 vers la caractérisation de ses faisceaux à l’aide de bancs de mesure utilisant des détecteurs à semi-conducteur directement placés dans l’axe des faisceaux. Ce choix technique nécessite, d'une part, une bonne maîtrise de la mise en oeuvre des moyens de détection afin de limiter les perturbations issues des flux de photons importants à mesurer, et d'autre part, une grande expertise dans l’exploitation des spectres. Pour mener à bien ce type de mesure, des détecteurs étalonnés en énergie, en rendement de détection, en réponse spectrale, et présentant un bon comportement à forts taux de comptage sont nécessaires. Des méthodes complexes de traitement doivent être utilisées afin de corriger tous les phénomènes de diffusion et de déformation des spectres liés aux processus d’interaction des photons dans et au voisinage du détecteur. En pratique, il s’agit pour ces méthodes de déduire du spectre mesuré le spectre véritablement émis par la source de rayonnement.

A l’issue de ce travail de recherche et développement, le LNE-LNHB a mis en oeuvre tous les outils nécessaires à la mesure des spectres d’émission photonique de ses faisceaux de référence de rayonnements X. L’intégralité de la gamme d’énergie comprise entre 10 keV et 300 keV a été couverte et l’ensemble des faisceaux de référence du LNE-LNHB a été mesuré à l’aide d’un détecteur à semi-conducteur du type CdTe. Des algorithmes de correction des spectres mesurés ont été développés. Ils ont permis de corriger les zones déformées des spectres dues aux différents processus de détection et d’aboutir aux spectres réellement émis par les tubes à rayons X.

Ce procédé de mesure spectrométrique permet, in fine, de vérifier les émissions de rayonnement X des générateurs de rayonnement en offrant la possibilité de vérifier la haute tension (kVp), les raies X de fluorescence (anode ou autres composants), le domaine d’émission (seuil bas en énergie).

Les mesures des spectres ont permis de calculer les nouveaux termes correctifs appliqués aux mesures de courant réalisées avec les chambres à parois d’air. Cela a permis d’améliorer les références du LNE-LNHB en termes de débit de kerma dans l’air pour les faisceaux à émission continue ou en kerma dans l’air pour les faisceaux utilisés en imagerie médicale. Cette amélioration est particulièrement sensible pour la gamme des basses énergies (E < 50 keV) pour laquelle la forme du spectre dépend beaucoup des éléments absorbant le rayonnement dans le tube lui-même (évaporation de tungstène, vieillissement de l’anode, filtration interne).

La connaissance des spectres d’émission X a permis de calculer les coefficients de conversion du kerma dans l’air vers les grandeurs opérationnelles utilisées en radioprotection et adaptés aux faisceaux du laboratoire correspondant à la série N décrite dans la norme ISO4037-1. Un logiciel de calcul spécifique a été développé. Il permet de calculer ces coefficients à partir de n’importe quel spectre mesuré. Une étude spécifique sur les sources d’incertitude sur ces coefficients a été réalisée. Elle a permis d’abaisser les incertitudes, jusqu’à un facteur 20 pour certaine grandeur, ce qui est à comparer à l’incertitude forfaitaire de 2 % fournie dans la norme ISO4037-3.

Enfin, la compétence du LNE-LNHB à pouvoir mesurer les spectres émis par un tube à rayons X permet dorénavant de reproduire les faisceaux émis par un appareil dont les caractéristiques sont peu ou mal connues. C’est souvent le cas pour les appareils utilisés dans le domaine de l’imagerie médicale ou en radiothérapie de basse énergie. Ainsi le LNE-LNHB a déjà reproduit des faisceaux utilisés en cardiologie interventionnelle (projet Européen VERIDIC) où en radiothérapie de basse énergie (projet Européen PRISM-eBT). Ces nouveaux faisceaux non normalisés correspondent aux faisceaux réellement générés par les machines. De ce fait, les étalonnages réalisés à l’aide de ces faisceaux sont plus adaptés aux conditions réelles d’irradiation.

Dans cette optique et à très court terme, le LNE-LNHB se propose de reproduire les faisceaux utilisés sur les appareils de mammographie numérique afin d’améliorer la mesure de la dose délivrée aux patientes lors de ce type d’examen. Une collaboration avec l’hôpital George Pompidou est actuellement en cours de développement.

Impacts scientifiques et industriels

Le développement de la mesure des spectres d’émission des rayonnements X utilisés en dosimétrie, basée sur l’utilisation de détecteurs à semi-conducteur, correspond à une avancée significative dans la connaissance des faisceaux X de référence du LNE-LNHB. Les spectres ainsi mesurés et corrigés par les algorithmes développés par le laboratoire permettent une meilleure connaissance des spectres réellement émis par les installations du LNE-LNHB comparativement à ceux obtenus à l’aide de calculs déterministes ou de simulations Monte-Carlo, tel que pratiqué jusqu’à présent. Ce faisant, le LNE-LNHB anticipe l'évolution de la série de normes ISO 4037 (parues en 2019) qui introduit une caractérisation spectrométrique des champs de rayonnement à la place des indicateurs classiques (HV, CDA).

Les calculs des termes correctifs, affectés à chacune des chambres à parois d’air utilisées et permettant de définir le kerma dans l’air pour chacun des faisceaux, ne sont plus basés sur des spectres théoriques. Ils utilisent dorénavant les spectres réellement émis par les installations du LNE-LNHB, s’affranchissant ainsi de la méconnaissance du vieillissement des appareils ou de leur structure interne. Cela améliore la justesse des valeurs de référence et donc des étalonnages délivrés.

Il en va de même pour la détermination des coefficients de conversion du kerma dans l’air vers les grandeurs opérationnelles utilisées en radioprotection. L’utilisation des spectres réellement émis permet une détermination plus juste de ces coefficients ainsi qu’une précision accrue (inférieure à 1 % sur une large plage d’énergie supérieur à 30 keV). C’est l’un des axes d’amélioration qui a été réalisé dans le cadre de ce programme d’étude (les coefficients actuels sont fournis dans la norme ISO4037-3 avec une incertitude forfaitaire de 2 % à k=1).

Le développement du banc de spectrométrie portatif a conduit le LNE-LNHB à réaliser plusieurs mesures de spectres d’appareils de rayons X d’utilisateurs extérieurs au laboratoire dans différents domaines. Cela a permis, entre autre, de reproduire ces spectres au laboratoire et de proposer des faisceaux d’étalonnage adaptés aux besoins de recherche ou d’étalonnage des utilisateurs notamment pour le milieu médical.

Publications et communications

Norme ISO 4037-1 :1996 « Rayonnements X et gamma de référence pour l’étalonnage des dosimètres et des débitmètres et pour la détermination de leur réponse en fonction de l’énergie des photons – Partie 1 : Caractéristiques des rayonnements et méthodes de production »

Norme NF EN 61267 « Équipement de diagnostic médical à rayonnement X. Conditions de rayonnement pour l’utilisation dans la détermination des caractéristiques »

J. Plagnard, « Mesure de spectres en énergie de l’émission de tubes à rayons X au LNE-LNHB/LMD », Revue française de métrologie, volume 2016-3 n°43, p37-47,2016

M.J. Berger, J.H. Hubbell, XCOM “Photon Cross Sections on a personal Computer”, NBSIR 87-3597, 1987

ICRU 57 “Conversion coefficients for use in radiological protection against external radiation“, 2007

Partenaires

Société Fibermétrix (radiologie interventionnelle) 

Partenaires du projet européen «Primary standards and traceable measurement methods for X-ray emitting electronic brachytherapy and IORT devices» : CMI (République Tchèque), ENEA (Italie), NPL (Royaume-Uni), PTB (Allemagne), VSL (Pays-Bas)

Centres hospitaliers

Des appareils de radiothérapie externe couplant un accélérateur à une imagerie par résonance magnétique sont en cours d’installation en France (ViewRay MRIdian linac et Elekta MR-linac). L’imagerie par résonance magnétique permet de supprimer le supplément de dose dû à l’imageur X, de visualiser et de prendre en compte l’évolution de la tumeur entre chaque séance (taille, déplacement) ainsi que ses mouvements en cours de séance pour faire de la radiothérapie adaptative. L’influence du champ magnétique sur la dose délivrée lors du traitement et sur l’instrumentation dosimétrique utilisée doit être étudiée.

Objectifs

Disposer d’un dosimètre primaire utilisable dans un champ magnétique et donc adapté à la caractérisation des faisceaux des appareils de radiothérapie couplés à une imagerie IRM.

Mettre au point une référence primaire basée sur un calorimètre graphite de petite section utilisable dans un champ magnétique.

Tester des dosimètres alanine et des gels dosimétriques en présence d’un champ magnétique.

Résumé et premiers résultats

Des appareils de radiothérapie externe couplant un accélérateur à une imagerie par résonance magnétique sont en cours d’installation en France. L’imagerie par résonance magnétique permet de supprimer le supplément de dose dû à l’imageur X, de visualiser et de prendre en compte l’évolution de la tumeur entre chaque séance (taille, déplacement) ainsi que ses mouvements en cours de séance pour faire de la radiothérapie adaptative.    

L’influence du champ magnétique sur la dose délivrée lors du traitement et sur l’instrumentation dosimétrique utilisée doit être étudiée. Un premier projet européen (MRgRT) sur le sujet a été mené sur la période 2016-2019 (https://mrgrtmetrology.com). Il apparait que les dosimètres alanine semblent être le meilleur type de dosimètres secondaires car plutôt insensibles au champ magnétique.

Lors de ce projet, les mesures de mise en service du nouvel équipement de l’institut Paoli-Calmette (Marseille) seront complétées tout en permettant au LNE-LNHB de tester ses dosimètres alanine dans un champ magnétique. Une validation croisée des gels dosimétriques utilisés au LNE-LNHB et d’un appareil de dosimétrie 3D disponible sur le marché est également prévue.

De plus, un calorimètre graphite de petite section utilisable dans un champ magnétique sera étudié et construit afin de pouvoir fournir une référence primaire.

Impacts scientifiques et industriels

Si les tests sont concluants, le LNE-LNHB pourra proposer une référence primaire (calorimétrie graphite) et des dosimètres de transfert (alanine et/ou gel dosimétrique) pour les instituts s’équipant de nouveaux systèmes de radiothérapie externe guidée par IRM.

Publications et communications

Site du projet MRgRT : https://mrgrtmetrology.com

V.N. Malkov,  D.W.O. Rogers, Charged particle transport in magnetic fields in EGSnrc Med. Phys. 43 (7) July 2016 4447-57.

V.N. Malkov,  D.W.O. Rogers, Sensitive volume effects on Monte-Carlo calculated ion chamber response in magnetic fields Med. Phys. 44 (9), September 2017 4854-8

S. Pojtinger, O. S. Dohm, R.P. Kapsch, D. Thorwarth, Ionization chamber correction factors for MR-linacs Phys. Med. Biol. 63 (2018) 11NT03

S.J. Woodings, J.W.H. Wolthaus, B. van Asselen, J.H.W. de Vries, J.G.M. Kok, J.J.W. Lagendijk, B.W. Raaymakers, Performance of a PTW 60019 microDiamond detector in a 1.5 T MRI-linac Phys. Med. Biol. 63 (2018) 05NT04

Partenaires

Institut Paoli-Calmette (Marseille)

Les protocoles de traitement par radiothérapie évoluent, d’une part, vers des tailles de champs d’irradiation de plus en plus petites pour se conformer au mieux au volume de la tumeur tout en sauvegardant les tissus sains environnants et, d’autre part, vers l’hypo-fractionnement, c’est-à-dire l’administration d’une dose de rayonnements plus importante délivrée en un nombre de fractions réduit (le débit de dose pouvant atteindre 12 Gy/min). Ces modalités de traitement réalisées avec de nouvelles machines sont rassemblées sous l’appellation de radiothérapie stéréotaxique. Ces nouvelles techniques de traitement nécessitent la mise en place de nouvelles références métrologiques. Le LNE-LNHB a proposé de remplacer la dose absorbée en un point (qui est la référence utilisée aujourd’hui dans les protocoles internationaux) par le produit dose-surface, qui est une alternative plus adaptée aux conditions stéréotaxiques qui impliquent des faisceaux de petite taille.

Objectifs

Mise au point d’un protocole de mesure des caractéristiques dosimétriques « vraies » des faisceaux de photons des accélérateurs médicaux incluant les conditions stéréotaxiques;

Promotion, pour les champs de petites tailles, de l'utilisation du produit dose-surface afin d'améliorer la précision dosimétrique des traitements tout en respectant les procédures existantes adaptées aux machines commercialement disponibles.

Mise sur le marché d’une nouvelle classe de détecteurs pour la mesure du produit dose-surface.

Contexte et Résultats

Contexte

Les protocoles de traitement par radiothérapie stéréotaxique présentent des débits de dose particulièrement importants et des tailles des champs d'irradiation particulièrement petites afin de se conformer au mieux au volume de la tumeur tout en sauvegardant au mieux les tissus sains environnants. L’utilisation de ces nouvelles techniques d'irradiation conduit à s'éloigner significativement des conditions d'étalonnage des dosimètres proposées dans les protocoles internationaux ou à introduire des corrections importantes en termes d’incertitudes. Dans ces conditions, de bonnes mesures avec un dosimètre conventionnel (positionnement délicat) ainsi que la bonne relation entre ce qui est mesuré par le dosimètre et la dose dans l’eau en un point (variation du coefficient d’étalonnage), deviennent difficiles à obtenir.

Le Produit dose-surface

La recherche d’une mesure de dose en un point pour des faisceaux inférieurs à 2 cm de côté devient discutable au vu de la forme des profils de dose. Contrairement aux champs plus larges qui présentent une zone centrale relativement homogène, les profils en petits faisceaux ont une forme très pentue avec des gradients de dose importants. Dès lors peut se poser la question de la définition de la dose « en un point » en petits champs, où la dimension du détecteur utilisé est critique et va conditionner cette définition. L’approche proposée par le LNE-LNHB consiste à utiliser des dosimètres plus grands que la section du faisceau. Cette vision nécessite l’introduction d’une autre grandeur dosimétrique : le Produit Dose-Surface (« Dose Area Product » ou DAP en anglais), s’exprimant en Gy.cm². La surface d’intérêt du DAP est la surface sensible du dosimètre (disque de 30 mm de diamètre). Cette approche est illustrée sur la figure suivante avec des champs d’irradiation de 5 mm et 15 mm de côté.

Illustration PDS
A gauche, approche DAP, en opposition à l’approche classique de dose en un point, à droite.

 Résultats et perspectives

L’enjeu de ce projet était de progresser en direction de l'utilisation en clinique du produit dose-surface en mettant au point une procédure de transfert de cette référence reposant sur la conversion du produit dose-surface en dose en un point.


Pour cela, trois chambres d’ionisation plates de même surface sensible que le calorimètre graphite de grande section du LNE-LNHB ont été construites, et leur coefficient d’étalonnage en terme de produit dose-surface a été établi, à partir de mesures calorimétriques dans le faisceau de photons de 6 MV FFF de l’accélérateur TrueBeam de la plateforme Doseo pour un ensemble de petits champs circulaires et carrés, avec une incertitude-type inférieure à 0.7 %. Les trois chambres présentent le même comportement, leur coefficient d’étalonnage est indépendant de la forme et augmente légèrement avec la taille de champ de façon linéaire, de l’ordre de 1.7 % en moyenne.
 

La conversion du produit dose-surface en dose en un point repose sur la détermination du facteur de correction de profil kprof. Ce facteur peut être calculé à partir de mesures de profils à une dimension ou à partir d’une cartographie à deux dimensions de la distribution de dose absorbée du faisceau. Dans le premier cas, un ensemble de détecteurs couramment utilisés pour la mesure de profils en petits champs (microdiamant et diodes) a été utilisé. Pour le second cas, le LNE-LNHB a développé un nouveau système de lecture des films radiochromiques avec des performances largement supérieures à celles des scanners photographiques utilisés habituellement.


La comparaison des FOC obtenus selon les différentes approches a montré une grande disparité entre l’approche classique et l’approche de dose absorbée en un point déduite du DAP. Les deux approches sont incompatibles, même en tenant compte des incertitudes connues. Cette incompatibilité est essentiellement expliquée par la très grande sensibilité de la correction de profil kprof à la qualité de mesure des profils, aussi bien à une qu’à deux dimensions. Ainsi, l’ensemble des détecteurs ponctuels utilisés pour déterminer ce facteur de correction renvoit une mesure de profils différente, et ce d’autant plus que le champ est très petit, sans qu’il soit possible d’établir la justesse d’un détecteur plutôt qu’un autre. En considérant l’absence de détecteur ponctuel adapté, la variabilité intra/inter-détecteurs et l’approximation résultante de l’information partielle obtenue avec les profils, il semble inadéquat d’utiliser les mesures à une dimension pour le calcul de la correction de profil. Les films radiochromiques, associés au nouveau système de lecture mis au point au cours de ce projet, se présentent comme le dosimètre idéal avec la mesure directe d’une cartographie à deux dimensions permettant de calculer de façon explicite la correction de profil. Néanmoins, la contribution additionnelle du rayonnement diffusé hors de l’axe du faisceau et le comportement mal connu du film aux très faibles doses, largement mises en jeu ici, ont montré les limites d’utilisation de ce dosimètre pour cette application.


Afin de profiter pleinement des références primaires établies en terme de produit dose-surface, la solution est de pouvoir directement intégrer et exploiter cette grandeur dans les TPS pour les FOC. L’incertitude en serait considérablement réduite par rapport à l’approche classique, en supprimant d’une part l’incertitude liée au centrage du détecteur, et en s’affranchissant d’autre part de l’utilisation de facteurs de correction dont la mise en oeuvre est discutable et les incertitudes associées sujettes à caution.

Impacts scientifiques et industriels

Ce projet vise à faire évoluer la chaîne de traçabilité métrologique pour les doses administrées aux patients en radiothérapie externe. 

Publications et communications

IAEA 2000 Absorbed dose determination in external beam radiotherapy IAEA Technical Report Series No. 398 (Vienna: AIEA).

IAEA 2017 Dosimetry of small static fields used in external beam radiotherapy: an IAEA-AAPM International Code of Practice for reference and relative dose determination IAEA Technical Report Series No. 483 (Vienna: IAEA).

Thèse de doctorat en physique par Stéphane Dufreneix « Établissement de références dosimétriques dans les faisceaux de rayons X de hautes énergies et de très petites sections (< 1 cm2) pour la radiothérapie » Université Paris sud (2014).

S. Dufreneix, A. Ostrowsky, B. Rapp, J. Daures, J.M. Bordy 2016 “Accuracy of a dose-area product compared to an absorbed dose to water at a point in a 2 cm diameter field” Med. Phys. 43 4085.

S. Dufreneix, A. Ostrowsky, M. Le Roy, L. Sommier, J. Gouriou, F. Delaunay, B. Rapp, J. Daures, J.M. Bordy 2016 “Using a dose-area product for absolute measurements in small fields: a feasability study”, Phys. Med. Biol. 61 650.

M. Pimpinella, C. Caporalia, A.S. Guerra, L. Silvi, V. De Coste, A. Petrucci, F. Delaunay, S. Dufreneix, J. Gouriou, A. Ostrowsky, B. Rapp, J.M. Bordy, J. Daures, M. Le Roy, L. Sommier, D. Vermesse, 2018 “Feasability of using a dose-area product ratio as a beam quality specifier for photon beams with small field sizes” Physica Medica 45 106.

Jurczak J, Rapp B, Dufreneix S, Gouriou J, Delaunay F, Bordy J-M. 84 Towards a new dosimetry reference quantity for stereotactic radiotherapy: The dose area product. Phys Medica Eur J Med Phys 2019;68:51.

Jurczak J, Rapp B, Delaunay F, Gouriou J, Dufreneix S, Bordy J-M. Dose Area Product primary standards established by grahite calorimetry at the LNE-LNHB for small radiation fields in radiotherapy. Physica Medica. Acceptée.

Jurczak J, Produit dose-surface pour la radiothérapie : application aux protocoles de traitements stéréotaxiques, Thèse de doctorat de l'université Paris-Saclay (2022).

Partenaires

Le CEA a soutenu ce projet au travers du financement d’une thèse (2019-2021) labélisée "sujet phare" par le Haut-Commissaire.

Collaboration avec l’Institut de Cancérologie de l'Ouest à Angers pour le test et la mise au point du protocole de conversion entre la dose absorbée en un point et le produit dose-surface.

L’étude de la variation de la réponse d’instrument de détection de neutrons en fonction de l’énergie est expérimentalement déterminée dans des champs neutroniques mono-énergétiques. Ces champs sont produits avec un faisceau de particules accélérées envoyées sur une cible neutrogène. La caractérisation de ces champs nécessite l’utilisation de détecteurs permettant de mesurer l’énergie des neutrons et leur fluence au point d’étalonnage. Les champs de neutrons mono-énergétiques générés au laboratoire LMDN de l'IRSN par l'accélérateur de particules AMANDE ont une énergie comprise entre 2 keV et 20 MeV avec un faisceau continu ou pulsé. Cette dernière caractéristique permet de mettre en œuvre la méthode du temps de vol comme étalon primaire pour déterminer l'énergie des champs de neutrons mono-énergétiques qui y sont générés. Cette méthode permet également de déterminer la distribution en énergie de la fluence neutronique dans ces champs.

Objectifs

Finalisation de la mise en place de la méthode du temps de vol pour les champs neutroniques supérieurs à 1 MeV avec le détecteur le mieux adapté (scintillateur liquide BC501A ou « Stilbène »)

Mise en place de la technique du temps de vol en-deçà du 1 MeV, avec détermination du détecteur le mieux adapté, définition de son système d'acquisition, caractérisation de sa réponse en fonction de l'énergie et du seuil de discrimination et étude expérimentale de ses performances en temps de vol

Mise en œuvre finale du ou des détecteurs couplés avec son/ses système(s) d’acquisition les plus adaptés (électronique analogique ou numérique) pour l’établissement  des références en énergie et de la distribution en énergie de la fluence d’AMANDE

Résumé et premiers résultats

L’installation AMANDE du LNE-IRSN produit des champs de neutrons mono-énergétiques entre 2 keV et 20 MeV. La méthode de temps de vol a été choisie pour déterminer l’énergie de ces champs neutroniques de manière directe et absolue. Cette méthode consiste à mesurer le temps mis par les neutrons pour parcourir la distance entre la cible (leur lieu de création) et le détecteur et ne dépend ainsi essentiellement que de deux grandeurs :

  • Le temps écoulé entre la création des neutrons produits dans la cible et leur détection dans le détecteur ;
  • La distance entre la cible et ce détecteur.

La première grandeur est déterminable en utilisant le faisceau pulsé d’AMANDE où tous les neutrons sont générés en même temps dans la cible. Les grandeurs de temps, de distance et de masse sont traçables sur les étalons nationaux, ce qui permet d'obtenir une mesure primaire de l'énergie. L’incertitude attendue sur cette mesure est de l'ordre du pourcent. Cette méthode est réalisable à ce jour pour des énergies supérieures à 1 MeV avec un scintillateur liquide BC501A. Quelques études sont encore à finaliser pour obtenir non seulement l’énergie moyenne mais également la distribution en énergie des neutrons. L’utilisation d'un autre type de scintillateur (Stilbène) en lieu et place du BC501A et/ou d’un second détecteur est cependant nécessaire pour étendre le domaine d’application de la méthode du temps de vol en-deçà de 1 MeV.

La méthode du temps de vol permettra ainsi de raccorder tout type de spectromètre neutron sur les références en énergie. Cette méthode sera incluse à terme dans le dossier d’accréditation par le COFRAC de l’installation AMANDE.

Le projet de recherche consiste donc à :

  • déterminer quel(s) détecteur(s) est le mieux adapté en fonction de ses performances de discrimination entre les neutrons et les photons, de sa plage de sensibilité, de sa réponse en énergie, de sa réponse en temps et de ses autres caractéristiques intrinsèques ;
  • définir si un ou plusieurs détecteurs sont nécessaires pour couvrir, avec la méthode du temps de vol, l’ensemble de la gamme en énergie d’AMANDE ;
  • définir le système d'acquisition et de traitement des données le plus adéquat, en mutualisant et en homogénéisant autant que possible avec les systèmes existant ;
  • caractériser la réponse de (ou des) instrument(s) retenu(s) en fonction de l'énergie et du seuil de discrimination, par un étalonnage en fluence traçable sur les références du LNE-IRSN ;
  • étudier expérimentalement les performances de la méthode du temps de vol, notamment en termes d'incertitude sur l'énergie du pic mono-énergétique, et comparer les valeurs obtenues aux valeurs théoriques obtenues par la cinématique des réactions nucléaires,
  • publier dans la revue Metrologia a minima sur l'étalon de référence en énergie, par la méthode du temps de vol, en dessous de 1 MeV.

 

Impacts scientifiques et industriels

Directement traçable sur les références nationales en temps, en longueur et en masse, la méthode du temps de vol pourra être considérée comme métrologiquement "primaire" pour l’énergie des neutrons avec une incertitude de l'ordre de 1 % sur l'énergie moyenne. Cette nouvelle référence primaire profitera à l’ensemble des industriels ayant besoin de réaliser des mesures d’énergies de neutrons (industrie nucléaire, radioprotection…).

Publications et communications

Cognet M-A and Gressier V., 2010, Development of a measurement reference standard for neutron energies between 1 MeV and 20 MeV using time of flight method at the AMANDE facility Metrologia 47 377–86.

Partenaires

Le CEA est un partenaire scientifique par le biais d’une thèse commune sur le scintillateur Stilbène.

Le LNE-IRSN réalise des étalonnages d’appareils de mesure selon les recommandations des normes ISO 8529. Les champs de neutrons thermiques, c’est-à-dire dont l’énergie des neutrons est inférieure à 0,025 eV, comptent parmi ceux recommandés pour l’étalonnage des appareils de radioprotection. Depuis Mars 2015, la norme 21909, spécifique aux systèmes de dosimétrie neutron passifs, est en application. Cette norme préconise de réaliser, entre autres, des irradiations en champ thermique pour caractériser les propriétés intrinsèques des systèmes dosimétriques. L’édition de cette norme devrait accroître la demande en matière d’étalonnage en champ thermique. C’est dans ce contexte que le LNE-IRSN a décidé de mettre en place un nouveau champ de référence de neutrons thermiques.

Objectifs

Définir, par simulations Monte-Carlo, les caractéristiques des champs thermiques pouvant être obtenu avec l’accélérateur T400 (produisant des neutrons de 3 MeV),  couplé à un modérateur et choisir la configuration la plus satisfaisante selon différents critères préalablement définis

Conception et fabrication du bloc modérateur, son support métallique et le banc d’étalonnage associé

Caractériser expérimentalement le champ neutronique produit en terme de fluence et de distribution en énergie de celle-ci

 

Participer à la nouvelle comparaison CCRI(III)-K8

Résumé et premiers résultats

Le LNE-IRSN réalise des étalonnages d’appareils de mesure selon les recommandations des normes ISO 8529. Les champs thermiques comptent parmi les points d’énergie recommandés pour les étalonnages des appareils de radioprotection. Le LNE-IRSN a décidé de mettre en place une nouvelle référence thermique, compte tenu de son expérience et de son savoir-faire en la matière acquise avec l’installation précédente, SIGMA, aujourd’hui à l’arrêt.

Ce nouveau champ thermique sera généré au moyen de l’accélérateur T400 de l’installation CEZANE de l’IRSN, couplé à un bloc de graphite, dont les dimensions seront à déterminer afin de satisfaire entre autres à des critères physiques, relatifs à la contribution maximale des neutrons thermiques aux débits de fluence et d’équivalent de dose ambiant, l’idéal étant d’atteindre un champ thermique pur en fluence et en équivalent de dose ambiant.

Ce projet couvre ainsi l’ensemble des actions relatives à la définition du modérateur jusqu’à la caractérisation expérimentale des champs neutroniques (T400 nu et champ thermique), une fois les éléments fabriqués et l’accélérateur T400 remis en service. Le projet sera réalisé sur trois ans, de 2018 à 2020, avec pour objectif une participation du LNE-IRSN, à partir de fin 2020, à l’exercice de comparaison internationale organisée par le Comité Consultatif des Rayonnements Ionisants sur les champs thermiques et pilotée par le LNE-IRSN dès 2019 (« Key-Comparisons CCRI(III)-K8-2019 »).

En 2018, les caractéristiques techniques du modérateur thermique ont été définies via une étude par simulations Monte-Carlo (matériaux, géométrie, dimensions). Suite à cette étude par simulations, une étude technique de réalisation a été lancée. En parallèle, l’accélérateur T400 a été remis en service. La fabrication du modérateur est prévue en 2019 ainsi que son intégration avec l’accélérateur T400. Le dispositif CARAT devrait être mis en service en 2020, après la caractérisation spectrométrique et dosimétrique du champ neutronique.

Impacts scientifiques et industriels

La mise en place d’un nouveau champ thermique s’inscrit dans le contexte des recommandations de la norme 21909. Le LNE-IRSN propose d’ores et déjà des prestations d’étalonnage avec des sources de neutrons isotopiques (252Cf et 241AmBe), ainsi qu’auprès d’AMANDE avec des champs neutroniques mono-énergétiques.

Grâce à la mise en place du dispositif thermique CARAT qui sera défini dans ce projet, le laboratoire sera en mesure d’étendre son offre de prestations et la compléter avec cette énergie d’étalonnage supplémentaire, ainsi que de participer aux mesures de la nouvelle comparaison CCRI(III).K-8.

Publications et communications

ISO 8529-1:2001 Reference neutron radiations — Part 1: Rayonnements neutroniques de référence -- Partie 1: Caractéristiques et méthodes de production

ISO 21909 Dosimètres individuels passifs pour les neutrons -- Exigences de fonctionnement et d'essai

V. Lacoste, Design of a new IRSN thermal field facility using Monte Carlo simulations, Rapport DRPH/SDE n°2007-14 (2007)

V. Lacoste, Design of a new IRSN thermal neutron field facility using Monte Carlo simulations, Radiation Protection Dosimetry, 126: 58-63 (2007)

R. Babut, Etude de conception par simulations Monte-Carlo d’un modérateur pour le T400, Rapport PSE-SANTE/SDOS/LMDN 2018-00064 (2018)

 

Publications

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Communications

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