Quelques expériences avec la chambre à brouillard

Les expériences ci dessous sont reprises de la vidéo générale présentée en introduction. La plupart de ces sources sont des « objets de la vie de tous les jours » dont l’activité radiologique est faible et ne constituent aucun danger pour la radioprotection tant qu’elles ne sont pas avalées ou manipulées avec les mains par des personnes non sensibilisées (l’usage de ce genre de source est donc de votre responsabilité).

La physique des interactions et les caractéristiques des particules sont décrit dans les autres rubriques du site.

Américium 241

L’Américium 241 se trouve dans les détecteurs de fumée à ionisation en très petite quantité 0,29 μg ce qui représente 1 μCi = 37 kBq (l’équivalent de la radioactivité de 30 kg de café … ou de 4 personnes !). La source est recouverte par 2 μm de Palladium afin d’éviter sa dispersion dans l’environnement. Le spectre d’énergie de la source est donc modulé par cet épaisseur de Palladium qui absorbe une petite partie de l’énergie des rayonnements alpha (voir la courbe ci dessous ou ce document). Parfois, il est possible d’observer des noyaux de recul lorsqu’une particule alpha se rapproche trop près d’un noyau du milieu (atome d’oxygène, carbone…).

Spectre de l’Am 241. http://www.nndc.bnl.gov/chart

2 clichés de l’Am 241 dans la chambre à brouillard. Les électrons de désexcitation du noyau du Neptunium 237 sont bien visible à droite. Un noyau de recul est visible à gauche, à la fin du parcours d’une particule alpha.



Parfois on peut observer un événement peu fréquent : lorsqu’une particule alpha s’approche trop prés d’un noyau (Hydrogéne, Oxygéne, Azote, …) celle ci est déviée de sa trajectoire en cédant de l’énergie au noyau « percuté » (électrostatiquement) qui s’ionise et forme à son tour une trace, comme le montre la photo historique de 1912

 

Radium 226

radiumCloud

Phosphorescence d’ancienne aiguilles en radium, sous une lumière UV.

Une ancienne aiguille de montre en Radium (env. 50 μCi = 1,85 MBq) contient tout les descendants de la chaîne de désintégration de l’Uranium 238, à partir du Radium 226 (Rn-222, Po-218, Pb-214, Bi-214, Po-214, Pb-210, Bi-210, Po-210).

« zinc sulfide was mixed with a radium salt to yield products containing about 25 to 300 μg of radium element per gram. The more concentrated preparations (generally containing 215 μg of radium per gram to meet British Admiralty standards) were used on aircraft and ship instrument dials, while lower-grade materials containing about 50 to 100 μg of radium per gram of mixture were used on watches, switch markings, and other devices requiring less critical reading. »  According to a Department of Commerce Information Circular from 1930, the paint might contain « from 0.7 to 3 and even 4 milligrams of radium element to 100 grams of zinc sulfide. Impurities may be added to the zinc sulfide as follows: Cadmium, 0.05 per cent; copper, 0.001 per cent; manganese, 0.0002 per cent. »  Source

Au fil du temps l’aiguille perd peu à peu de sa luminosité du fait de la destruction progressive des cristaux de ZnS sous l’impact des particules alpha du Radium. Les niveaux d’excitation des cristaux changent et les électrons petit à petit, ne peuvent plus migrer dans la bande de conduction (la lumière étant produite par la désexcitation de ces derniers vers la bande de valence). La demi vie du Radium étant de 1600 ans la quantité de Radium initialement introduite lors de la fabrication de l’aiguille il y a 50 ans est sensiblement la même de nos jours. Dans une chambre à brouillard on observe les électrons et particules alpha de désintégration. Les gamma émis sont de faible énergies (186 keV à 3,6% et 262 keV à 0,005 %).

Seul les intensités les plus représentatives sont indiquées. Les particules observés dans la chambre proviennent aussi d’autres radionucléides fils

Électrons (déviés par le champ magnétique) et rayonnements alpha d’une aiguille de montre ancienne en Radium 226

Oxyde d’Uranium (Fiestaware)

La compagnie  Homer Laughlin China introduit au début des années 60 une ligne de vaisselle coloré « Fiestaware ». La couleur orangé contenait de l’oxyde d’Uranium 238. La production cessa en 1972 après environ 2 millions d’unité produite, pour cause de faible ventes. Il a été estimé qu’une assiette standard contenait jusqu’à 4.5 g d’Uranium, pour un débit de dose d’environ 15 μSv/h (75 fois la radioactivité naturelle).

Les particules observées dans la chambre à brouillard proviennent majoritairement de l’Uranium 238 et de ses descendants (la demi vie de l’Uranium 238 est de 4.4 milliards d’années).

 

Fiestaware in the cloud chamber

Tige à souder en Thorium

Cette tige à souder contient 2% de Thorium 232 comme indiqué par le bout rouge de la baguette ce qui représente 0.23 g soit environ 1000 Bq. L’ajout de Thorium permet d’augmenter l’intensité du courant et de stabiliser l’arc de soudure. Cette tige est communément utilisée dans l’industrie (soudage TIG). Au niveau de la radioprotection, souder avec ces baguettes n’est pas recommandé à la longue car le Thorium se retrouve dispersé dans l’air que les intervenants peuvent respirer. Le Thorium 232 est l’unique isotope naturel du Thorium et à une demi vie de 4 milliards d’années. Les particules que l’on voient dans la chambre à brouillard proviennent de sa désintégration et de ses quelques noyaux fils (la demi-vie du Thorium est tellement énorme que peu de noyau fils sont crées dans la tige).

Le champ magnétique dévie les électrons qui font des trajectoires caractéristiques en arc de cercle

Oxyde d’uranium (Verre d’uranium « Ouraline »)

L’origine de l’Ouraline remonte à 1789  lorsque Heinrich Klaproth le découvreur de l’élément Uranium fit des expériences visant à colorer les verres via des oxydes d’Uranium. La production de ce type de verre dont l’aspect sous lumière naturelle est jaune vert à démarré à partir des années 1850. La proportion d’oxyde pouvait atteindre jusqu’à 25% en masse (les proportions standard sont de l’ordre de 0.1 à 2%) . Aujourd’hui, l’Ouraline n’est plus fabriqué sauf en tant qu’élément décoratif (perle de verre comme ci dessous utilisé en tant que source). Sous lumière ultraviolette, les ions Uranium rendent le verre fluorescent (comme tout les minéraux secondaires d’Uranium).

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Ampoule de Tritium

Cette ampoule contient du gaz Tritium (40 mCi) qui se désintègre en Hélium 3 en émettant un unique électron d’énergie maximum de 18.59 keV (cette énergie est extrêmement faible). La paroi de l’ampoule est recouverte d’un phosphore (de type ZnS:Ag ou à base de terre rare, la couleur dépendant du dopant) qui émet de la lumière par l’absorption de l’électron de désintégration. Au bout d’une demi vie il y aura 2 fois moins d’électrons de désintégration donc deux fois de lumière. Le tritium remplace avantageusement le radium dans les montres luminescentes car les particules émises par le tritium sont bien moins énergétique.

Lorsque l’électron est absorbé dans la paroi de l’ampoule une partie de son énergie cinétique est convertie en rayonnement de freinage appelé aussi « Bremmsstrahlung ». Ce rayonnement X de très faible énergie (quelques keV) peut traverser la paroi de l’ampoule et interagir dans la chambre à brouillard par effet photoélectrique (cet effet étant l’interaction prédominante des rayonnements X dans la matière étant donné la faible énergie). On observe ainsi des agrégats de condensation qui entoure la source : le photo électron n’a pas suffisamment d’énergie pour faire sa propre trace mais il peut localement ioniser d’autre atomes créant d’autre ions périphérique. Ce sont sur ces ions que se condensent les vapeurs d’alcool formant ainsi les petits nuages de condensation.

Les petites traces blanche sont du à des photoélectrons produit par les rayonnements X issu de la capsule de Tritium

Dans toutes les expériences le rayonnement cosmique est omni-présent ! ici un proton vient de passer tout près de notre source

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Thorite et Thoron

La Thorite (Th,U)SiO4 est un minéral rare découvert en 1829 dans lequel Berzelius identifia le thorium. Sa composition en masse est la suivante : ThO2 (70%), UO2 (8%), SiO2 (16%), (Fe/Mg/PbO,Fe203…6%). Dans la chambre à brouillard on observe les particules émises des noyaux fils de la famille de désintégration du Thorium 232 (comme la tige de thorium précédente, sauf que la pierre  » a eu le temps » de produire tout les noyaux fils !). Le Radium 224 produit par désintégration le gaz Thoron (220Rn, T1/2 : 55 sec) qui se désintègre par émission alpha en 216Po (T1/2 : 0,14 sec, Eα =6,28 MeV. Le Polonium 216 étant très instable, il se désintègre en 212Pb en émettant une particule alpha (T1/2 : 10,6 hrs, β-). On observe les « V » caractéristiques (2 tracés de particules alpha) provenant des deux désintégrations successive du Radon en Polonium et du Polonium en Plomb. Le débit de dose du minerai est de 6 µSv/h soit 30 fois la radioactivité naturelle ambiante.

Thorite

rn220

La vidéo suivante montre l’introduction dans l’enceinte de Thoron (Rn 220) qui s’est accumulé dans une seringue contenant un ancien manchon à incandescence  composé de nitrate de Thorium (0,027 μCi soit env. 1000 Bq). Le Radon est un des gaz les plus lourd à T,P standard (9,73 kg/m3) en l’introduisant dans la chambre, celui ci « tombe » au fond de la chambre vers la zone sursaturée en alcool.

 

 

Uraninite

L’ Uraninite (UO2) est un minéral découvert en 1727 par Brückmann renommé pechblende (pitch-like zinc-blende) par Cronstedt en 1758. En 1789 Klaproth découvre l’élément Uranium dans ce minéral qui est renommé Uraninite par Haidinger en 1845 pour refléter sa composition. Sa composition en masse est la suivante : UO2 (60%), UO3 (20%), Y/Er/La/Ce2O3 (10%), (Fe/Mg/PbO, SiO2,Fe203…10%)

Dans la chambre à brouillard on observe les particules émises des noyaux fils de la famille de désintégration de l’Uranium 238. Les énergies des alphas émis par les noyaux fils sont plus faible par rapport à la famille du Thorium 232, les traces sont donc un peu plus courte. Du gaz radon (222Rn, T1/2 : 3,6 jrs) est produit en faible quantité. Le débit de dose est d’environ 95 µSv/h soit 65 fois la radioactivité naturelle ambiante.

Ce minerai d’Uranium est un peu trop actif car les électrons sont difficilement visible (masqué par les alpha). Il faut préférer les sources émettant peu de particules afin de pouvoir bien les discerner

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Rayonnement naturel (tellurique et cosmique) 

A la fin de la vidéo de présentation la chambre ne contient pas de sources radioactives et seul le rayonnement naturel est présent. Ce rayonnement se décompose en deux parties avec le rayonnement tellurique (venant du sol) et le rayonnement cosmique (venant du ciel).

Rayonnement tellurique

Le sol, les murs de la pièce contiennent naturellement de faibles proportions de radionucléides naturel comme le Potassium 40 ainsi que les radionucléides issu des familles de désintégration de l’Uranium 238 et du Thorium 232.  Le sol de votre jardin contient en moyenne 2,7 g/ tonnes d’Uranium 238 ce qui représente environ 30 Bq.kg-1 (1 becquerel correspond à la désintégration d’un atome par seconde), et il en est encore plus si vous habitez dans une région granitique ! autre exemple, le béton standard contient environ 40 Bq.kg-1 de Ra 226, 30 Bq.kg-1 de Th 232 et environ 400 Bq.kg-1 de K 40. 

Lorsque ces radionucléides se désintègrent ils émettent soit des particules alpha, des électrons/positon et des rayonnements gamma. Les alpha et les électrons ont des énergies trop faible pour pouvoir traverser les 5 mm de la paroi en verre de la chambre et interagir à l’intérieur de celle ci.

Les rayonnements gamma issu de la désintégration des radionucléides ont une grande portée dans la matière. Ils peuvent traverser plusieurs dizaine de centimètre de roche avant d’être complètement absorbé (un faisceau gamma de 1 MeV est atténué de moitié après 100 m dans l’air). Lorsqu’un rayonnement gamma rencontre la paroi en verre de la chambre ou un atome dans l’air de l’enceinte il peut interagir avec cette matière en éjectant des électrons (par effet photoélectrique/Compton) ou si leur énergie est supérieure à 1,02 MeV, créer des positons et des électrons (processus de création de paires) déviés dans deux sens différent dans le chambre si un champ magnétique est présent.

Certain radionucléides comme le Radium 226 présent dans la chaîne de désintégration de l’Uranium 238 se désintègre en Radon 222 qui est chimiquement stable seulement sous forme gazeuse à pressions et température standards. Lorsque du Radon 222 (demi-vie : 3,6 jours) parvient à entrer dans l’enceinte de la chambre à brouillard le gaz fini par se désintégrer par émission alpha en donnant le Polonium 218 (solide à P,T standard)  : on observe alors la trace d’une particule alpha apparaissant n’importe où dans la chambre.

Dans la chaîne de désintégration du Thorium 232 on retrouve l’élément Radon sous la forme de l’isotope Rn 220 (gazeux) : celui ci à une demi-vie de l’ordre de 55 secondes et se désintègre par émission alpha en Polonium 216, lui même se désintégrant quasi instantanément par émission alpha en Plomb 212 (montrant des doubles traces d’alpha observés lors de l’expérience avec la Thorite). Le Radon 220 naturel, c’est à dire émis par l’environnement proche de la chambre à brouillard (mur, sol) à une demi-vie trop courte pour pouvoir entrer dans l’enceinte en verre et se désintégrer en faisant une double trace : ces événements ne sont mis en évidence que si on place une source émettrice de Thoron à l’intérieur de la chambre.

Rayonnement cosmique

Le rayonnement cosmique est constitué des mêmes particules du rayonnement tellurique à savoir des rayonnements gamma, des électrons/positons et particules alpha. Il faut ajouter cependant d’autres particules : des neutrons, des protons, des muons… Ces particules proviennent d’un processus particulier. Lorsqu’une particule cosmique (à 90% des protons, 9% des particules alpha) d’origine galactique entre en collision en haut de l’atmosphère (H ~ 40 km) avec un atome constituant l’air (oxygène,azote…), la réaction nucléaire va générer une centaine de milliard de particules (Pion, Kaon, Xi, Lambda, Omega, Tau…) . L’énergie colossale de la particule incidente, qui peut être jusqu’à 1 millions de fois plus élevé que l’énergie des particules collisionnant au LHC, est directement converti en masse (E=mc²). Ces particules à leur tour vont collisioner avec d’autre noyau de l’atmosphère et générer encore d’autre particules. Tout cela se passe dans les hautes couches de l’atmosphère, comme illustré dans l’image ci dessous.

cosmic collision

Collision d’un proton cosmique sur un noyau de l’atmosphère. L’extension spatiale est exagéré sur le schéma : toutes les particules produites restent dans un cône de quelques degrés par rapport à la direction de la particule incidente. Au sol, l’extension spatiale est inférieur à quelques kilomètres.

L’atmosphère atténue sur quelques dizaines de km les particules secondaire (fragments de noyaux, Kaons, Pions…) issu de la collision primaire. Au niveau de la mer il ne reste plus que des électrons/positons, des rayonnements électromagnétique, des protons, neutron et des muons (il faut préciser que ces particules sont crées au fur et à mesure de l’interaction des secondaires, elles ne traversent pas des dizaines de km d’atmosphère sauf pour les muons et gamma). Les muons font l’objet d’un article séparé car ils sont un peu particulier : ce sont des particules élémentaires semi-lourde qui interagissent très peu et possèdent de très grand parcours dans la matière. Les muons sont difficilement détectable dans la chambre à brouillard.

La chambre à brouillard baigne dans un flux perpétuel de rayonnement gamma (d’origine tellurique ou cosmique) et de neutrons/protons/électrons/positons de grande énergies crées localement à notre altitude. Les électrons de grandes énergies sont assez rare à observer (d’ailleurs la trace se confondrait avec celle d’un muon) : ils ne parviennent pas à atteindre la chambre à brouillard car du fait de leurs très faible masse ils perdent rapidement leurs énergies par interactions avec les électrons atomiques de la matière traversée. Un simple mur arrêterait un électron  cosmique de très haute énergie (~100 MeV).

Les neutrons électriquement neutre ne créent pas de traces (car il ne peuvent ioniser la matière et faire des ions) mais ils peuvent être mis en évidence de manière indirecte par les réactions de spallation qu’ils produisent dans la chambre (cela reste rare à observer au niveau de la mer, mais cela existe ayant déjà vu un tel événement au Palais de la Découverte ressemblant à celui ci).

Les rayonnements gamma d’origine cosmique étant souvent bien plus énergétique que les gamma « tellurique » nous pourrons observer des électrons rapides ou des créations de paires dans la chambre. Les particules alpha observés dans la chambre proviennent exclusivement du rayonnement tellurique par la présence du Radon 222 si l’on met de coté les réactions de spallation locale pouvant produire des fragments nucléaire.

 Ces photos du rayonnement cosmique/tellurique ont été prises dans la chambre à brouillard présentée sur le site ou dans d’anciens prototype. Un aimant est présent dans la chambre et dévie les particules légères (électrons et positons). 

Rayonnement cosmique dans une chambre à brouillard de grandes dimensions en altitude (2877 m, au Pic du Midi, 2012)

J’ai pu réaliser cette vidéo lors de deux voyages en 2012 lors de l’exposition temporaire sur les 100 ans de la découverte du rayonnement cosmique où la chambre à brouillard du laboratoire d’Astrophysique de Marseille fût déplacée pour l’occasion au sommet du Pic du Midi. En altitude le rayonnement cosmique est moins atténué et l’on observe beaucoup plus de réaction violente : des neutrons ou des protons (voir des pions) sont capable d’exploser des noyaux (spallation). Les traces très ionisante observées sont soit des protons lent, des particules alphas, des deutérons, triton, ou des fragments nucléaires. D’autres phénomènes surprenant sont visibles, comme les gerbes électromagnétique.

La taille de la chambre (Phywe PJ 45) est de 45×45 cm. Les images suivantes sont extraites de la vidéo ci dessus.

Spallations :

Protons :

Electromagnetic showers  :

Low energy electrons/positons :

High energy electrons/positons (maybe there is some muons) :