La radioactivité par nature est impalpable, sans odeur, sans couleur, sans saveur et ne se voit pas (à l’œil humain). En un mot, aucun de nos n’est capable de la percevoir. Pourtant ces effets sont bien réels. Le compteur Geiger est l’instrument de référence pour la mesurer en rendant l’invisible mesurable et en émettant un grésillement particulier. Mais s’il est souvent associé aux scénarios post-apocalyptiques, le compteur Geiger est également utilisé en astronomie pour mesurer les rayons cosmiques de faible niveau qui donnent un aperçu de l’univers primordial, en géologie pour localiser les minéraux radioactifs, ou en médecine nucléaire pour suivre les traceurs radioactifs et identifier les malignités.
Le compteur Geiger-Müller CDV-700 Victoreen 6B reconnaissable à sa couleur jaune. Fabriqué par de nombreuses entreprises américaines dans les années 60, il est de conception robuste et d’un usage facile pour les civils.
Qu’est-ce qu’un compteur Geiger-Müller ?
Un compteur Geiger, aussi appelé compteur Geiger-Müller, tube Geiger-Müller ou compteur GM porte le nom de son inventeur Hans Geiger, un physicien allemand du début du XXème siècle. Hans Geiger a imaginé le principe de fonctionnement de cet appareil vers 1913 et l’a mis au point avec Walther Müller en 1928 pour permettre la détection de certains rayonnements ionisants, c’est à dire suffisamment puissants pour arracher des électrons de leur orbite et donc de déceler la radioactivité. Le compteur Geiger est toujours utilisé de nos jours pour quantifier la radioactivité d’une substance. Cet appareil sert plus précisément à détecter certains rayonnements ionisants (rayons bêta ou gamma et rayons X, mais pas les rayonnements neutroniques).
Avec son appareil, Hans Geiger aura apporté une énorme contribution à la recherche sur l’atome, le rayonnement et l’utilisation de l’énergie nucléaire. Les prix Nobel décernés à ses collaborateurs supérieurs constituent la preuve de l’importance de ces recherches. Bien qu’il n’ait pas lui-même reçu des récompenses aussi spectaculaires, son nom restera célèbre à jamais.
Comment fonctionne un compteur Geiger-Müller ?
Pour détecter les rayonnements ionisants, le compteur Geiger-Müller utilise le principe d’ionisation qui est issu de l’interaction de ces rayons avec la matière. Il est constitué d’une chambre métallique (plus rarement en verre) cylindrique — appelée chambre d’ionisation — remplie d’un gaz non conducteur d’électricité sous basse pression (argon, hélium, krypton, néon…) dans l’axe de laquelle un fin fil métallique est tendu avec une tension de 1000 volts.
Les différents types de rayonnement
Le rayonnement Alpha (α)
Composé de deux protons chargés positivement et de deux neutrons, représente le type de rayonnement le plus chargé électriquement. Cette charge importante signifie qu’ils interagissent plus intensément avec la matière. Cette interaction avec les atomes environnants fait décroitre rapidement l’énergie de la particule et diminue ainsi son pouvoir de pénétration. C’est pour cette raison qu’une simple une feuille de papier suffit à arrêter les particules Alpha.
Le rayonnement Bêta (ß)
Composées d’électrons chargés négativement, ces particules portent une charge plus faible et sont ainsi plus pénétrantes que les particules Alpha. Elles peuvent traverser un à deux centimètres de tissu vivant.
Le rayonnement Gamma (γ)
Les rayons Gamma et les rayons X interagissent peu avec la matière et sont en conséquence extrêmement pénétrants et peu ionisants. Une très grande épaisseur de matière est nécessaire pour “filtrer” ces rayonnements.
Le rayonnement Neutronique
Lorsque les noyaux instables issus d’une fission atomique ou d’une fusion nucléaire se désintègrent, ils émettent des neutrons. Comme ils sont de charge électrique neutre, ces rayons possèdent un haut pouvoir de pénétration.
Les particules radioactives pénètrent dans le tube et arrachent les électrons du gaz contenu à l’intérieur. Ce faisant le gaz se charge en ions positifs. Les électrons libres vont engendrer une ionisation en cascade avant de rejoindre l’anode. Ce faisant, ils génèreront une impulsion électrique qui sera convertie en signal audible ou visible.
Quand un rayon Alpha (α), Beta (ß) ou Gamma (γ) pénètre à l’intérieur du tube Geiger-Müller, il ionise le gaz par effet photoélectrique. Les électrons alors arrachés se multiplient très vite par avalanche électronique, dite “avalanche de Townsend”. Les électrons sont accélérés par la haute tension, percutent les molécules du gaz et provoquent ainsi d’autres ionisations en cascade. Ce qui rend le gaz conducteur pendant un bref instant (phénomène de décharge). Après amplification, ce phénomène sera restitué par une interface utilisable par un humain : un signal sonore (un crépitement caractéristique) ou visuel (une aiguille, un chiffre).
Un tube Geiger-Müller Russe (SBM20 anciennement CTC5) qui assure la détection des événements radioactifs
Pourquoi parle-t-on de rayonnement ionisant ?
On parle de ionisation, lorsqu’un atome ou une molécule perd un électron sous une action extérieure. Les rayonnements sont dits ionisants car les particules ou ondes énergétiques qui les composent sont capables de rompre des liaisons chimiques lorsqu’ils entrent en collision avec des molécules. Si la molécule ionisée fait partie de l’ADN ou d’une autre molécule essentielle au fonctionnement de l’organisme, cela peut entraîner une destruction, un dysfonctionnement ou des erreurs de multiplication cellulaires. Les conséquences de l’exposition prolongée à une source radioactive peut donc entraîner des cancers. Bien que peu pénétrant de part leur taille, les rayons Alpha sont plus ionisants que des rayons Beta ou Gamma. À énergie égale, pour de faibles doses, les rayons Alpha seront 20 fois plus nocifs pour les organismes vivants que pour des rayons Beta ou Gamma.
Interprétation du comptage
La difficulté réside dans l’interprétation du taux affiché par le compteur. En pratique, savoir que l’on a détecté la désintégration de 40 particules en une minute n’est pas très parlant. D’autant que la plupart des détecteurs ne font pas la différence entre les différents types de rayonnements. Hors leur dangerosité dépend directement de leur niveau d’énergie. Ainsi, l’impact sur la matière vivante des rayonnements Alpha (noyau d’Hélium composé de deux neutrons et deux protons) et Beta (de même nature que les électrons) n’est pas le même que celui des rayonnements Gamma composés de photons hautement pénétrants mais interagissant peu avec la matière. C’est pour mieux comparer les effets consécutifs à une dose absorbée que l’on a introduit la notion de “dose équivalente”. Le calcul de cette dose équivalente consiste à appliquer un facteur de conversion selon le type de rayonnement. Enfin, on doit aussi prendre en compte le type d’organe exposé car ils n’ont pas tous la même radiosensibilité. Une balle de tennis n’aura pas le même impact sur un humain selon qu’elle frappera la main ou l’œil.
Plus simplement, ce qui intéressera l’utilisateur de manière générale tient d’avantage à la variation du niveau de comptage qu’à sa valeur exacte. Savoir que la radioactivité ambiante a subie une augmentation d’un facteur 10 par rapport à une mesure dans un environnement sain est une indication suffisamment parlante pour vous permettre d’agir en conséquence.
Valeurs normales de la radioactivité
Les valeurs normales de la radioactivité mesurées en CPM (comptage par minute) varient d’un tube et d’un endroit à l’autre. On admet généralement que des valeurs comprises entre 0 et 50CPM correspondent à la radioactivité naturelle. La réglementation fixe également les valeurs en Sievert autorisées en fonction des types de population et de leur travail (source laradioactivite.com).
| Définition | Valeurs | Observations | |
|---|---|---|---|
| Limites annuelles pour la population Article R. 1333-8 du Code de la sécurité publique | • Doses efficaces pour le corps entier | 1 mSv/an | Ces limites intègrent la somme des doses efficaces ou équivalentes reçues. Leur dépassement traduit une situation inacceptable. |
| • Doses équivalentes pour le cristallin | 15 mSv/an | ||
| • Doses équivalentes pour la peau (dose moyenne pour toute surface de 1 cm2 de peau, quelle que soit la surface exposée) | 50 mSv/an | ||
| Limites pour les travailleurs sur 12 mois consécutifs Article R. 231-77 du Code du travail | Adultes | Ces limites intègrent la somme des doses efficaces ou équivalentes reçues. Leur dépassement traduit une situation inacceptable.Des dérogations exceptionnelles sont admises :• préalablement justifiées, elles sont planifiées dans certaines certaines zones de travail et pour une durée limitée sous réserve de l’obtention d’une autorisation spéciale. Ces expositions individuelles sont planifiées dans la limite d’un plafond n’excédant pas deux fois la valeur limite annuelle d’exposition• des expositions professionnelles d’urgence peuvent être mises en œuvre dans l’hypothèse d’une situation d’urgence, notamment pour sauver des vies humaines.. | |
| • Doses efficaces pour le corps entier | 20 mSv/an | ||
| • Doses équivalentes pour les mains, les avant-bras, les pieds et les chevilles | 500 mSv/an | ||
| • Doses équivalentes pour la peau (dose moyenne sur toute surface de 1 cm2, quelle que soit la surface exposée) | 500 mSv/an | ||
| • Doses équivalentes pour le cristallin | 150 mSv/an | ||
| Femmes enceintes (exposition de l’enfant à naître) | 1 mSv/an | ||
| Jeunes de 16 à 18 ans | |||
| • Doses efficaces pour le corps entier | 6 mSv/an | ||
| • Doses équivalentes pour les mains, les avant-bras, les pieds et les chevilles | 150 mSv/an | ||
| • Doses équivalentes pour la peau | 150 mSv/an | ||
| • Doses équivalentes pour le cristallin | 50 mSv/an |
Les unités de mesure de la radioactivité
Pour mesurer la radioactivité et ses effets, trois unités sont communément utilisées pour évaluer 3 types de grandeurs : la cadence des désintégrations, l’énergie radioactive absorbée et ses effets biologiques.
Le Becquerel (Bq) : mesure de la radioactivité
Le Becquerel (Bq) est l’unité de mesure de la radioactivité d’un corps c’est à dire le nombre de désintégrations spontanées de noyaux d’atomes par seconde. Plus un élément est instable (en général les noyaux lourds), plus sa radioactivité est grande. Cette unité est très petite au regard des aux ordres de grandeur qu’elle mesure. À titre d’exemple, la radioactivité du corps humain est supérieure à 8000 Bq. C’est pour que l’on exprime généralement l’activité des sources en multiples du Becquerel : le kilo-Becquerels (kBq) ou le terra-Becquerel (TBq). En revanche, l’activité d’échantillons environnementaux s’exprimera plus souvent en milli-Becquerels (mBq ou 10<sup>-3</sup> Bq) ou en micro-Becquerels (µBq équivalent à 10<sup>-6</sup> Bq). L’activité radioactive d’un matériau est souvent rapportée à sa masse, son volume ou sa surface.
Le Gray (Gy) : mesure de la dose absorbée
Si une personne se trouve dans à proximité d’une source radioactive, seule une partie des rayonnements l’atteindra. C’est cette partie absorbée qui est exprimée par l’unité “Gray”. Le Gray (Gy) correspond à la quantité d’énergie communiquée à un corps par unité de masse exposée. 1 Gray correspond à 1 joule par kilo de matière irradiée.
Le Sievert (Sv) : mesure des effets biologiques
Le Sievert (Sv) est utilisé pour exprimer les effets biologiques des rayonnements ionisants sur la matière vivante. À dose absorbée égale (mesurée en Gray), l’impact de la radioactivité sur les tissus vivants ne sera pas le même selon la nature du rayonnement.
Becquerel, Gray, Sievert… comment s’y retrouver simplement ?
Devant la multiplicité des unités inventées par les scientifiques, une méthode simple pour s’y retrouver consiste à retenir que les Becquerels correspondent à la quantité de rayonnement émis ou quantité de désintégrations par seconde (ce que l’on m’envoie), le Gray à la quantité d’énergie reçue (ce que je reçois) et le Sievert à l’impact sur mon corps (est-ce que j’ai mal).
Qu’est ce que le débit de dose ?
Une notion importante en terme d’impact sur la santé de la radioactivité, est celle du débit de dose absorbée. Elle se défini comme la quantité d’énergie déposée par les rayonnements ionisants dans une substance selon le facteur temps. Un débit de dose de 1 Gy/heure n’aura pas les mêmes effets s’il est subi pendant 5 minutes ou pendant quelques secondes. Si la dose absorbée qui représente l’énergie transmise par le rayonnement aux tissus vivants, est généralement mesurée en Gray, on utilise généralement le concept de LD50/30 (pour LD pour “dose létale”), qui correspond à la quantité de Gray reçus pour que la moitié d’une population donnée décède 30 jours après une exposition corporelle totale. Cela signifie que si une population reçoit une dose de 3 à 4 Gray sur tout le corps, environ la moitié des individus exposés mourront dans les 30 jours suivants. Il demeure que des doses beaucoup plus faibles peuvent entraîner des effets délétères sur la santé à long terme, notamment les cancers et d’autres maladies chroniques.
Quelles sont les unités de mesures importantes à prendre en compte ?
Le sievert (symbole Sv) est l’unité de mesure internationale utilisée pour quantifier l’équivalent de dose effective, qui tient compte des effets biologiques des différentes formes de rayonnements ionisants sur les tissus vivants. Il prend en considération le type de rayonnement, sa capacité à causer des dommages biologiques, et la sensibilité des tissus exposés. Par exemple, les rayonnements alpha, bêta, gamma et les neutrons ont des facteurs de pondération différents, reflétant leur capacité relative à causer des dommages dans les tissus humains. Le sievert est donc une mesure plus précise que le Gray (Gy), qui quantifie simplement la quantité de radiation absorbée par le tissu mais pas sa nocivité. Le Sievert tient compte à la fois de la quantité de radiation absorbée et de la nature spécifique du rayonnement et de ses effets biologiques. Pour donner un exemple de conversion, 1 Sievert équivaut à 100 Rem (unité de dose traditionnelle aux États-Unis) pour une exposition uniforme à des rayonnements gamma.
Quel est la limite d’exposition aux radiations pour les civils ?
Tout organisme vivant possède une capacité naturelle à régénérer ses cellules. Le plus important réside dans la quantité maximale de rayonnement qu’un être vivant est capable d’absorber sans que cela ne dépasse sa capacité à se réparer. C’est pour donner une correspondance entre l’exposition et sa nocivité qu’a été inventée le “Sievert”, une unité de mesure qui donne une idée de l’impact biologique des rayonnements absorbés en appliquant un facteur de conversion au nombre de particules détectées.
En général, les limites de dose annuelles pour les travailleurs exposés aux radiations varient autour de 20 millisieverts (mSv) par an en moyenne sur 5 ans, ce qui donne une moyenne de 1 mSv/semaine. Pour le grand public, la limite de dose est généralement bien inférieure, généralement autour de 1 mSv par an (ou 0,114µSv/heure) hors radioactivité naturelle (exposition annuelle d’environ 2,4mSv/an) et médecine, bien que cela puisse varier selon les réglementations nationales (voir dispositions de l’article L. 3333-1 du code de la sécurité publique en France).
L’infographie ci-contre montre les effets du rayonnement radioactif sur le corps humain selon l’intensité exprimée en millisieverts (mSv))
Où acheter un compteur Geiger-Müller pour mesurer la radioactivité α, ß et γ ?
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