Rayon gamma

Les rayons gamma sont plus pénétrants que les particules alpha et bêta, mais sont moins ionisants. Ils sont de même nature que les rayons X mais sont d'origine et de fréquence différentes.

Les rayons gamma sont produits par des transitions nucléaires, tandis que les rayons X sont produits par des transitions électroniques provoquées en général par la collision à haute vitesse d'un électron avec un atome. La fréquence de leurs ondes est de l'ordre de 10¹⁷ à 10¹⁹ Hz. Comme il est possible pour certaines transitions électroniques d'être plus énergétiques que des transitions nucléaires, il existe un certain chevauchement entre les rayons X de haute énergie et les rayons gamma de faible énergie.

Les observations de rayons gamma émis dans des orages s'accumulent[3] - [4] - [5] - [6] - [7] et ils semblent liés aux courants électriques dont les éclairs sont les manifestations les plus visibles. La prise en compte de l'effet de courants électriques « ordinaires » au niveau nucléaire est actuellement en cours d'étude pour tenter d'expliquer certaines manifestations accidentelles violentes apparaissant parfois dans les batteries électriques[8] et accompagnées de production de neutrons et d'autres particules.

Les sources de rayonnement gamma dans l'Univers sont connues depuis 1948 mais n'ont été observées que depuis le début des années 1960. En effet, les photons gamma sont presque complètement arrêtés par l'atmosphère terrestre. Les premières observations astronomiques ont été faites à partir de ballons-sondes, de fusées-sondes (temps d'observations très courts). Ils sont aujourd'hui observés par des télescopes spatiaux spécialisés. Les rayonnements gamma les plus énergétiques peuvent être indirectement observés par des observatoires terrestres qui captent la cascade électromagnétique générée par l'effet Vavilov-Tcherenkov. Le rayonnement gamma de source cosmique résulte des événements les plus violents de l'Univers : jets relativistes produits par des trous noirs supermassifs (blazars), sursauts gamma, etc. L'énergie des photons gamma émis peut atteindre des centaines de GeV.

Illustration de la crête de Tavernier qui se caractérise par l'accroissement de la dose d'irradiation de certains rayonnements dans l'organisme, dont les rayons gamma, avant sa décroissance exponentielle. Voir aussi transfert linéique d'énergie et effet de build-up.

En pénétrant une substance, telle la matière vivante, la dose d'irradiation par les rayons gamma passe d'abord par un maximum ou « crête de Tavernier », du nom du physicien belge Guy Tavernier qui découvrit ce phénomène en 1948, avant de décroître exponentiellement avec la profondeur. Ce maximum se situe à environ 1 cm de profondeur pour les rayons gamma et l'intensité de ce rayonnement gamma est fort dépendante de la longueur de diffusion valable pour la substance pénétrée. On a ainsi :

${\displaystyle \displaystyle I(d)=I_{0}e^{-\mu d}}$

où

• µ = nσ est le coefficient d'absorption, mesuré en cm⁻¹ ;
• n le nombre d'atomes par centimètre cube dans la matière ;
• σ la section efficace d'absorption en centimètres carrés, donnée pour un couple rayonnement-matière caractérisé par l'énergie du faisceau incident et la nature chimique du matériau cible (son numéro atomique Z, au premier ordre) ;
• et d l'épaisseur du matériau en centimètres.

Ainsi, on constate que le blindage contre les rayons gamma requiert de grandes quantités de matière et qu'il n'est pas possible de stopper 100 % du rayonnement. Par exemple, un blindage qui réduit de 50 % l'intensité de rayons gamma de 1 MeV nécessite 1 cm de plomb, 6 cm de béton ou 9 cm de terre. Plus le numéro atomique (Z) est élevé, plus l'atténuation est forte. En inversant la relation ci-dessus, l'épaisseur nécessaire pour atténuer le rayonnement d'un facteur X=I₀/I est donnée par d=[Ln(1/1-X)]/µ. Avec un blindage en plomb, de numéro atomique Z=82 et de coefficient d'absorption µ=0,693147 cm⁻¹, il faut 6,6 cm pour éliminer 99 %, 13 cm pour éliminer 99,99 % et 19,9 cm pour éliminer 99,9999 % (ce qui atténue l'énergie du rayonnement d'un facteur 10⁶). Avec un blindage en béton, de coefficient d'absorption µ=0,1155, il faut 19,9 cm pour éliminer 90 % des radiations gamma, 99,6 cm pour éliminer 99,999 %, 1,20 m pour 99,9999 % et 1,30 m pour 99,99999 % (radiations gamma divisées par 10⁷).

Le coefficient d'absorption total de l'aluminium pour les rayons gamma et les contributions des trois effets. Ici, l'effet Compton domine.

Le coefficient d'absorption total du plomb pour les rayons gamma et les contributions des trois effets. Ici, l'effet photoélectrique domine pour l'énergie basse et la production des paires au-dessus de 5 MeV.

Les rayons gamma interagissent avec la matière via trois mécanismes principaux :

• Radiographie par rayons gamma : gammagraphie
• Imagerie médicale
• Médecine nucléaire
• Radiothérapie
• Stérilisation (irradiateur ⁶⁰Co)
• Spectrométrie gamma
• Astronomie gamma
• Restauration d'objets par l'atelier de recherche et de conservation Nucléart

Les rayons gamma peuvent produire des dégâts similaires à ceux produits par les rayons X et les autres rayonnements ionisants, tels que brûlures, nécrose (effets déterministes), cancers et mutations génétiques (effets stochastiques, c'est-à-dire aléatoires).

Si les rayons gamma sont moins ionisants que les rayons α ou β, ils demandent des épaisseurs de blindage plus importantes pour s'en protéger (de l'ordre d'un ou deux mètres d'épaisseur de béton, de roche ou de terre, en fonction de l'intensité initiale des rayonnements).

En France, le Réseau national de mesures de la radioactivité de l'environnement (RNM) diffuse des mesures de rayons gamma en divers points du territoire[9]. Ci-dessous, les ordres de grandeur (exprimés en nanosieverts par heure, symbole nSv/h) de ces rayonnements mesurés par différents organismes de 2009 à 2012 :

Mesures d'EDF :

• Golfech : 90 ± 18
• Braud-et-Saint-Louis : 90 ± 18
• Dampierre-en-Burly : 120 ± 25
• Paluel : 82 ± 16

Mesures de l'IRSN de sites à forte radioactivité naturelle :

• Chamonix-Mont-Blanc (Aiguille du Midi) : 250 ± 70
• Montluçon (bassin d'uranium) : 220 ± 70
• Saint-Maurice-sur-Moselle (massif granitique) : 210 ± 60
• Mantet (pic du Canigou) : 170 ± 50

Mesures de l'IRSN :

• Paris-7 : 45 ± 5
• Martinique : 48 ± 5
• Paris-12 : 55 ± 6
• Paris-8 : 55 ± 5
• Anglet : 55 ± 16
• Guadeloupe : 60 ± 6
• La Réunion : 60 ± 6
• Valence : 62 ± 6
• Lyon : 70 ± 7
• Marseille : 70 ± 20
• La Rochelle : 70 ± 7
• Rennes : 70 ± 7
• Mayotte : 79 ± 8
• Toulouse : 100 ± 10
• Brennilis : 105 ± 32
• Bagnères-de-Bigorre : 105 ± 30

Mesures du CEA :

• Bagnols-sur-Cèze (usine) : 105 ± 5

Autres mesures :

• Narbonne (usine Areva Malvési) : 170 ± 15, mesure Areva
• Romans-sur-Isère (usine) : mesures variables (entre 40 et 140)
• Grenoble (synchrotron) : mesures variables (entre 70 et 110)