Radiological characterisation of materials from accelerators

Materials inside and around accelerators can get activated by the irradiation fields caused by the primary beam particles and their interactions with matter. This is the case for accelerators from both fields, fundamental research and medical applications. The activation of materials poses a radiological risk for people who work near the facilities and for the waste management during the dismantling phase. The materials at the accelerators must therefore be radiologically characterized. The radiological characterisation represents the determination of the location and concentration of the artificially produced radionuclides inside the different components. The European Organization for Nuclear Research (CERN) has the largest accelerator complex in the world with a total network of almost 50km. Therefore, CERN has implemented some efficient methods for the characterisation of materials leaving irradiation zones. They are based on both, Monte-Carlo simulations and analytical calculations. The aim of this work was to transfer and evaluate some of them in a medical environment. They were applied for the characterisation of materials from a PET-cyclotron facility, which is used for the production of radiopharmaceuticals within the University Hospitals of Geneva (HUG). In a first step of this work, the mechanisms for the creation of the irradiation fields caused by the primary beam particles and their interactions with matter had to be analysed for this cyclotron and implemented in a Monte Carlo simulation. Based on these irradiation fields of secondary particles, the activities of radio nuclides could be calculated analytically using ActiWiz, a software tool recently developed by CERN. In a first example, our model was applied to the magnetic coils of the cyclotron. The aim was to determine the three-dimensional distribution of activation products inside these components after 15 years of operation. The results were compared with measurements for validation. In a second exercise, the same model was extended to materials situated inside the bunker. Again, for validation, the simulation results were compared to measurement results by using activated samples. We have shown that these methods and tools can be applied for the characterisation of materials from accelerators used in the medical field. Despite the limited precision, clear conclusions concerning the management of radioactive waste and the associated risks could be formulated for the radiation protection expert. Detailed studies about the limitations of the approach were performed and were presented. -- L’interaction du faisceau de particules primaires avec la matière environnante peut causer l’activation des matériaux composant les accélérateurs de particules et leurs environnements. Ce phénomène d’activation a lieu dans les accélérateurs quels que soient leurs domaines d’applications, comme par exemple, la recherche fondamentale ou les applications médicales. L'activation de la matière engendre un risque radiologique pour les personnes travaillant à proximité de ces installations et complexifie la gestion de déchets rendus radioactifs lors d’une phase de démantèlement. Afin de pouvoir protéger les travailleurs étant au contact de matériaux activés, l’estimation du risque radiologique est essentielle. Pour ce faire, les matériaux potentiellement activés provenant des accélérateurs et leurs environnements doivent être caractérisés radiologiquement. La caractérisation radiologique représente la détermination de la localisation et de la concentration des radionucléides produits artificiellement à l'intérieur des différents composants. L'Organisation européenne pour la recherche nucléaire (CERN) possède le plus grand complexe d'accélérateurs au monde, avec un réseau total de près de 50 km. Par conséquent, le CERN a développé des méthodes efficaces pour la caractérisation des matériaux sortant des zones d'irradiation. Ces méthodes sont basées à la fois sur l’utilisation d’outil de simulations Monte-Carlo pour le calcul de champs de radiation de particules et d’outil permettant la réalisation de calculs des activités à partir des champs de radiation. Le but de ce travail a été de transférer et d'évaluer ces outils et méthodes dans un environnement médical. Ils ont été appliqués au sein des Hôpitaux Universitaires de Genève (HUG) pour la caractérisation des matériaux de leur cyclotron utilisé pour la production de radio pharmaceutiques. Durant la première partie de ce travail, les mécanismes de création des champs de radiation secondaires causés par l’interaction du faisceau et leurs interactions avec la matière étant responsables de l’activation ont été étudiés en détail et implémentés dans une simulation Monte Carlo. Sur la base de ces champs d'irradiation de particules secondaires calculés, les activités des radionucléides ont pu être calculées analytiquement à l'aide d'ActiWiz, un outil logiciel récemment développé par le CERN. Par la suite, nous avons appliqué ce modèle pour la caractérisation des bobines du cyclotron dans l’objectif de déterminer la distribution tridimensionnelle des produits d'activation et de leurs activités après 15 ans d’utilisation. Les résultats de simulations ont été comparés à des mesures expérimentales pour validation. Dans un second temps, ce même modèle a été étendu pour la caractérisation de matériaux situés à l’extérieur de la machine, tout autour de son bunker. Dans le but de valider nos expériences, les résultats de simulation ont été comparés aux résultats expérimentaux en utilisant des échantillons activés. Ce travail a permis de montrer que ces méthodes et outils peuvent être appliqués pour la caractérisation de matériaux issus d'accélérateurs utilisés dans le domaine médical. Malgré une précision limitée, des conclusions claires concernant la gestion des déchets radioactifs et les risques associés ont pu être formulés pour l'expert en radioprotection. Des études détaillées sur les limites de l'approche ont été réalisées et sont présentées dans cette thèse