Spectroscopie gamma par hélicoptère Détecter la radioactivité dans l'air – avec une plus grande précision qu'auparavant

En cas de catastrophe nucléaire, la rapidité est de mise : des chercheurs de l'Institut Paul Scherrer ont mis au point une nouvelle méthode de calcul permettant d'identifier plus précisément les matières radioactives en quelques secondes et de déterminer avec plus de précision leur quantité et leur emplacement. Cela améliore considérablement la méthode de détection actuelle utilisée depuis un hélicoptère.

Il existe des situations d'urgence, qui, espérons-le, ne se produiront jamais, mais auxquelles la société et le gouvernement souhaitent néanmoins se préparer. Parmi celles-ci figurent un éventuel rejet de radioactivité à la suite d'un accident nucléaire ou d'un attentat terroriste impliquant des matières radioactives. Pour que les autorités puissent réagir rapidement et efficacement dans de tels cas, il faut tout d’abord évaluer l’ampleur du danger pour les personnes et l’environnement. Dans de telles situations, on ferait alors appel, entre autres, à des laboratoires volants, c’est-à-dire à des détecteurs installés à bord d’hélicoptères, qui déterminent la position, la nature et la quantité de matières radioactives.

Dans le cadre de sa thèse de doctorat menée au laboratoire d'étalonnage et de calibrage du département de radioprotection et de sécurité de l'Institut Paul Scherrer (PSI) en Suisse, David Breitenmoser a mis au point des outils mathématiques qui améliorent considérablement l'analyse des données dans un laboratoire mobile : les matières radioactives peuvent être identifiées avec plus de précision, et ce en quelques secondes. Les résultats de ces recherches viennent d'être publiés dans la revue spécialisée *Nature Communications*. Cette nouvelle méthode d'analyse n'est pas seulement utile en cas de catastrophe, mais peut également être utilisée, par exemple, pour la surveillance des installations nucléaires.

L'empreinte digitale déformée

« Chaque matière radioactive possède une empreinte caractéristique due aux rayons gamma qu’elle émet lors de sa désintégration radioactive », explique Breitenmoser. Cette empreinte correspond au spectre d’énergie des rayons gamma, qui peut être mesuré à l’aide d’un détecteur spécial. En principe, la répartition des énergies des rayons gamma permet de déterminer à la fois la nature de la matière et sa quantité.

Il y a toutefois une difficulté : les photons gamma émis par le matériau – c'est-à-dire des particules de lumière à haute énergie – sont diffusés à la fois par l'air et par l'hélicoptère dans lequel se trouve le détecteur avant d'atteindre ce dernier. Cela modifie le spectre d'énergie. En d’autres termes : l’empreinte est déformée et n’est donc plus directement reconnaissable.

Afin de déterminer comment une empreinte spécifique d’un radionucléide est faussée et de calibrer le détecteur en conséquence, les chercheurs simulent ces effets sur ordinateur. Ces calculs sont toutefois très complexes et peuvent prendre plusieurs heures, voire plusieurs jours. Ils ne seraient donc pas envisageables pour des applications où le temps est un facteur critique, comme lors d’un accident nucléaire.

« Les simulations sont également très lentes parce qu’elles étaient jusqu’à présent assez inefficaces », explique Breitenmoser. Par exemple, sur les quelque dix mille photons gamma émis par une source radioactive au sol, un seul atteint l'hélicoptère – et celui-ci est encore diffusé par les nombreuses surfaces métalliques présentes dans l'appareil.

Comment mesure-t-on la radioactivité dans l'air ? Il faut un détecteur de haute technologie, un hélicoptère et un algorithme sophistiqué . David Breitenmoser du PSI explique comment cela fonctionne dans une courte vidéo YouTube. (Source : Institut Paul Scherrer PSI/Benjamin A. Senn, Markus Fischer, Monika Bletry et Mahir Dzambegovic )

Des simulations plus rapides grâce à la division

Au lieu de simuler l'intégralité du trajet des photons gamma, du sol jusqu'au détecteur en vol, Breitenmoser divise le problème en deux parties grâce à sa nouvelle méthode. La diffusion dans l'air est calculée séparément, en intégrant par exemple la température actuelle de l'air et l'altitude de vol de l'hélicoptère dans les simulations. La diffusion ultérieure à l'intérieur de l'hélicoptère, qui dépend notamment de son assiette, est prise en compte à l'aide de fonctions mathématiques calculées au préalable. Une simulation complète ne dure ainsi plus que quelques microsecondes, au lieu de plusieurs heures.

Le calcul rapide ne suffit toutefois pas à lui seul pour identifier sans aucun doute l’empreinte déformée. Comme très peu de photons gamma atteignent le détecteur, les statistiques sont extrêmement médiocres : au lieu de lignes nettes, on ne voit que des formes larges et floues. « Jusqu’à présent, la méthode de référence consistait à regrouper plusieurs valeurs d’énergie dans le spectre. Cette méthode améliore certes la pertinence statistique de la mesure, mais elle conduit à une image plus grossière et donc à moins d’informations détaillées », explique Malgorzata Kasprzak, responsable du laboratoire d’étalonnage au PSI et co-auteure de la nouvelle étude. La nouvelle approche renonce à ce regroupement. À la place, la modélisation dite « bayésienne » est appliquée directement à l’ensemble du spectre.

Résultat précis en quelques secondes

La méthode de Bayes repose sur les probabilités : pour identifier un spectre d'énergie malgré la mauvaise qualité des données statistiques, l'ordinateur simule, pour des milliers de spectres de départ possibles dans différentes proportions, la diffusion des photons gamma depuis le sol jusqu'au détecteur. Grâce à la répartition des calculs, cela se fait très rapidement. La modélisation bayésienne calcule ensuite quel spectre initial correspond le plus probablement au spectre déformé mesuré par le laboratoire volant.

« À l'avenir, cela nous permettra, en quelques secondes seulement, grâce à une mesure effectuée depuis un hélicoptère, de distinguer les échantillons faiblement radioactifs de baryum ou de césium, de déterminer leur intensité avec une grande précision et de localiser leur emplacement avec exactitude », explique Alberto Stabilini, qui participe, au nom du PSI, à la réalisation de vols de mesure aéroradiométriques en Suisse.

En mai et juin 2025, par exemple, des vols ont été effectués aux alentours des centrales nucléaires de Mühleberg et de Gösgen dans le cadre de la campagne annuelle de mesure. Lors d'un exercice international réunissant 140 participants issus de six pays, six hélicoptères et cinq drones, différents scénarios ont en outre été simulés, notamment la recherche de sources radioactives. Ces vols de mesure, qui permettent également d'établir des cartes de référence sur la radioactivité naturelle, constituent, outre la protection en cas d'urgence, un domaine d'application important pour la méthode d'analyse mise au point.

« Mais il en existe bien d'autres encore », ajoute Breitenmoser. En effet, grâce à sa grande sensibilité et à sa précision, cette méthode est généralement adaptée à la localisation et à la caractérisation de sources radioactives faibles présentes dans le sol. Cela peut s'avérer utile, par exemple, dans le cadre d'études géophysiques du sous-sol ou pour la surveillance des matières nucléaires par l'Agence internationale de l'énergie atomique (AIEA).

Publication originale : David Breitenmoser, Alberto Stabilini, Malgorzata Magdalena Kasprzak, Sabine Mayer : Spectrométrie quantitative mobile des rayons gamma par inférence bayésienne, Nature Communications, 26 octobre 2026 ; DOI : 10.1038/s41467-026-78464-2