Brevet FR2009436A1 — publié le 19700206

t 2009436. La présente invention concerne et a essentiellement pour objet un procédé pour la détermination de la composition de matières ou de matériaux de tous types ou encore pour la surveillance ou le contrôle de processus, d'opérations ou de phénomènes 5 technico-chimiques ou biologiques, ainsi qu'un dispositif pour l'exécution dudit procédé et les diverses applications et utilisations résultant de leur mise en oeuvre et les systèmes,ensembles appareils, équipements et installations pourvus de tels dispositifs. 10 L'invention est caractérisée en ce que la matière ou les milieux ou agents,participant aux processus, opérations ou phénomènes, sont bombardés de préférënce avec des neutrons lents et des conclusions correspondantes sur la matière ou les phénomènes ou processus opératoires sont déduites du rayonnement secondaire, 15 en particulier d'un rayonnement gamma instantané ou immédiat qui en résulte. Selon une autre particularité de l'invention, celle-ci est caractérisée par une application à la détermination ou au dosage des quantités relatives, proportions ou teneurs en carbone , 20 en oxygène, en maganèse, en silicium, en phosphore, en soufre, en chrome , en tungstène , en molybdène, en cobalt, en aluminium, en plomb, en antimoine, en titane et en d'autres éléments accompagnateurs dans des procédés de fabrication ou d'élaboration de 25 l'acier, en particulier dans des procédé à soufflage. L ' invention sera mieux c emprise et d'autres buts, caractéristiques, détails et avantages de celle-ci apparaîtront au cours de la description explicative qui va suivre en se reportant aux dessins 30 schématiques annexés, donnés uniquement à titre d'exemples illustrant plusieurs modes de réalisation de l'invention auxquels l'invention n'est pas limitée et dans lesquels : - la figure 1 représente une vue en élévation partiellement en coupe d'un convertisseur métallurgique équipé d'un dispositif 35 conforme à l'invention ; - la figure 2 représente, à plus grande échellejun détail de la figure 1 montrant de nouveau les conditions existant lors de l'impact des neutrons thermiquement modérés ; - la figure 3 est une vue fragmentaire en coupe longitudinale d'une lance de soufflage d'oxygène refroidôe pareâi, à l'intérieure de laquelle est conduit un faisceau ou rayonnement ionique ; BAD ORIGINAL 69 17278 2 2009436 - la figure 4 représente une vue semblable à la-figure 1, montrant un autre exemple-de réalisation ; -la f igure 5 est une vue similaire d1 encore un autre, mode d'exécution ; : ■ 5 -la figure 6 est un schéma illustrant le procédé conforme à l'invention; - la figure 7 est un diagramme représentant graphiquement les raies spectrales du fer pour divers niveaux d1énergie pour 10 démontrer le. grand pouvoir de résolution du procédé conforme à l'invention ; - la figure 8 représente un spectre aux rayons gamma d'un échantillon contenant beaucoup de phosphore. Dans la forme de réalisation selon la figure 1, le chiffre de 15 référence 1 désigne un convertisseur métallurgique tandis que le repère 2 désigne le bain ou la masse fondue. Par le générateur de neutrons 3, un faisceau ou rayon ionique 4 est tiré sur une cible 5 qui se touve à l'intérieur du convertisseur 1 et en fait au-dessus du bain ou de la masse fondue 2= Grâce à ce bombardement, 20 des neutrons sont émis par la cible 5, lesquels sont thermalisés par le modérateur environoaat ou entourant 6 et arrivent ou percutent ainsi sur la surface supérieure du bain 2 comme-cela est indiqué en 7• En général, la profondeur de pénétration y sera d'environ 10cm. Grâce à ce bombardement, des rayons, gamma ins-25 . tantanés ou immédiats émergent ou sont émis alors, comme cela est indiqué en 8. Un faisceau de tels rayons gamma (voir la ligne 9) parvient alors, à travers la fenêtre 10, jusqu'à un détecteur de rayonnement gamma 11 qui est monté sur un support ou analogue 12. Par le repère 13 est désigné le palier rotatif ou tournant du 30 convertisseur. La figure 2 permet encore une fois de reconnaître, à échelle agrandie, les conditions existant lofs de lrimpact d'arrivés des neutrons modérés thermiquement» Les -neutrons thermiquement modérés percutent.le noyau atomique 14? ■grâce à quoi des radiations-gamma 35 instantanées otL immédiates, sont émises.. Du point de vue construc-tifj-le faisceau ou rayonnement ; ionique -.4- -est ■ conduit travers... : . ' la.--lance J5S. qui comprime oti presse parexemple, de l'oxygène, ■ pro-...vei-iaîat â^un ventilateur de; soufflageen-..16 ^sur-,la surface supé- f? ^ BAD ORIGINAL 69 17278 3 2009436 \ V rieure du "bain 2.Si l'on fait passer le faisceau ionique à l'intérieur -de la lance à oxygène 15, il en résulte un agencement compact ou une structure ramassée et peu encombrante, ce qui est avantageux du point de vue de la construction et de l'exploitation. 5 Sur la figure 3 est visible un tel agencement correspondant, dans ses particularités fondatffeittàles constructiv.es. La lance à oxygène 15 est alors refroidie pareai. Dans l'eau de refroidissement est prévu un tube mobile 31 pour le guidage du faisceau ou rayonnement ionique, comme cêla est indiqué par la flèche 32. Le 10 tube 31 peut évidemment être fixé ou maintenu dans une position déterminée désirée. Par le chiffre de référence 5 est à nouveau désignée la cible qui émet des neutrons. Par réglage de la distance désignée par le repère 33s on a la possibilité de modérer, de ralentir ou de freiner plus ou moins les neutrons émis par 15 la cible 5- L'action de ralentissement, de modération ou de freinage dépend de l'étendue du parcours des neutrons à travers l'eau (distance 33). La figure 4 représente un autre exemple d'exécution. Les mêmes éléments sont pourvus des mêmes chiffres de référence comme dans la figure "t. La différence consiste maintenant en ce 20 que des neutrons sont tirés, par le générateur de neutrons 3 qui comprend ici également le modérateur 6, à l'intérieur de l'angle d'ouverture des lignes 17 sur la surface supérieure du bain 2. Il en résulte à nouveau démission de rayons gamma instantanés ou immédiats qui parviennent à travers la fenêtre 10 jusqu'au détec-25 teur de rayons gamma 11. La lance à oxygène 15 est disposée pour être séparée de celui-ci de la manière usuelle. Dans le cadre de cette construction, on peut utiliser des convertisseurs classiques avec des lances déjà incorporées ; il est seulement nécessaire que le générateur de neutrons et le détecteur de rayons ■jq gamma soient associés ou montés en complément au convertisseur, auquel cas, au besoin, la fenêtre 10 déjà décrite pour le rayonnement gamma instantané ou immédiat et aussi une fenêtre 18 pour l'entrée des neutrons peuvent être pçévues pour le passage des divers rayonnements ou radiations. Les deux fenêtres 10 et 18 35 sont situées loin au-dessus du bain 2, de sorte qu'auaun risque ou danger n'existe, même lors du basculement du convertisseur 1. Les deux fenêtres précitées ÎO et 18 peuvent aussi être prévues BAD ORIGINAL 69 17278 4 2009436 dans la paroi du couvertisseur 1, qui est amenée ou orientée vers le haut lors du basculement. L'angle solide, entre les-deux fenêtre^ est alors inférieur à 180°. La figure 5 montre une autre construction de ce type, 5 dans laquelle le générateur de neutrons 3 et le détecteur de rayons gamma 11 sont placés d'un côté du convertisseur 1 et en fait, à proximité du palier tournant ou pivotant 13. L'avantage de ce mode de construction réside dans le fait que les parcours ou distances de rayonnement sont extrêmement courts-. Ceci s1 accompa-10 ge d'une augmentation du rendement. Ceci a lieu en particulier quand la cible 5 est prévue dans la paroi du convertisseur 1, comme cela est indiqué. Le montage de la cible doit évidemment être exécuté de telle façonqu'à cet emplacement, on puisse résister à la pression du bain ou de la masse fondue 2, même en cas 15 de garnissage ou de revêtement réfractaire usé. Il est à noter qu'une application simultanée ou intermittence à différents éléments de volume de la substance à étudier est possible conformément à l'invention, cto- peut ainsi déterminer des différences existant dans la composition ou dans la variation de ces conditions au 20 cours du processus opératoire ou du temps ou de la période de traitement. On peut ainsi contrôler par exemple la réussite d'un recuit de diffusion. L'exploitation ou l'utilisation de l'effet de volume peut être exécuté par exemple lors du contrôle d'une imbibition de briques ou de pierres, c'est-à-dire qu'on peut 25 constater si une pierre ou brique déterminée a été imbibée entièrement ou seulement partiellement. Un contrôle corrélatif lors de l'imprégnation est également possible. Le procédé conforme à l'invention peut être expliqué dans son principe en se reportant à la figure 6 : 30 Les neutrons arrivent ou percutent en 7 sur l'échantillon d'essai ; ou éprouvette ou sur le bain ou la masse fondue 2. Des rayons ou quanta gamma instantanés ou immédiats sont alors émis, comme cela est indiqué en 8. Les neutrons sont' amenés de préf érence avec une énergie déterminée mono-énergétique ou homogène sur 35 1*échantillon 2, auquel cas ladite énergie mono—énergétique correspond au niveau de résonance de 11 échantillon 2 (noyan atomique} . Un spectre gamma spécial 8 est alors émis. Il est cependant à noter que la présente invention n'est ; ' l»- Ci..--r BAD ORIGINAL 69 17278 5 2009436 pas limitée à cë mode de réalisation préférentiel précité. Le rayonnement gamma 8 est alors dirigé sur un détecteur 19-dopé au germanium-lithium, qui est rempli d'azote. La quantité de charge produite parvient alors à un préamplificateur 20, par 5 exemple du type Modèle 118a de la firme Ortec. L'impulsion de tension,produite dans le préamplificateur, est ensuite amenée à un amplificateur principal 21, par exemple du type Modèle 440a de la firme Ortec. L'impulsion 22 plusieurs fois amplifiée, qui en résulte alors, peut être utilisée de diverses manières. 10 Conformément au schéma de la figure 6, l'impulsion 22 est amenée à une machine calculatrice- ou à un ordinateur analogique-numérique 23 et transférée de .là à un calculateur ou ordinateur numérique ou digital 24. Le calculateur numérique agit sur un système de commande ou de pilotage automatique de processus opératoire 25, 15 qui règle ou pilote de son côté un processus de soufflage. Par ailleurs l'impulsion 22-peut cependant aussi être utilisée pour la commande ou régulation automatique de processus opératoire par l'intermédiaire d'un calculateur analogique 26. Comme calculateur numérique 24, on peut utiliser par exemple la machine I.B.M. 1800. 20 La commande automatique de proc.essus opératoire agit sur les divers paramètres du procédé opératoire de soufflage. Ces paramètres sont essentiellement : quantité ou débit d'alimentation en oxygène, pression d'oxygène, agencement de la lance dans l'espace, en particulier de l'embouchure de- lance relativement 25 à la surface supérieure du bain(lieu ou empla.ceme.nt Et direction ou orientation). De ce fait, -des éléments accompagnateurs-ou des impuretés ou bien des éléments d'addition du bain doivent, chaque fois à volonté, être obtenus-ou éliminé en des quantités déterminées. 30 Comme exemple du grand pouvoir de résolution du procédé conforme à l'invention, qui permet pour la première fois une application technique,les. raies spectrales du fer pour 76.24,6 et 7639 keV sont représentées sur la figure 7- Sur la figure. 8 est représenté un spectre ...gamma pour un 35 échantillon contenant beaucoup de phosphore. Le phosphore-présente la raie spectrale à.6785 et 7422 fcel/>- Le doublet de fer,, tel que représenté sur ..la. figure- 7 >-• .est tracé.en. supplément pour BAD ORIGINAL 69 T7278 6 2009436 l'étalonnage. On peut également reconaître ou déceler trne-Impureté à base de plomb. On voit qu'avec l'utilisation conforme à l'invention à titre d'exemple du spœtromètre associé à celle-ci (spec-tromètre dopé au germanium-lithium, fabriqué par, la demanderesse), 5 la séparation ou résolution des raies du fer et du phosphore est si bonne pour la qualité obtenue, que les raies sont écartées si loin les unes des autres qu'une exploitation quantitative des données est possible pour la commande automatique ou la pilotage de l'opération de soufflage. Ceci est logiquement valable pour 10 tous les éléments accompagnateurs susceptibles d'être en question. La commande ou le pilotage automatique d-U processus opératoire peut s'effectuer aussi bien par les raies spécifiques des divers éléments individuels qu'également par l'exploitation combinée: des raies de plusieurs éléments„ 15 Par un arrêt de courte durée du jet de soufflage d'oxygène,, il existe la possibilité d'amener le laitier ou la scorie, qui est habituellement écarté par soufflage, dans le domaine ou la région d'analyse et d'exécuter ainsi également une analyse de laitier ou de scorie(avec le même dispositif). 20 En ce qui concerne l'objet de l'invention, on mentionnera ■ encore ce qui suit : 1°) Conformément à l'invention, on obtient un contrôle optimal et continu du processus opératoire lors de l'élaboration ou de la fabrication de l'acier, lors du déroulement de réactions 25 chimiques fortement réactives et pour l'observation de phénomènes ou processus biologiques, et cela, sans .activation essentielle des échantillons étudié"s ? le processus (neutron^ gamma) est appliqué par 1utilisation du rayonnement gamma instantané ou. immédiat. . 3"0 2°) Dans les procédés d5 élaboration ou. de fabrication de ■; l'acier, l'analyse vise d'une façon prépondérante la détermination de la quantité d1oxygène nécessaire* Conformément à,l'invention, ..des éléments du type carbone, oxygène, manganèse, silicium, • phosphore, soufre,, chrome, tungstène, molybdène,, cobalt, alumi-35 niuaip plombf antimoinej ;tita.ne et :autres éléments accompagnateurs" sont utilisables de manière, avantageuse ..pour l'analyse e%:-la._ o eonnTjande ou le pilotage a|utomatiqxie ^continH . d 'un ;processus .. Q.pé- BAD ORIGINAL 69 17278 7 2009436 ratoire, auquel cas quelques uns de ces éléments n'étaient auparavant absolument pas décelables à cause de 11activation neutro-nique. Par variation de la pression droxygène, de la position de lance et de l'analyse du bain ou de la masse fondue en divers 5 emplacements du volume, on réussit une commande automatique optimale du processus opératoire. 3°) l'analyse est possible conformément à l'invention par des procédés de spectroscopie gamma à grand pouvoir de résolution, tels qu'ils sont réalisés par exemple au moyen de semi-conducteurs 10 d'un type tel qu'au germanium (lithium), silicium (lithium), indium-antimoine, cadmium-tellure, la spectroscopie gamma directe empêcherait cependant ici également une comparaison d'intensités en raison du fond ou mouvement propre trop grand. Par exploitation du phénomène de production de paires, on peut trouver un dispositif 15 électronique où la mesure d'énergie^t d'intensité'des quanta gamma caractéristiques est possible pour le contrôle continu des éléments précédemment mentionnés. 4°) la présente invention utilise ou exploite principalement des neutrons lents ou moyennement rapides pour permettre une 20 détermination d'intensité précise et continue en un temps tout à fait court. (Grande section efficace). Selon un exemple conforme à la figure 6, des générateurs de neutrons ? émettant un million de particules par centimètre carré et par seconde, sont déjà suffisants pour le procédé mentionné ci-dessus. 25 5°) L'énergie définie des neutrons est essentielle pour le procédé, car les spectres gamma des différents éléments à analyser sont indépendants de l'énergie. Il est donc recommandé de mettre en évidance ou faire ressortir un élément déterminé par une énergie neutronique déterminée, afin d'employer ainsi également 30 des quantités minimales de cette substance pour le contrôle du processus opératoire.. L'une des mesures employées est un affaiblis-• sement ou une eollimation des énergies gamma à l'aide de la réflexion connue de BEAG&, par exemple des conducteurs neutroni que s, tandis qu'une autre est constituée par des procédés de durée d'action. 35 6° ) Un autre perfectionnement et détachement contre le fond ou mouvement propre est possible par le. fait qu'un rayon ou faisceau neutronique est amené ou appliqué sur les échantillons 69 17278 8 2009436 à des courts intervalles de temps et qu'entre temps, pendant les périodes intermédiaires, les niveaux de durée de vie du rayonnement gamma instantané ou immédiat sont utilisés pour l'analyse caractéristique. 5 7°) Utilisation du spectromètre intégrateur ou additionneur de Compton en combinaison avec un spectromètre intégrateur ou additionneur aux paires. 8°) Combinaison de détecteur. Comme cela a déjà été indiqué, l'invention n'est pas limitée ■]g aux exemples "de réalisation représentée. C'est ainsi que par exemple le tube ionique pour le passage ou guidage des ions pourrait être prévu également de manière déplaçable et immobilisable ou . fixablemême au centre de l'alimentation ou amenée d'oxygène. A l'extrémité du tube ionique se trouve à nouveau la 15 cible. Si l'on règle diverses distances de parcours ou de trajectoire de rayonnement . pour les neutrons émis par la cible, relativement à la matière à examiner ou à étudier, il en résulte à volonté différentes conditions de rayonnement pour les neutrons ou également une action différente de ralentissement de freinage ou de 20 modération. Bien entendu, l'invention n'est nullement limitée aux modes de réalisation décrits et représentés qui n'ont été donnés qu'à titre d'exemple. En particulier, elle comprend tous les moyens constituant des équivalents techniques des moyens décrits, ainsi 25 que leurs combinaisons, si celles-ci sont exécutées selon l'esprit de l'invention. 17278 9 2009436 REVENDICATIONS ***************************** 1 - Procédé de détermination de la composition de matières de tous types ou pour la surveillance ou le contrôle de processus technico-chimiques ou "biologiques, caractérisé en ce qu'il consiste à bombarder ladite matière ou les agents ou milieux, participant auxdits processus, avec des neutrons de préférence lents et à déduire des conclusions correspondantes sur ladite matière ou sur lesdits processus à partir du rayonnement secondaire, en particulier d'un rayonnement gamma instantané ou immédiat, qui en résulte. 2 - Procédé selon la revendication 1, caractérisé par une application à la détermination ou au dosage des. quantités relatives, proportions ou teneurs en carbone, en oxygène, en manganèse, en silicium, en phosphore, en soufre, en chrome, en tungstène, en cobalt, en aluminium, en plomb, en^iolybdène, en antimoine, en titane ou en d'autres éléments accompagnateurs dans des procédés de fabrication ou d'élaboration de l'acier, en particulier dans des procédés à soufflage. 3 - Procédé selon la revendication 1, caractérisé par une application à des processus biologiques, tels que la concentration et le déplacement de substances (dosage du fer dans le sang, du sodium dans les ongles, de l'iode dans les glandes-thyroïdes, du fluor dans les dents et analogues). . • 4 - Procédé selon l'unedes revendication 1 à 3, caractérisé en ce que le faisceau ou rayon neutronique est appliqué d'une façon intermitante à l'échantillon et les quanta ou rayonsgamma, émis pendant les pauses ou intervalles de repos,sont utilisés pour déduire des conclusions. 5 - Procédé . selon l'une des revendications précédentes , caractérisé en ce que le faisceau neutronique précité parvient à l'émission avoc des énergies discrètes qui correspondent auxniveaux de résonance du noyau atomique (de l'élément d'échantillon), ce qui a pour conséquence que l'élément particulier de l'échantillon se détache fortement par- rapport aux autres éléments. 6 - Dispositif pour l'exécution du procédé selon l'une des revendications 1 à 5i>our l'élaboration d'acier par soufflage 69 17278 10 2009436 d*oxygène, caractérisé en ce que la lance à oxygène est employée également pour conduire un faisceau ionique en son intérieur. 7 - Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que la lance à oxygène précités est refroidie par eau - et un 5 tube est prévu de façon à être mobile et immobilisable pour guider ou faire passer le faisceau ionique précité dans l'eau de refroidissement, de sorte que,- par réglage correspondant de la distance d ' éloigîïement de la cible à bombarder à lrextrémité correspondante de la lance, une action de ralentissement, de modé- 10 ration ou de freinage des neutrons, convenablement adaptée, est réglable (en raison du parcours desdits neutrons à travers lteu de refroidissement) 8 - Dispositif selon la revendication 6 ou 7,caractérisé par un générateur de neutrons et un détecteur de rayonnement gamma 15 prévus à l'extérieur et sur divers côtés du convertisseur. métallurgique, tandis que les rayonnements sont conduits respectivement de préférence à travers des fenêtres ou analogues. 9 - Dispositif selon la revendication 6 ou 7, caractérisé par un générateur de neutrons et un- détecteur de rayons gamma 20 placés à l'extérieur et du même côté du convertisseur métallur- -gique.