Brevet FR2011776A1 — publié le 19700306

La présente invention concerne un procédé pour l'enregistrement ou le développement des traces formées par des particules nucléaires chargées dans une pièce à l'état solide afin que ces traces soient visibles. 5 Conformément à l'invention, le procédé pour l'enregistrement des traces de particules utilise un élément pouvant être un solide cristallin tel que du mica ou une matière non cristalline telle qu'un verre minéral ou une matière plastique polymère. Quand cette pièce est irradiée par des particules chargées, des traces d'en-10 dommagement sont formées dans la matière par altération locale de la structure de la matière le long des trajectoires des particules. Ces traces d'endommageaient sont ensuite rendues visibles par l'application sur la pièce d'un solvant attaquant préférentiellement la matière altérée le long des traces d'endommagement. Les traces 15 individuelles sont visibles sous un microscope optique après ce traitement de "gravure". Avant la gravure les traces ne peuvent en général pas être détectées. Comme les traces individuelles ont tendance à diffuser la lumière, les zones contenant un grand nombre de traces étroitement espacées sont visibles à l'oeil nu sous 20 la forme d'une zone blanche diffusant la lumière. Un grand nombre d'utilisations a été trouvé pour ces procédés d'enregistrement des traces des particules et pour les matières utilisées dans ce but. Quand la pièce irradiée est sous la forme d'une feuille ou d'un film mince, les trous ou perforations 25 traversent entièrement la feuille ou le film. Les feuilles perforées ainsi formées sont utiles comme filtres à membranes parce que les perforations individuelles ont des diamètres de l'ordre de 5 000 à 20 000 A. Ces techniques sont utilisées aussi pour la radiographie des 30 neutrons. Bien que la présente technique d'enregistrement des traces donne d'excellents résultats dans les différents domaines considérés ci-dessus des perfectionnements restent désirables. Pour la production des filtres, il est hautement désirable 35 Que les perforations soient sensiblement cylindriques. Si les perforations sont relativement larges à la surface de la feuille et étroites au milieu de la feuille, les particules de la solution devant être filtrées peuvent partiellement pénétrer dans les perforations et être coincées dans les zones étroites, en provoquant 69 21859 2 2011776 l'obstruction du filtre. Quand la solution de gravure attaque la masse de la-feuille pour l'attaque de la matière des traces d'en-dommagement, les perforations obtenues ont cette forme non cylindrique indésirable. Il est par suite d'une grande importance que 5 la solution de gravure dissolve sélectivement la matière altérée le long des traces d'endommageraent k une vitesse bien supérieure à celle à laquelle elle dissout la masse de la feuille. Certaines matières ayant des caractéristiques physiques permettant la formation d'excellents filtrés, de feuilles de détec-10 teurs radiographiques, et autres, ne conviennent pas bien pour l'enregistrement des traces de particules, car aucun solvant n'est disponible pour attaquer la matière altérée le long des traces à une vitesse suffisamment supérieure à celle de l'attaque de la masse de la féuille. Bien que ces matières soient utiles dans des 15 cas particuliers elles ne permettent pas d'obtenir des filtres, des détecteurs radiographiques, et autres ..éléments avant les qualités supérieures désirables. De plus, certaines des combinaisons utiles de matières en feuilles et d'agents de gravure donnant de bons résultats entrai-20 nent une vitesse de gravure trop lente. Quand l'agent de gravure attaque la matière altérée très lentement, il a été essayé d'augmenter la vitesse de gravure en chauffant l'agent de gravure, ou d'une autre façon. Cependant, une action encore plus rapide est souvent désirable, par exemple pour la production de filtres con-25 tinus en bandes longues. Il subsiste par suite le besoin de perfectionner la formation et le développement de traces de particules chargées dans des éléments à l'état solide. La présente invention a pour objet un procédé suivant lequel 30 l'élément à l'état solide est exposé à de l'énergie ultraviolette en présence d'oxygène après l'irradiation de cet élément par des particules chargées et avant le traitement des traces par un solvant attaquant sélectivement la matière altérée le long de ces traces. 35 Les caractéristiques de l'invention ressortiront plus parti culièrement de la description suivante, donnée à titre d'exemple, et faite en se référant au dessin annexé, sur lequel î la figure 1 représente le schéma général des opérations successives du procédé d'enregistrement selon un mode de mise en 69 21859 2011776 oeuvre de l'invention. la figure 2 est une vue schématique en perspective d'une partie d'une feuille d'enregistrement de traces après l'irradia-tion par des particules chargées, et 5 la figure 3 représente la feuille de la figure 2, après le traitement par une solution de gravure sélective. La figure 1 est le schéma général des opérations successives du procédé selon un mode de mise en oeuvre préféré de l'invention. Le rectangle 10 rêprésente là préparation d'un matériau 10 d'enregistrement de traces. Comme il est expliqué plus en détail ci-après, il est possible d'utiliser une grande variété de matériaux ou de matières. Des matières les plus satisfaisantes peuvent être choisies d'après un jeu donné de circonstances d'après les conditions de manipulation, le type des particules chargées devant 15 être enregistrées, et autres. La feuille de matière pour l'enregistrement des traces est irradiée par des particules chargées de la façon indiquée en 11 pour la formation de traces d ' endommageaient formées de matière altérée le long des parcours ou des trajectoires des particules 20 chargées dans la matière. La matière irradiée est ensuite exposée à l'ultraviolet en présence d'oxygène de la façon indiquée en 12. Comme il est expliqué ci-après, et bien que le mécanisme ne soit pas entièrement élucidé, ce traitement permet une gravure sélective de la matière 25 altérée le long des traces d'endommagement, bien plus rapide qu'en l'absence de ce traitement. De plus, les traces gravées formées après ce traitement ont tendance à avoir des formes cylindriques bien plus uniformes. Quand ce traitement n'est pas utilisé, de bonnes traces gravées ne peuvent être obtenues qu'avec un vieil-30 lissement prolongé, et les traces résultantes ont tendance à être coniques ,. étant plus larges à la surface de la matière. i La matière traitée est ensuite mise en contact avec une solution de gravure, de la façon indiquée en 13* qui attaque et dissout sélectivement la matière altérée le long dés traces, et 35 élargit les traces d'endommagement au diamètre désiré. Comme il est expliqué ci-après, il est possible d'utiliser des solutions et des conditions de gravure très divises , suivant les besoins. Bien que ces solutions attaquent la massé de la matière d'enregistrement des traces, elles attaquent bien plus rapidement la 69 21859 4 2011776 matière altérée le long des traces d'endommagement. Finalement, la matière est enlevée de la solution de gravure, est rincée (en général à l'eau) et est séchée de la façon indiquée en 14. 5 La feuille obtenue est alors disponible pour l'utilisation finale. Les traces individuelles sont visibles au microscope optique, et le grand nombre de traces d'une petite zone sont visibles à l'oeil nu sous la forme d'une zone d'aspect blanc diffusant la lumière. 10 Les figures 2 et 3 représentent schématiquement la matière d'enregistrement dés traces respectivement après l'irradiation par les particules chargées et après la gravure. Comme le montre la figure 2, la matière d'enregistrement des traces 20 comporte un grand nombre de traces d'endommagement 15 21 sensiblement invisibles résultant du passage des particules chargées. Ainsi que le montre la figure 2, les particules ont pénétré dans la matière sous différents angles. Bien entendu,les particules peuvent être collimatées si cela est désiré afin que touter pénètrent sensiblement sous le même angle. Dans ce cas, les 20 traces sont pratiquement invisibles. La figure 3 représente la matière 10 après son traitement par la lumière ultraviolette en présence d'oxygène et après la gravure. Des trous ou perforations traversant entièrement la matière d'une façon indiquée en 22 sont formés aux endroits où des 25 particules de grande énergie oiit traversé entièrement la matière. Les particules d'énergie plus faible se traduisent par des piqûres ou trous ne débouchant pas sensiblement cylindriques tels que les piqûres 23. N'importe quelle résine synthétique convenable peut être 30 traitée par le procédé selon l'invention. Des exemples typiques de résines synthétiques sont les résines de polyesters telles que les polycarbonates et les téréphtalates de polyéthylène, les matières cellulosiques telles que le nitrate de cellulose et l'acétate de cellulose, et des mélanges de ces matières. Quand les 35 particules chargées formant des traces sont des particules alpha, les matières cellulosiques sont préférables, tandis que les polycarbonates sont préférables quand les traces doivent être formées par des fragments de fission relativement lourds. N'importe quelle source convenable de particules chargées 69 21859 5 2011776 peut être utilisée. Des exemples typiques de sources sont des isotopes à fission naturelle tels que le californium 252, les isotopes se désintégrant par émission de particules alpha, tels que le radium 226 et l'américium 241, des matières telles que l'uranium 5 2^5 fissile émettant des produits de fission quand elles sont irradiées par des neutrons, le bore 10 qui émet des particules alpha sous l'irradiation par des neutrons et des accélérateurs de particules atomiques et sous-atomiques. N'importe quel agent convenable de gravure peut être uti-10 lisé pour élargir des traces d'endommagement au diamètre désiré. L'agent de gravure peut être une solution aqueuse ou non aqueuse d'agents catalyseurs acides ou basiques ou d'agents "Redox". Des agents de gravure typiques sont l'hydroxyde de sodium, l'hydroxyde de potassium , l'hydroxyde de lithium, l'acide chromique, le per-15 manganate de potassium, l'hydroxyde d'ammonium, le t-butoxyde de potassium, l'hydroxyde d'ammonium tétrapropyle et leurs mélanges. Bien que n'importe quelle concentration puisse être utilisée, une solution concentrée est en général préférable pour un élargissement plus rapide des traces. De même, bien que n'importe quelle 20 température de la solution de gravure puisse convenir, il est en général préférable de chauffer la solution (mais pas à l'ébulli-tion) pour augmenter la vitesse d'élargissement des traces. Les meilleurs résultats sont en général obtenus avec une solution 6N d'hydroxyde de sodium à environ 80°C avec agitation de la solution 25 pendant le traitement. La feuille peut être traitée avec la solution de gravure pendant n'importe quelle durée convenable. Quand cette durée est trop courte, les traces peuvent ne pas avoir un diamètre suffisant pour l'utilisation envisagée et des durées trop importantes de 30 traitement peuvent provoquer une attaque excessive de la masse de la feuille, La durée optimale de traitement varie bien entendu d'après la matière formant la feuille, l'agent de gravure, la dimension désirée pour les pores et la concentration et la température de la solution de gravure. Par exemple, dans lê cas d'une 35 feuille *en polycarbonate traitée par une solution d'hydroxyde de sodium à 6N à environ 60°C, un séjour d'environ 20 minutes dans la solution permet dès traces entièrement développées d'un diamètre d'environ 0,3 micron. Comme il est indiqué plus particulièrement dans les exem- 69 21859 6 2011776 pies ci-après, le traitement de la feuille irradiée par les particules chargées par la lumière ultraviolette en présence d'oxygène améliore considérablement la gravure de la matière altérée le long des traces des particules chargées. Bien que l'améliora-5 tion considérable résultant de ce traitement intermédiaire ne soit pas entièrement expliquée, il peut être estimé qu'une photo-oxydation des radicaux de la matière altérée est catalysée par l'énergie ultraviolette et plus probablement dans la région de l'ultraviolet moyen ou proche. 10 La présence d'oxygène peut résulter simplement du traite ment dans l'air par l'ultraviolet. Bien que ce traitement puisse avoir lieu dans une atmosphère plus riche en oxygène ou même dans de l'oxygène pur, les résultats sont sensiblement les même que dans l'air atmosphérique. 15 N'importe quelle source d'énergie ultraviolette petut être utilisée. De préférence, l'énergie ultraviolette correspond aux longueurs d'ondes de l'ultraviolet moyen et proche. L'invention est illustrée plus particulièrement par les exemples suivants dans lesquels les parties et les pourcentages 20 sont en poids, sauf si spécifié. EXEMPLE 1 Un filtre d'une résine de polycarbonate connu sous la marque déposée "Kimfol" d'une épaisseur de 12,7 microns est placé à côté d'une source contenant du californium 252. Le californium 25 252 qui est un isotope fissile naturellement, "est déposé par voie éléctrolytique sur un support en platine sous la forme d'une couche très mince. Les fragments ou produits de fission résultant de la fission du californium 252 sont collimatés au moyen d'une pièce en aluminium en nid d'abeillé comportant des alvéoles hexagonaux 30 d'un diamètre d'environ 3>2mm et d'une longueur d'environ 16 mm. Les fragments de fission côllimatés sont dirigés contre le film en polycarbonate sous un angle d'environ 15° afin que la longueur des traces gravées formées le long des traces produites par les fragments de fission puissent être facilement mesurées. L'irradia-35 tion est effectuée sous vide pour assurer une profondeur maximale des traces. Bien que l'irradiation puisse avoir lieu dans l'air, l'hélium ou d'autres gaz, une telle atmosphère a tendance à réduire l'énergie des fragments de fission, entraînant des traces plus courtes. 69 21859 7 2011776 Le film irradié est ensuite brisé en plusieurs morceaux. Un premier morceau est immédiatement gravé dans une solution d'hydroxyde de sodium à 6N à environ 60°C pendant environ 15 minutes. La feuille est ensuite rincée, séchée et examinée. Aucune tra-5 ce n'est visible sous le microscope d'une puissance de 1250., Les autres pièces du film irradié sont exposées à l'énergie ultraviolette d'une lampe à vapeur de mercure H3T7 de la General Electric Company fonctionnant sous 120 V à 2,1 A. Ces pièces sont exposées pendant différentes durées avec différentes distances entre la lamps et les pièces. Chaque pièce est ensuite gravée dans une solution d'hydroxyde de sodium telle que décrite ci-dessus. Les feuilles sont ensuite examinées avec un microscope d'une puissance 800. Les distances de la lampe à ultraviolet, les durées d'exposition et les longueurs des traces en microns sont données 15 par le tableau ci-après. TABLEAU Durée d'exposition Distance entre la lampe et l'échantillon(cm) ( minutes) _J 2 3 0,5 168 environ 30 néant 20 1,0 275 environ 60 néant 5,0 458 320 122 10,0 ' 488 488 305 Une trace entièrement développée a une longueur d'environ 16 microns, car c'est la distance de pénétration du fragment de fission. Le diamètre des traces entièrement développées est d'environ 0,2 micron et ces traces sont sensiblement cylindriques. TEMPLE 2 Un film en polycarbonate connu sous la marque déposée "Lexan" est placé à côté d'une couche de poudre d'uranium 235 fi--50 xée sur une plaque en verre. Un objet est placé contre cet ënsem-ble et les. neutrons provenant d'une "fenêtre" d'un réacteur nucléaire sont dirigés à travers l'objet. Après irradiation pendant environ 3 minutes sous un flux de neutrons d'environ 10^ neutrons par centimètre carré par seconde, cet ensemble sandwich est enlevé 35 de la fenêtre et ses éléments sont séparés. Les neutrons atteignant la couche dè U-235 provoquent la fission dans celui-ci, ce qui se traduit par des "fragments ou produits de fission qui pénètrent dans le film de polycarbonate en laissant des traces pratiquement invisibles de matière altérée le long des trajectoires. 69 21859 8 2011776 Le film de polycarbonate est ensuite coupé en quatre parties» La première partie est immédiatement gravée dans une solution d'hydroxyde de potassium à 4N à une température d'environ 60°C pendant environ 10 minutes. Après rinçage à l'eau et séchage, 5 aucun changement du film n'est constaté à l'oeil nu, et aucune trace ne peut être constatée avec un microscope d'une puissance 1 250. Cette première pièce est replacée dans la solution pour être gravée pendant 30 minutes supplémentaires. Après un nouveau rinçage et séchage la présence de traces ne psut toujours pas être détectée 10 au microscope à puissance 1 250. lie second morceau du film est exposé à l'ultraviolet d'une lampe à vapeur de mercure H3T7 du type indiqué dans 1'exemple 1 à une distance d'environ 61 cm sous vide pendant environ t© minutes* Le film est ensuite placé dans la solution de gravure décrite ci- 15 dessus pendant environ 10 minutes. Le film est examiné après rinçage à l'eau et séchage. Aucune trace n'est visible, même avec le microscope d'une puissance 1 250. Après une nouvelle gravure pendant 30 minutes supplémentaires, la présence de traces n'est pas détecté au microscope. PO Le troisième morceau du film est vieilli à 1 air pendant environ 2 semaines. Le film est ensuite gravé dans la solution de gravure décrite ci-dessus pendant environ 30 minutes. Après rinçage à l'eau et séchage, ce film est examiné. Un réséau de traces est nettement visible à l'oeil nu, bien que les traces individuelles 25 . ne soient pas visibles. Une image nette de l'objet est visible devant un fond blanc. Cette image radiographique des neutrons,d'une densité variable, résulte de l'effet de diffusion'?! de la lumière par un très grand nombre de traces étroitement espacées. Dans les zornes ayant reçu un nombre plus réduit de fragments de fission (en raison de l'absorption de neutrons par l'objet, la densité de l'image est plus faible. Des pistes individuelles d'une bonne qualité mais légèrement coniques sont visibles sous un microscope d'une puissance 800» Le quatrième morceau du film est traité avec la lumière 35 ultraviolette de la lampe à vapeur de mercure HJTJ ci-dessus à une distance d'environ 61 cm pendant environ 15 minutes dans une atmosphère contenant de l'oxygène immédiatement après l'irradiation par les produits de fission. Après ce traitement, le film est immédiatement placé dans la solution de gravure décrite ci-dessus pendant 69 21859 9 2011776 environ 10 minutes. Le film est ensuite rincé à l'eau et séché. Une excellente image de l'objet par radiographie par les neutrons, de densité variable est visible à l'oeil nu. Des traces individuelles d'une excellente "qualité et d'une forme pratiquement cy-5 lindrique sont visibles sous un microscope d'une puissance 800. Il apparaît ainsi que le traitement par l'ultraviolet en présence d'oxygène permet un développement bien plus rapide des traces, et des traces d'une qualité supérieure et plus uniforme. TOfRMPLE 3 10 Une solution contenant environ un gramme par litre de'plutonium 239 est d'abord préparée. Pendant la désintégration, le plutonium 239 émet des particules alpha. Une feuille en nitrate de cellulose d'une épaisseur d'environ 2,54 mm est trempée dans cette solution pendant environ 10 minutes. Cette feuille est ensuite rincée à 15 l'eau, séchée et divisée en deux parties. A ce moment, les traces d'endommagement résultant de la pénétration des particules alpha dans la feuille ne sont pas visibles au microscope optique. La première partie de la feuille est immédiatement placée dans une solution d'hydroxyde de sodium à 6N pendant environ 5 minutes 20 à environ 40°C« La feuille est ensuite rincée à l'eau, séchée et examinée. Des traces courtes de mauvaise qualité sont visibles. La seconde partie de la feuille est exposée à la lumière ultraviolette d'une lampe à lumière noire H. 100 de la General Electric Company dans une atmosphère d'air. L'exposition totale 25 est d'environ 15 minutes à environ 1 cm de la feuille. Cette partie de la feuille est ensuite trempée pendant environ 5 minutes dans la solution de gravure décrite ci-dessus. La feuille est ensuite rincée à l'eau, séchée et examinée avec un microscope de puissance 800. Il est constaté des traces d'une qualité et d'une 30 longueur meilleures. Les traces peuvent être facilement comptées et il est constaté que cette partie de la feuille comporte environ 340 traces dans un champ de 0,05 mm • Exemple 4 Un ensemble sandwich formé d'une feuille d'aluminium d'une 35 épaisseur de 127 microns, d'une couche de 2 microns d'uranium naturel et d'un film de 25 microns de téréphtalate de polyéthylène connu sous la marque déposée "Mylar", est exposé aux neutrons thermiques dans un réacteur. L'exposition est effectuée pendant environ 1 minute à un flux de neutrons d'environ 10^ neutrons par 69 21859 10 2011776 centimètre carré par secohde. Les fragments de fission produits dans la couche d'uranium pénètrent dans le film en polyester en formant des traces d'endommagement pratiquement invisibles. L'ensemble sandwich enlevé du réacteur est examiné. Aucune trace n'est 5 visible au microscope de puissance 1 250. Le film est ensuite divisé en deux parties. La première partie est trempée dans une solution d'hydroxyde de sodium à 6N à environ 60°C pendant environ 20 minutes. Cette partie est ensuite rincée à l'eau, séchée et examinée. Aucune 10 trace n'est visible sous le microscope de puissance 1 250. Cette première partie est ensuite exposée à la lumière ultraviolette d'une lampe à lumière noire FÔT5 EL33 de la General Electric Company à une distance de 1 cm pendant 25 minutes dans une atmosphère d'air. Cette pièce est ensuite trempée à nouveau dans la 15 solution de gravure décrite ci-dessus pendant 10 minutes. La pièce est à nouveau rincée à l'eau, séohée et examinée. Des traces de bonne qualité,sont alors nettement visibles sous le microscope. La seconde partie du film est traitée à la lumière ultraviolette de la façon décrite ci-dessus, immédiatement après son en-20 lèvement du réacteur. Après gravure dans la solution décrite ei- dess.us pendant environ 10 minutes, cette seconde partie est rin- © cée à l'eau, séchée et examinée. Des traces de qualité et d'uniformité excellentes ayant des formes sensiblement cylindriques sont facilement visibles avec un microscope optique de puissance 25 800. Bien entendu, la description qui précède n'est pas limitative, et l'invention peut être mise en oeuvre suivant d'autres variantes, sans que l'on sorte de son cadre. 69 21859 n 2011776 REVENDICATIONS 1 - Procédé pour enregistrer les traces d'irradiation d'une matière par des particules chargées formant des traces d'endommagement dans la matière le long des trajets parcourus par les 5 particules chargées, caractérisé par l'exposition de la matière irradiée à de la lumière ultraviolette en présence d*oxygène et par la mise en contact de cette matière exposée à une solution de gravure attaquant et élargissant sélectivement les traces d'endommagement . 10 2 - Procédé selon la revendication 1, caractérisé par l'immer sion de la matière dans une solution de gravure formée d'hydroxyde de sodium à environ 6N à une température d'environ 50°C à environ 80°C pendant environ 5 minutes à environ 20 minutes.