Brevet FR2006579A1 — publié le 19691226

La présente invention concerne les dosimètres et les procédés pour enregistrer et mesurer les doses de radiations. Dans le domaine de la dosimétrie avec des dispositifs à l'état solide, deux systèmes généraux sont actuellement utilisés, la thermoluminescence et la radiophotoluminescence. Suivant ces techniques antérieures, le choix de l'un ou de l'autre de ces systèmes dépend des avantages et des inconvénients relatifs de chaque système pour une application particulière. Des cristaux tels que les cristaux de LiE sont utilisés dans la détection par thermoluminescence pour absorber et pour emmagasiner l'énergie reçue des radiations. Bien que l'emmagasinage de cette énergie ne provoque aucun changement visible dans le cristal, le cristal devient luminescent quand il est chauffé et la quantité de .lumière émise est proportionnelle à la quantité d'énergie emmagasinée. Bien qu'un inconvénient soit la destruction de l'enregistrement'de la dose par le chauffage, ce système a l'avantage d'une réponse du dosimètre essentiellement indépendante de l'énergie d'excitation pour les rayons X et les rayons gamma et qu'elle peut par suite être plus facilement rapportée aux effets biologiques. Les détecteurs à radiophotoluminescence émettent de la lumière visible quand ils sont exposés à 1'ultraviolet et la quantité de lumière est proportionnelle dans une certaine région spectrale à la quantité intégrée de radiation à laquelle le détecteur a été exposé. Ces dosimètres, appelés des dosimètres à verre en raison de la nature de leur structure, assurent un enregistrement permanents des doses, car leur "lecture " peut être répétée sans modifier l'information emmagasinée. Cependant, ils sont plus sensibles aux rayons X qu'aux rayons gamma et il est nécessaire d'utiliser des filtres d'absorption, des lectures à rapports, etc..., pour que l'information soit rapportée à la dose dans un tissu. Ce problème est similaire à celui existant quand des émulsions photographiques sont utilisées pour la dosimétrie, ainsi que dans le cas de nombreuses,autres substances dont la réponse en photons est fonction de l'énergie. Les détecteurs à radiophotoluminescence ont ainsi 1'avantage principal de la permanence de la réponse aux radiations indépendamment du nombre de mesures ou de lectures. Cependant, depuis leur apparition il y a quelques années les dosimètres à verre ont toujours été fabriqués avec des métaphosphates activés à l'argent et la réponse de ces dosimètres dépend de l'énergie d'excitation comme il a été mentionné ci-dessus, en particulier pour des énergies de photons d'environ 10 à 300 kaV, et aussi 230 S 69 12305 2 2006579 ces dosimètres ne sont pas très stables car ils sont sujets à l'affaiblissement de l'information en particulier aux températures élevées. De plus, ces dosimètres à verre antérieurs ne peuvent pas être utilisés efficacement pour la détection précise des niveaux élevés de doses telles que celles " 5 existant dans différentes applications industrielles de radiations en raison de l'instabilité par affaiblissement et de la dépendance à l'énergie d'excitation de la décoloration servant à déterminer les accroissements des doses à ces niveaux élevés. Il est par suite nécessaire de disposer d'un dosimètre ayant 10 les avantages des deux systèmes ci-dessus pour assurer un enregistrement permanent de la-dose avec indépendance par rapport à l'énergie d'excitation pour permettre des mesures sensible^ des doses intégrées, même aux températures élevées et/ou pour des niveaux élevée de doses. La présente invention répond aux conditions ci-dessus. 15 La présente invention a par suite pour objet un dosimètre et un procédé pour l'enregistrement et la mesure des doses d'irradiation répondant effectivement aux conditions indiquées ci-dessus, le dosimètre pouvant être utilisé comme dosimètre pour niveaux faibles (personnel) ainsi que comme dosimètre pour détecter les doses élevées de radiations. Ce résultat 20 est obtenu selon la présente invention au moyen d'un verre au borate de lithium activé à l'argent avec une concentration suffisamment faible en argent pour que le verre du dosimètre dépende très peu de l'énergie d'excitation et que l'effet des radiations soit enregistré de façon permanente dans le verre. Les doses faibles sont enregistrées par radiophotoluminescence 25 et les doses élevées par formation de bandes d'absorption optique dans l'ultraviolet proche. Ce verre est plus stable aux températures élevées que les dosimètres habituels à métaphosphates. La présente invention permet ainsi pour la première fois d'obtenir un dosimètre à verre pratiquement indépendant de l'énergie, assurant un enregistrement permanent de la dose 30 et stable même aux températures élevées. Il présente aussi une différence remarquable entre la radiophotoluminescence et les Spectres d'absorption obtenus pour les neutrons thermiques et les rayons gamma. Les caractéristiques de l'invention ressortiront plus particulièrement de la description suivante, donnée à titre d'exemple et faite en 35 se référant aux dessins annexés, sur lesquels : - la figure 1 représente graphiquement les sensibilités relatives de radiophotoluminescence pour différents verres de types antérieurs par comparaison avec un verre selon la présente invention, 69 12305 3 2006.579 - la figure 2 représente graphiquement l'intensité de rayonnement spectral en fonction de la longueur d'onde d'un verre selon la présente invention exposé à l'irradiation par des rayons gamma et des neutrons thermiques pendant la stimulation par de la lumière ultraviolette 5 à 365 millimicrons normalisée pour une intensité de pointe égale à 100, et - la figure 3 est un graphique de l'intensité relative de radiophotoluminescence en fonction du temps d'emmagasinage à 250°C après irradiation par du ^Co et après exposition aux neutrons thermiques d'un verre au phosphate typique (Toshiba) et d'un verre au borate de lithium 10 selon la présente invention. Un verre de borate de lithium selon la présente invention peut être préparé de la façon suivante. Les constituants suivants sont placés dans un mortier en proportions par exemple de 5,17 g de LiNO^ (ou la quantité correspondante de Li^CO^), de 7 g de l^O^ et de 0,045 g de AgPO^. 15 Ces matières sonf soigneusement mélangées et sont ensuite placées dans un creuset en platine. Le mélange est chauffé à l'air à environ 950°C, ce qui est au-dessus du point de fusion, pendant environ une demi-heure. La masse fondue est ensuite refroidie rapidement jusqu'à la température ambiante pour obtenir un verre de bonne qualité. Il doit être compris que les 20 proportions ci-dessus sont données seulement à titre d'exemple. Par exemple, la quantité de LiNO^ ou la quantité correspondante de Li^CO^ peut être comprise entre 1 g et plus de 7 g, la quantité de AgPO^ entre 0,01 et 0,20 g ■et la quantité de B2®3 ne pas être changée, mais être fixée à environ 7 g. De plus, comme c'est le composé du lithium I^O qui est en 25 réalité le constituant du verre final, d'autres composés du lithium se décomposant pendant la fusion peuvent aussi être utilisés pour produire le Li20 du verre final. La teneur en Li^O du verre final peut être comprise entre 0,2 et 2g. D'autres composés de l'argent solubles dans la masse fondue peuvent aussi être utilisés à la place du AgPO^, par exemple AgNO^ et 30 Ag2C03. Un verre préparé à partir de 3,45 g de LiNO^ ou de la quantité correspondante de Li^CO^ et de 7 g de ^O^ correspondant à un verre ayant pour formule Li20.4B2Û2 a été utilisé pour établir la courbe 4 de la figure 1 et les courbes 5 et 6 de la figure 2, et la quantité de AgPO^ 35 ajoutée à ce verre de base est de 0,73% pour la courbe 4 de la figure 1 et de 0,37% pour les courbes 5 et 6 de la figure 2. Pour les courbes 7 et 7' de la figure 3, le verre de base est un verre préparé à partir de 5517 g de LiNOg ou de la quantité correspondante de Li^CO^ et de 7 g de B^O^ donnant 69 12305 4 2006579 un verre ayant pour formule auquel est ajouté 0,5% de AgPO^. Bien que la concentration du AgPO^ dans le verre de base puisse varier environ entre 0,37% et 3%, il est préférable de maintenir une concentration inférieure à 1%, ce qui est désirable du point de vue 5 de la dépendance à l'énergie. Par exemple, un verre de base en Li^O^B^O^ contenant environ 0,6% de AgPO^ a la même dépendance à l'énergie qu'un détecteur à thermoluminescènce en fluorure de lithium non activé. Cependant, la radiophotoluminescence établie pour des concentrations faibles en argent dans les verres au borate de lithium selon la présente invention 10 est lente, et il est nécessaire d'effectuer un.traitement thermique stabilisateur du verre irradié avant l'évaluation de la dose. Par exemple 0,5 à 3 heures à 320°C peuvent être nécessaires pour obtenir l'intensité maximale de radidphotoluminescence stable du verre irradié. La dépendance à l'énergie d'un verre selon la présente invention 15 contenant du Li^O^B^O^ et .0,73% de AgPO^ est à peu près linéaire comme le montre la courbe 4 de la figure 1 (la partie en tirets de cette courbe indique l'indépendance complète par rapport à l'énergie). La dépendance à l'énergie des différents verres â métaphosphates disponibles commercialement est indiquée par les courbes 1, 2 et 3 de la figure 1 pour la comparai-20 pon à la courbe 4 représentant un verre selon la présente invention. La courbe 1 représente un verre à Z élevé de Bausch and Lomb, Rochester New York, la courbe 2 représente un verre à Z faible aussi de Bausch and Lomb, ainsi qu'un verre P-l de Toshiba, Tokyo, Japon et la courbe 3 représente un verre de la C.E.C. de Montrouge, France. Comme les verres représentés par les courbes 1, 25 2 et 3 de la figure 1 sont dépendants de l'énergie, des filtres d'absorption, des lectures de rapports, etc..., sont nécessaires pour rapporter les résultats aux doses des tissus, tandis que ces conditions ne sont pas. nécessaires pour un verre selon la présente invention représenté par la courbe 4 pratiquement indépendant de l'énergie et dont les résultats 30 peuvent être rapportés directement aux doses d'un tissu. Il a été déterminé que le spectre d'émission de lumière par radiophotoluminescence est une fonction de transfert linéaire de l'énergie de la radiation. Comme le montre la figure 2, le spectr.e de radiophotoluminescence provoqué par des rayons gamma de la.façon représentée par la 35 figure 5, est différent de celui provoqué par les neutr.ons thermiques,, représenté par la courbe 6, qui interagissent par des réactions (n, a ) de Li et B. Cet effet peut être utilisé pour séparer .les mesures pour les photons et les neutrpns dans un même verre.en.changeant simplement lav 69 12305 2.006579 longueur d'onde pour l'évaluation, par exemple en changeant les filtres optiques dans le lecteur d'un spectrofluorimètre. Des erreurs possibles de dans la mesure des photons en raison/l'effet des neutrons thermiques sur le verre peuvent aussi être évitées de cette façon. Comme il a été mentionné 5 ci-dessus, la composition du verre utilisée pour établir les courbes de la figure 2 est + 0,37% AgPO^. Il sera noté que pour les verres antérieurs aux métaphosphates, il n'est constaté que peu ou pas de différence dans les spectres après l'irradiation de ces verres par les rayons gamma et les neutrons thermiques. Par suite, il n'est pas possible de 10 séparer les mesures pour les effets des rayons gamma et des neutrons thermiques avec ces verres. Les verres selon la présente invention ayant des concentrations faibles en Ag sont bien plus stables relativement à^l'affaiblissement de l'information aux hautes températures que les verres habituels aux méta-15 phosphates. En fait il est constaté peu d'affaiblissement de l'effet des radiations quand un verre selon la présente invention est emmagasiné à 250°C après l'irradiation, comme le montre la figure 3. Les courbes 7 et 7' de la figure 3 montrent les effets des rayons gamma et des neutrons pour un verre selon l'invention en Li20.3B20^ + 0,55% AgPO^ stabilisé après l'irra-20 diation par traitement thermique à 325°C pendant plusieurs heures. Les courbes 8 et 8' de la figure 3 représentent les effets des rayons gamma et des neutrons respectivement pour un verre au phosphate P-l de la Japonese Toshiba. Dans le cas d'un emmagasinage à température élevée, l'affaiblissement est.accéléré à cette température dans le cas du verre Toshiba, tandis qu'il 25 est faible dans le cas d'un verre au borate de lithium selon l'invention. La figure 3 montre qu'après emmagasinage à 250°C des verres irradiés, 50% de l'effet des rayons gamma disparaît dans le cas du verre Toshiba (courbe 8) après 1.000 minutes. Par contre, dans le cas du verre au borate de lithium ■ + selon l'invention, l'effet des rayons gamma reste constant à - 3%. pendant 30 au moins 5.000 minutes, ce qui n'est pas indiqué par la figure 3 qui' n'est pas étendue à cette durée. Après ce temps, il subsiste seulement 25% de l'effet des rayons gamma dans le cas du verre Toshiba, il est'évident par suite, que les verres selon la présenté invention ayant cette résistance exceptionnelle à la température pouyant supporter des températures de 250°C 35 pendant dé nombreux jours ou des fcèmpératures "supérieures pendant*des temps plus courts d'une'façon correspondante (par exemple plusieurs heures entre'320°C et: 350°G) «vec un affaiblissement très faible peuvent étiré'" utilisés pour des mesures sensibles dè doses inté'grëëê" àe'rkyôns"' gamma; Ni 69 12305 6 2006579 les dosimètres à thermoluminescence ni les films photographiques ni les chambres à ionisation ni les détecteurs à scintillations ne supportent de telles températures pendant des durées prolongées. La figure 3 montre aussi que les centres de radiophotoluminescence 5 induits par les radiations de transfert d'énergie linéaire élevée, (particules alpha et tritons des réactions (n,a) B et Li sont considérablement moins stables du point de vue de l'affaiblissement que les centres induits par des rayons gamma pour le verre Toshiba. Environ 45 mn à 250°C suffisent pour supprimer l'effet des neutrons thermiques contre 1.000 mn pour l'effet 10 des rayons gamma dans le cas du verre Toshiba au phosphate comme le montre la courbe 8'. Par contre, pour le verre au borate de lithium selon l'invention, l'affaiblissement de l'effet des neutrons thermiques est de 12% (courbe 7') après 1.000 mn par comparaison avec l'augmentation de 3% de l'effet des rayons gamma après le même temps. 15 Les verres pour dosimètres selon la présente invention, comme tous les autres dosimètres du type état solide, doivent être protégés contre l'encrassement, 1'endommagement mécanique ou l'influence perturbatrice des conditions atmosphériques, par exemple de l'humidité, en étant enfermés dans un récipient convenable. Ce récipient peut être réalisé de 20 façon que la dépendance totale à l'énergie du détecteur enfermé dans sa capsule soit très faible. De plus, les caractéristiques de dégradation du verre peuvent être améliorées d'une façon connue par addition'au verre d'une petite quantité de certains composés, tels que SiÛ2 ou BeO pour améliorer sa résistance aux conditions atmosphériques et cette quantité 25 peut être comprise entre moins de 1% et quelques pour cent sans nuire appréciablement aux autres propriétés du verre considérées ci-dessus. En résumé, tous les matériaux utilisés avant la présente invention ont les inconvénients indiqués ci-dessus, c'est-à-dire le manque d'enregistrement permanent des dosimètres thermoluminescents, la dépendance à 30 lUnergie des dosimètres radiophotoluminescents à métaphosphates et les caractéristiques indésirables d'affaiblissement de l'information de ces derniers dosimètres à l'emmagasinage à des températures élevées. La présente invention évite ces' inconvénients par l'utilisation de verres au borate de lithium, de sorte qu'un dosimètre selon l'invention est essentiellement 35 indépendant de l'énergie, assure un enregistrement permanent de la dose possède une bonne stabilité contre l'affaiblissement de l'information même à des températures élevées et permet la mesure -séparée des doses de neutrons thermiques et de rayons gamma avec un même verre en utilisant les 12305 7 2006579 différences des spectres induits par les rayonnements. Un dosimètre selon la présente invention-peut être utilisé soit comme détecteurs de doses faibles (dosimètre personnel) par mesure de sa radiophotoluminescence soit comme dosimètre pour des doses élevées telles que celles rencontrées dans l'utilisation industrielle des radiations par mesure des changements d'absorption. 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'oh sorte de son cadre. 69 12305 8 2006579 R_E_V g N D=I C A_T_I_0_N_S 1 - Un verre de dosimètre ayant une dépendance faible à ' l'énergie des photons et une bonne stabilité du point de vue de l'affaiblissement de l'information à la température normale et aux températures 5 élevées caractérisé en ce qu'il est constitué essentiellement de Li20.B20^ et d'un sel d'argent soluble ..dans une matrice de verre en proportions en poids entre les limites suivantes : Li20 0,2 à 2 g B2°3 7 g 10 sel d'argent 0,01 à 0,20 g » 2 - Le verre de dosimètre selon la revendication 1, caractérisé en ce que le sel d'argent est choisi dans le groupe constitué principalèment par AgPOg, AgNOg et Ag2C03. 3 - Le verre de dosimètre selon la revendication 2, caractérisé 15 en ce que le sel d'argent est du AgPO^. 4 - Un procédé pour enregistrer les doses*de. rayons gamma et de neutrons thermiques dans un dosimètre radiophotoluminescent'indépendant de l'énergie des photons, le dosimètre étant formé essentiellement de 0,2 à 2 g de Li-20' de 7 g de B2®3 et ^ 0,20 g de AgPOg, caractérisé par 20 l'exposition du dosimètre à une source de rayons gamma et à une source de neutrons thermiques et par 1e chauffage du dosimètre après cette exposition pour obtenir le maximum d'intensité stable de radiophotoluminescence dans le dosimètre pour permettre d'évaluer ensuite séparément le spectre induit par les rayons gamma et le spectre induit par les neutrons thermiques dans 25 le dosimètre. 5 - Un procédé pour enregistrer et mesurer des doses de niveaux élevés dans un dosimètre en verre indépendant de l'énergie formé essentiellement de 0,2 à 2 g de de 7 g de B203 et de 0,01 à 0,20 g de AgPO^ caractérisé par l'exposition du dosimètre à une source de radiations à un 30 niveau élevé de doses pour enregistrer les changements d'absorption induit^ par les radiations, et par la mesure dans le région de l'ultraviolet proche de ces changements pour obtenir une indication de la dose de niveau élevée. 6 - Un procédé pour enregistrer et mesurer une dose de radiations dans un dosimètre en verre indépendant de 1'énergie des photons formé essen- 35 tiellement de 0,2 à 2 g de Li20, de 7 g de et à 0,20 g de AgPO^, caractérisé par l'exposition du dosimètre à une source de radiations pour enregistrer la dose de radiations, la mesure de la radiophotoluminescence de ce verre pour obtenir une indication représentant les doses faibles de radiations et la mesure dans la région de l'ultraviolet proche des changements d'absorption 40 indiLts par les radiations pour obtenir une indication réprè sentait les cbses éLëvfes cfe radiations.