Brevet FR2129853A1 — publié le 19721103

La présente invention est relative à une installation permettant d'effectuer, sur des échantillons radioactifs, des mesures de corrélations angulaires entre les émissions par cet échantillon de particules, notamment de rayons gamma, dans au moins deux directions différentes, en mesurant le taux de coincidence de ces émissions en fonction de l'angle formé par les tra3ectoires de ces particules et éventuellement de l'écart qui sépare dans le temps les émissions prises en considération. Elle a pour but notamment de permettre la détection et l'examen des rayonnements émis par l'échantillon dans des conditions expérimentales particulières, exigeant entre autres, de porter cet échantillon à très basse température, par exemple à celle de l'hélium liquide, avec des possibilités de réglage extrèmement précises de la position de cet échantillon par rapport à un axe repère fixe, en direction duquel sont orientés avec un angle d'ouverture rigoureusement déterminé, des ensembles de mesure directionnels, comprenant dans le cas de rayons gamma notamment, un cristal détecteur, un photomultiplicateur, un pré-amplificateur et, associés à deux au moins de tels appareils, un détecteur de coincidence et une échelle de comptage. A cet effet, l'installation envisagée se caractérise en ce qu'elle comporte un plateau tournant--circulaire et horizontal, portant plusieurs ensembles de détection et de mesure directionnels dont la position selon des rayons du plateau faisait un angle déterminé est réglable, des moyens pour commander la rotation du plateau pour modifier l'orientation des ensembles de mesure, un socle inférieur parallèle au plateau et comportant une potence de support d'un cryostat -disposé verticalement au-dessus du plateau, ce cryostat contenant à sa partie inférieure un échantillon radioactif à examiner, des moyens pour centrer le cryostat rigoureusement dans l'axe du plateau et des moyens pour régler en hauteur les ensembles de détection et de mesure par rapport à l'échantillon contenu dans le cryostat. Dans un mode de réalisation particulier de l'invention, le cryostat comporte une enveloppe extérieure métallique de forme cylindrique reposant sur la potence de support par l'intermédiaire d'un dispositif à cardan, conférant au cryostat deux degrés de liberté de mouvements par rapport à l'axe vertical. Selon une autre caractéristique, le cryostat comporte un récipient centrai métallique, rempli d'un premier gaz liquéfié et entouré par une enceinte annulaire intermédiaire dont les parois métalliques, cylindriques et coaxiales, délimitent un espace rempli d'un second gaz liqué- fié constituant une garde de protection thermique pour le premier gaz, cette enceinte étant elle-même montée dans l'enveloppe externe du cryostat, les espaces libres entre l'enveloppe externe et l'enceinte annulaire d'une part, et entre l'enceinte annulaire et le récipient central d'autre part, étant placés sous vide. Selon une autre caractéristique également, l'enveloppe extérieure, l'enceinte annulaire intermédiaire et le récipient central se prolongent vers la partie inférieure du cryostat par des éléments tubulaires coaxiaux, associés à des moyens de centrage mutuels et présentant une épaisseur réduite, facilitant leur traversée par les rayons émis par lréchantillon contenu dans le cryostat Avantageusement, les éléments tubulaires sont réalisés en béryllium. D'autres caractéristiques d'une installation de mesure établie conformément à l'invention, apparaîtront encore à travers la description qui suit d'un exemple de réalisation, donné à titre indicatif et non limitatif, en référence aux dessins annexés sur lesquels: - la Fig. 1 est une vue schématique en coupe verticalepartielle et en élévation de l'installatipn considérée, - ia Fig. 2 est une vue en coupe verticale à plus grande échelle du cryostat mis en oeuvre dans cette lnstalla- tion, - la Fig. 3 est une vue en coupe à encore plus grande échelle de la partie inférieure du cryostat représenté sur la Fig. 2. Comme on le voit sur la F1. , l'installation comporte un support rigide i sur une partie horizontale duquel est immobilisé un socle 2 pour une colonne verticale 3. Sur cette dernière est montée, par l'intermédiaire de paliers 4 et 5, une table 6 présentant un plateau supérieur horizontal 6a et un corps 6b, coaxial à la colonne 3 et tourillonnant sur les paliers précédents. Le corps 6b présente dans sa surface extérieure une couronne dentée 7, engrenant avec une vis tangente 8, actionnée par un motoréducteur de commande 9, permettant de positionner angulairement la table 6 autour de l'axe de la colonne 3, c'est-àdire autour de l'axe vertical. Avantageusement, le motoréducteur 9 est associé à un dispositif de positionnement angulaire (non représenté) permettant par exemple des variations pas à pas successives, d'angle donné avec une précision rigoureuse. Notamment la position angulaire de la table peut être contrôlée parades repères occultant une cellule photoélectrique placée dans le circuit d'alimentation du moto-réducteur 9.En outre, l'arbre de renvoi de ce dernier peut comporter des galettes munies de contacts électriques permettant de prédéterminer les positions d'arrêt du plateau 6a et de ralentir la rotation de la table 6 avant son arrêt complet, celui-ci pouvant étre obtenu par un frein électrique placé sur l'arbre du motoréducteur. Dans le plateau 6a sont ménagées des rainures 10, s'étendant selon des rayons de que plateau formant entre eux un ou plusieurs angles rigoureusement repérés et dans lesquelles sont montées des embases 12 portant des ensembles de détection et de mesure directionnels, désignés globalement par la référence 13. Ces ensembles 13, destinés à détecter et à contrôler les rayonnements émis par un échantillon radioactif, comportent, notamment dans le cas de rayon gamma un cristal détecteur, associé à un photomultiplicateur et à un pré-amplificateur, les sorties des différents ensembles de mesure portés par le plateau 6a étant reliées à un détecteur de coincidence et à une échelle de comptage. Bien entendu, d'autres types de détecteurs en eux-mêmes connus pourraient étre envisagés sans sortir du cadre de la présente invention. Les embases 12 comportent en outre un mécanisme de réglage en hauteur des ensembles de détection et de mesure qu'elles supportent, constitué par un écrou 14 et une vis 15 combinés à un système de blocage (non représenté) permettant de faire varier la position de ces ensembles. Au-dessus du plateau 6a, ia partie supérieure de la colonne 3 comporte enfin une platine 16 présentant, dans sa partie centrale, un logement 17 dans iequel coulisse un bloc 18, susceptible de se dépiacer par rapport à la colonne 3 sous l'effet de deux dispositifs à V1S 19 et écrou 20, commandés manuellement ou à distance. Ce bloc 18 comprend un doigt de centrage 21, destiné au réglage rigoureusement dans l'axe de la colonne 3, d'un cryostat 22, contenant l'échantillon à examiner et dont le détail de réalisation sera explicité par la suite. Indépendamment des pièces précédentes, le support 1 est lié à une potence 23, de très grande rigidité, dont la partie supérieure 24 s'étendant parallèlement au plan du plateau 6a, comporte fixée en porte à aux une poutre 25 sur laquelle repose le cryostat 22. Cette poutre 25 est associée à un dispositif à cardan, comportant une première couronne horizontale 26 munie de deux couteaux 27 en relief vers sa partie supérieure, disposés selon un diamètre de cette couronne, ces couteaux 27 supportant de façon oscillante autour de l'axe horizontal qu'iis forment une seconde couronne 28 présentant des logements en creux recevant deux autres couteaux 29 diamétraiement opposés sur un diamètre perpendiculaire à celui du couteau 27 appartenant à une bague 30, elle-même solidaire de l'enveloppe externe 31 du cryostat 22 Des poignées 32 sont égaiement prévues dans la surface extérieure de la bague 30 de manière à permettre d'orienter le cryostat 22 autour de i'axe vertical, en le faisant tourner en même temps que les couronnes 26 et 28 par rapport à la poutre 25 sur un roulement à biiles 33 porté par un coussinet 34. La Fig. 2 illustre à plus brande échelle le détail de la réalisation du cryostat 22. li comporte, fermant à sa partie supérieure, l'enveloppe extérieure 31 réalisée en acier inoxydable, une plaque 35 appliquée contre une bride de cette enveloppe par l'intermédiaire de Doints d'étanchéité 36, de préférence réalisés en indium, et de vis de fixation 37, formant ensemble une liaison démontable permettant en cas de besoin, l'accès à l'intérieur du cryostat. Sur l'enveloppe 31 est rapportée une tubulure 38, prévue pour raccorder l'intérieur de cette enveloppe à un ensemble de pompage, (non représenté), comprenant une pompe primaire et une pompe secondaire assurant dans le cryostat un vide poussé, de l'ordre de 10'8 torr dans les conditions normales. Une seconde tubulure 39 débouchant dans l'enveloppe 31 à l'opposé de la tubulure 38, est fermee par une plaque 40 permettant éventuellement de monter sur celui-ci un appareil de contrôle du vide interne. Entouré par l'enveloppe 31, le cryostat comporte une enceinte intermédiaire 40, constituée de deux parois métalliques, cylindriques, respectivement 41 et 42, coaxiales, ces parois étant fermées à leur partie supérieure par une plaque 43 et à leur partie inférieure par une couronne 44, de manière à délimiter entre elles un espace fermé, rempli d'un gaz liquéfie approprié, notamment de l'azote liquide. L'alimentation du cryostat en azote s'effectue par un conduit 45, traversant la plaque de fermeture 43 et la plaque 35 fermant l'enveloppe 31, l'extrémité supérieure de ce conduit 45 étant entouré par une manchette 46 soudée. Un orifice 47 dans la plaque 43 permet de mettre en communication l'extérieur et l'intérieur de l'enceinte 40 et en particulier d'assurer la mise sous vide de cette dernière en même temps que celle de l'enveloppe 31. Selon l'axe de l'enveloppe 31, et entouré par l'anneau d'azote liquide contenu entre les parois 41 et 42 de l'enceinte 40, le cryostat comprend enfin un récipient central 48, contenant un second gaz liquéfié, de préférence de l'hélium liquide dont l'évaporation à 20K est considérablement limité par l'atmosphère sous vide qui l'entoure et la présence de la garde d'azote liquide formant isolant thermique. A sa partie supérieure, le récipient 48 comprend une tubulure 49 traversant les plaques 43 et 35 et se terminant à l'extérieur du cryostat par un bouchon 50, permettant à la manière d'un presse-étoupe le coulissement étanche dans la tubulure 49 d'une perche 51, munie à son extrémité inférieure d'un élément d'accrochage et de protection 52 pour ltéchantlilon 53 à examiner.Cet échantillon plonge ainsi à l'intérieur de l'hélium liquide introduit dans le récipient centrai 48 par un conduit 54, fermé à l'extérieur du cryostat par un bouchon 55 et comportant des soufflets d'étanchéité, respectivement 56 et 57, permettant d'encaisser les différences de dilatations thermiques en cours de fonctionnement. La Fig. 3 illustre à plus grande échelle la partie inférieure du cryostat 22, décrit ci-dessus dans ses éléments essentiels. Comme on le volt sur cette figure, l'extrémité de l'enveloppe métallique externe 31, est obturée par un fond 58 bloqué contre l'enveloppe par l'intermédiaire de vis 59 avec interposition de points en indium 60, permettant de maintenir le vide à l'intérieur du cryostat. Dans sa partie centrale, le fond 58 comporte un passage circulaire rendu solidaire d'un manchon tubulaire 61 de préférence encuivre, se prolongeant-par un tube 62 à paroi mince réalisé en bérylsium.Ce tube 62 est lui-même lié à sa partie inférieure à un boîtier terminal 63 en acier, fermé par une plaque 64 comprenant à l'extérieur du cryostat et selon l'axe de ce dernier, un logement 65 destiné à l'engagement du doigt de centrage 21 associé à la colonne 3 et au plateau 6a portant les ensembles de mesure 13 (ig. 1) Ce tube 62 est avantageusement rendu solidaire du manchon 61 et du boîtier 63 par ses extrémités 62a, convenablement profilées en biseaux et permettant de rendre la liaison étanche au vide. L'ensembLe rormé par le manchon 61, le tube 62 et le boîtier 63 prolongeant vers le bas i'enveloppe extérieure 31, entoure coaxialement un prolongement analogue de l'enceinte intermédiaire 40. A cet effet, la couronne inférieure 44 solidarisant les parois 41 et 42 est rendue solidaire d'une plaque transversale 66 bloquée par des vis 67, cette plaque étant elle-meme ouverte dans sa partie médiane et soudée sur un manchon 68 en cuivre comme le manchon 61. Sur ce manchon 68 est fixé un tube 69 en béryllium, coaxial au tube 62, et bloqué contre l'extrémité inférieure du manchon par des vis 70 régulièrement réparties à la périphérie de ce tube. Avantageusement, selon une disposition particulière du montage adopté l'extrémité correspondante du tube 69 ptésente des fentes 71 lui conférant une certaine souplesse tolérant les différences de dilatation en cours de fonctionnement, le tube 69 étant refroidi par conductivité thermique à la température de l'azote liquide contenu dans l'enceinte intermédiaire 40.Ce tube 69 est lié à son extrémité inférieure à un boîtier 72 fermé par une plaque de fond 73. Le récipient central 48 de même que l'enceinte 40 et l'enveloppe externe 31 est prolongé dans sa partie inférieure par un manchon 74 en cuivre coaxial aux manchons 68 et 61, se prolongeant à son tour par une aiguille creuse 75 en béryllium. Celle-ci comporte à son extrémité supérieure un épaulement 76, bloqué sous le fond du manchon 74 par une collerette 77 avec interposition d'un joint d'étanchéité 78. L'aiguille 75 présente, dans sa zone centrale, une partie 79 d'épaisseur réduite située en regard des tubes 62 et 69, permettant aux rayons gamma émis par l'échantillon 53 fixé en bout de la perche 51 et amené devant cette partie 79, de traverser successivement et sans absorption ou alternation importantes ces différents tubes et d'être détectés et mesurés par les ensembles 13 portés par le plateau 6a. Enfin, pour assurer le centrage précis des différentes pièces précédentes, par rapport à leur axe vertical commun, le cryostat comporte des moyens d'entretoisement constitués par des doigts à vis tels que 80, positionnant le récipient central 48 par rapport à l'enceinte intermédiaire 40. Des moyens du même genre (non représentés) assurent le centrage de cette enceinte par rapport à la paroi interne de l'enveloppe 31. L'installation ainsi réalisée est mise en oeuvre de la façon suivante: après avoir disposé sur le plateau tournant de la table support, au moins deux ensembles de mesure directionnels faisant entre eux un angle défini par les rayons de ce plateau selon lesquels ils sont orientés, rigoureusement mesuré, on introduit dans le cryostat suspendu à la partie supérieure de la potence l'échantillon radioactif à examiner, amené exactement dans l'axe vertical perpendiculaire au centre du plateau par engagement du doigt de centrage porté par ce dernier dans le logement correspondant prévu sous le cryostat.On règle ensuite les ensembles de mesures sur l'axe vertical de l'échantillon, en agissant sur les systèmes d'aJustement en hauteur de ces ensembles puis on contrôle ces régiages, en faisant tourner pas à pas le plateau support, les indications des photomultiplicateurs étant constantes quel que soit leur azimuth. On peut alors procéder aux mesures de corrélations angulaires souhaitées permettant l'étude de la structure et du propulsé de l'échantillon par examen des intéractions hyperfines dont il est le siège, en contraint le taux de coïncidence des émissions reçues par deux photomultiplicateurs différents. L'installation envisagée présente, dans le cadre de son application exposée ci-dessus, de nombreux avantages: en premier lieu, le fonctionnement de l'échantillon peut être réglé de manière extrêmement précise, exactement dans l'axe des ensembies de mesure. Par aiileurs, la conception même du cryostat le rend aisément démontable, notamment par sa partie inférieure, permettant tacilement son entretien et le remplacement de pièces éventueliement détériorées. De très basses températures peuvent être réalisées sans consommation excessive de gaz liquéfié. Entin, la structure des tubes prolongeant le récipient central, l'enceinte intermédiaire et l'enveloppe extérieure, assure une bonne transparence aux rayonnements, indispensable pour l'obtention de mesures précises et significatives. Bien entendu, il va cependant de soi que l'invention ne se limite pas au seul exemple de réalisation décrit et repré senté; elle en embrasse au contraire toùtes les variantes. REVENDICATIONS 10/ Installation de mesure de corrélations angulaires entre au moins deux émissions de particules par un échantillon radioactif, caractérisée en ce qu'elle comporte un plateau tournant circulaire et horizontal, portant plusieurs ensembles de détection et de mesure directionnelle dont la position selon des rayons du plateau faisant un angle déterminé entre eux est réglable, des moyens pour commander la rotation du plateau pour modifier l'orientation des ensembles de mesure, un socle inférieur parallèle au plateau et comportant une potence de support d'un cryostat disposé verticalement au-dessus du plateau, ce cryostat contenant à sa partie inférieure l'échantillon radioactif à examiner, des moyens pour centrer le cryostat rigoureu- sement dans l'axe du plateau et des moyens pour régler en hauteur les ensembles de détection et de mesure par rapport à l'echan- tillon contenu dans le cryostat. 20/ Installation selon la revendication 1, caractérisée en ce que le cryostat comporte une enveloppe extérieure métallique de forme cylindrique reposant sur la potence de support par l'intermédiaire d'un dispositif à cardan, conférant au cryostat deux degrés de liberté de mouvements par rapport à l'axe vertical. 30/ Installation selon la revendication 2, caractérisée en ce que le cryostat comporte un recipient central métallique, rempli d'un premier gaz liquéfié et entouré par une enceinte annulaire intermédiaire dont les parois métalliques, cylindriques et coaxiales, délimitent un espace rempli d'un second gaz liquéfié constituant une garde de protection thermique pour le premier gaz, cette enceinte étant elle-meme montée dans l'enveloppe externe du cryostat, les espaces libres entre l'enveloppe externe et 11 enceinte annulaire d'une part, et entre l'enceinte annulaire et le récipient central d'autre part, étant placés sous vide. 40/ Installation selon la revendication 3, caractérisée en ce que l'enveloppe extérieure, l'enceinte annulaire intermédiaire et le récipient central, se prolongent vers la partie inférieure du cryostat par des éléments tubulaires coaxiaux associés à des moyens de centrage mutuels et présentant une épaisseur réduite, facilitant leur traversée par les rayons émis par l'échantillon contenu dans le cryostat. 50/ Installation selon la revendication 4, caractérisée en ce que les éléments tubulaires sont réalisés en béryllium.