Brevet FR2116201A1 — publié le 19720713

La présente invention, due à Monsieur Jean-Paul GUIHO du Commissariat à l'Energie Atomique en collaboration avec les Etablissements LEMER, a pour objet un dispositif générateur de faisceau de référence de rayonnements pénétrants, de caractéristiques bien définies. Il n'existe pas, à l'heure actuelle, de dispositif fournissant un faisceau de rayonnement X ou y présentant des caractéristiques (énergie, intensité, dimensions) définies de façon suffisamment précise pour qu'il soit utilisable comme faisceau primaire d'étalonnage d'appareil de dosimètrie.Un tel faisceau est en effet très difficile à obtenir car les caractéristiques d'émission y par une source radio-active, d'activité connue, dans l'ensemble de l'espace qui l'entoure, 51 elles sont bien définies à proximité de cette source, cessent de l'être dès que l'on cherche à obtenir un faisceau en provenance de la source: le spectre d'énergie se dégrade dès qu'on s'éloigne de la source du fait des interactions élémentaires entre les photons et le milieu et il est difficile de délimiter un véritable faisceau de rayonnement, c'est-à-dire une zone de l'espace aux frontières de laquelle la fluence passe brutalement d'une valeur donnée, constante pour l'ensemble du faisceau, à une valeur nulle. De façon plus précise, on pourrait penser qu'il suffit pour réaliser un faisceau idéal, d'émettre des photons à partir d'une source pratiquement ponctuelle et d'utiliser un collimateur muni d'un diaphragme en matériau lourd qui arrête tous les photons qui le frappent. On obtiendrait ainsi, en négligeant les diffusions sur les atomes de l'atmosphère qui sépare la source du diaphragme, un faisceau conique parfaitement délimité. La fluence serait parfaitement uniforme à partir d'une certaine distance de la source et pour de petites ouvertures du diaphragme sur une section droite perpendiculaire à l'axe du faisceau. En fait, avec tous les collimateurs utilisés à l'heure actuelle, il n'y a pas annulation brutale de la fluence à la frontière du faisceau, mais une zone que l'on peut qualifier de "pénombre", due surtout aux photons primaires qui ont subi des diffusions soit à l'intérieur même de la source, soit dans le collimateur, soit sur les parois de la salle dans laquelle est placé le dispositif, soit encore (dans des proportions moindres) sur les atomes de l'atmosphère qui sépare la source -de l'emplacement du faisceau ou s'effectue la mesure. Cette zone de pénombre, constituée de photons dont l'énergie s'est dégradée, est évidemment indésirable. L'invention vise à fournir un dispositif générateur de faisceau de référence de rayonnements pénétrants qui atténue dans une large mesure les inconvénients cidessus. Dans ce but l'invention propose un dispositif géné- rateur comprenant une enceinte dans laquelle sont ménagés un tunnel et un canal rectilignes et alignés, des moyens pour disposer une source intense de rayonnement sensiblement mono-énergétique de faibles dimensions sur l'axe entre le tunnel et le canal, et un collimateur coaxial au canal et comprenant une série de disques en matériau lourd percés d'orifices alignés sur l'axe du canal et délimitant avec la source un cône centré sur celle-ci, les disques étant reliés à leur périphérie par du matériau lourd pour constituer avec lui des pièges de rayonnement diffusé. La présence du tunnel réduit très sensiblement l'intensité des rayonnements qui passent à travers les orifices successifs du collimateur après une rétrodiffusion qui dégrade leur énergie: en effet cette diffusion est beaucoup plus faible sur les atomes du gaz qui occupe le couloir (air en général) que sur ceux d'une paroi solide. Dans un mode avantageux de mise en oeuvre de l'invention, le collimateur est prolongé par un tube de sortie du faisceau de rayonnement et l'ensemble constitué du collimateur et du tube de sortie est fermé par des fenêtres minces de passages des rayonnements et relié à des moyens permettant de faire le vide, donc de réduire les diffusions dans cet ensemble. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit d'un dispositif constituant un mode de mise en oeuvre de celle-ci, donné à titre d'exemple non limitatif. La description se réfère aux dessins qui l'accompagne, dans lesquels: - la figure 1 est une vue d'ensemble très schématique du dispositif, représenté en coupe suivant un plan vertical passant par l'axe du faisceau; - la figure 2 est une vue de détail à grande échelle en coupe suivant le plan de la Fig. 1, montrant le mécanisme de déplacement de la source (certains organes n'étant pas représentés); - la figure 3 est une vue de dessus de la Fig. 2; - la figure 4 est une vue de détail à grande échelle du collimateur, en coupe suivant un plan horizontal. Le dispositif illustré en Fig. 1 comprend une enceinte de protection 10 qui peut être regardée comme constituée d'une partie centrale d'axe horizontal, percée d'un tunnel 12 et d'un canal 14 de sortie de neutrons, placés coaxialemeni et de longueur à peu pres égale (le diamètre du tunnel étant supérieur a celui du canal). A cette partie centrale se raccordent un bloc inférie-ur 16 et un bloc supérieur 18 constltwJés d'anneaux nuxtaposés. Un puits 24 dont l'axe est vertical et coupe celui du tunnel 12 est ménagé dans les blocs 16 et 18. Le bloc inférieur 16 présente à sa partie inférieure un sLege 22 de réception d'un château 24 de transport de source radio-act-ze, sege permettant la levée du couvercle 25 du château. L'anneau terminal du bloc 18 porte un mécanisme de levée du couvercle 25 et de mise en place de la source, qui seront décrits plus loin. L'enceinte repose sur un bâti 26 qui ménage iiespace nécessaire à la venue d'un chariot 27 d'amenée du château 24. L'enceinte de protection est placée dans un local dont les parois sont constituées de matériaux de numéro atomique faible pour limiter les diffusions: On peut notamment constituer ces parois par une cloison en polyester isolée thermiquement de l'extérieur par des couches de mousse plastique collées les unes sur les autres. Les moyens de mise en place (Fig. 2 et 3) sont prévus pour amener la source, lors du fonctionnement du dispositif, au point de croisementdes axes du puits 20 et du canal 14. Lorsque la source est à cet emplacement, la rétrodiffusion de photons suivant l'axe du canal 14 est minimisée puisque les photons dont l'incidence les rend susceptibles de subir une telle rétrodiffusion ne rencontrent sur un long trajet que des atomes de gaz, dont la concentration est évidemment beaucoup plus faible que celle des atomes d'un matériau solide. Dans le canal 14 est disposé le collimateur, destiné à fournir à la sortie de l'enceinte 10 un faisceau de rayonnement présentant la forme d'un cône ayant la source pour sommet. A priori on pourrait penser qu'il suffit de constituer le collimateur par un cylindre de matériau lourd dans lequel est percé un passage en forme de tronc de cône ayant la source pour sommet. En fait, une telle solution n'est pas satisfaisante car le pourcentage de photons diffusés augmente avec l'épaisseur et ce phénomène fait disparaitre le gain que l'on pourrait attendre du fait que le rayonnement provenant de la source et passant hors du cône délimité par le collimateur traverse la totalité de l'épaisseur de celui-ci. Le problème est résolu par le collimateur représenté en figures 1 et 4, constitué par une série de disques 28, au nombre de dix dans le mode de réalisation illustré, percés de trous dont le diamètre croit lorsqu'on s'éloigne de la source. Ces disques 28 sont maintenus alignés par un fourreau 30 en acier par exemple, et à l'écartement convenable par des bagues entretoises 32. Le matériau lourd constltuant les disques diaphragmes et les bagues est avantageusement à base de tungstène car le libre parcours dans ce métal est suffisamment court pour toute la gamme d'énergies couramment rencontrée (de 0,012 cm pour 100 KeV à 1,27 cm pour 3 MeV). Le tungstène peut être utilisé sous forme d'alliage à 7% en poids de nickel et 4% en poids de cuivre, plus usinable que le tungstène pur. Le canal 14 est relié, par l'intermédiaire d'un raccord 34 permettant d'insérer un système de visée optique 36 lorsqu'une douille 37 est ouverte, avec un tube 38 de sortie du faisceau. Comme on l'a vu plus haut, les diffusions doivent être minimisées car elles dégradent les caractéristiques du faisceau, notamment en créant une zone de pénombre et en élargissant le spectre d'énergie. Suivant un mode avantageux de mise en oeuvre de l'invention, illustré en figures 1 et 2, l'ensemble délimité par le collimateur 14, le raccord 34 et le tube 38, est mis en dépression en dehors des périodes ou le système de visée optique est inséré: on réduit ainsi, dans la zone la plus critique pour la formation et la conservation du faisceau, les diffusions sur les atomes de gaz, tout en laissant sous atmosphère normale le reste de l'enceinte, ce qui rend beaucoup plus simple la construction de l'enceinte 10 et beaucoup plus faciles les manutentions. Pour atteindre ce résultat, deux fenêtres très minces 40 et 42 en "mylar" de 5 um par exemple, sont fixées aux extrémités de l'ensemble et le tube 38 est relié à une conduite de vide 44 permettant d'abaisser la pression jusqu'à une valeur qui peut être de l'ordre de l0 3 torr.Il faut encore noter que le tube 38 peut être constitué de tronçons raboutables, ce qui permet d'ajuster sa longueur à sa demande et de la faire varier par exemple entre quelques dizaines de centimètreset plusieurs mètres. Pratiquement, le collimateur 14 constitue un ensemble qui est glissé dans la partie terminale externe du canal 14, de diamètre supérieur à celui de la partie interne puis immobilisé dans celui-ci, et qui est raccordé de façon étanche au tube 38. Comme le montre la figure 4, le fourreau 30 est constitué d'un tube muni à son extrémité externe d'un rebord radial 46 que des vis 48 fixent sur la carcasse de l'enceinte 10. D'autres vis 48 permettent de fixer sur le rebord 46 une bride du raccord 34. Une autre bride est fixée au tube 38. Des joints d'étanchéité toriques 50 sont évidemment interposés entre les brides et le rebord 46 ou le tube 38. La partie périphérique de la fenêtre 40 est maintenue en contact étanche avec l'extrémité internedu fourreau par une plaque annulaire 54 fixée par des vis.L'empilement de disques diaphragmes 28 et de bagues entretoises 32 est maintenu par une collerette 56 également fixée par des vis. La douille d'étanchéité 37, munie d'une poignée de manoeuvre 58 qui coulisse dans une rainure du raccord, coopere lorsqu'elle est fermée avec deux bagues d'étanchéité 60 de façon a isoler l'espace compris dans le tube 38, le raccord 34 et-le collimateur. Le mécanisme de levée et de mise en place des sources (figures 1, 2 et 3) comprend un treuil 62 et un mécanisme de réglage 64, seul représenté sur les figures 2 et 3. Au câble du treuil est suspendue une tige 66 munie d'un embout fileté 68 que l'on peut visser à la main, depuis l'extérieur, dans un trou taraudé ménagé à cet effet dans le bouchon 25. Le treuil permet de déplacer la tige 66 entre une position basse où elle s'engage dans le bouchon 25 et une position haute où le bouchon (en traits pleins sur la figure 1) vient en butée contre un renflement terminal d'un arbre creux 70 appartenant au mécanisme. Un volant de blocage 72 agissant sur une tulipe fendue 74 portée par l'arbre creux 70 permet alors de bloquer la tige 66 dans cet arbre creux. Aussi longtemps que ce blocage subsiste, le treuil 62 n'est plus utilisé. Le mécanisme de réglage permet de déplacer la tige en rotation autour de son axe, verticalement suivant son axe, et suivant une trajectoire circulaire autour d'un axe vertical décentré par rapport à la tige: les organes correspondant à ces divers mouvements seront successivement décrits. Les organes de rotation de la tige ne sont destinés qutà lui faire subir un déplacement angulaire de faible amplitude. Ils comprennent une tige 76 munie d'une vis sans fin terminée par un bouton moleté 78 de commande (Fig.3) monté libre en rotation sur un fourreau 80. La partie filetée de la tige engrène une couronne dentée 82 solidaire de l'arbre creux 70 et permet de la faire tourner par rapport au fourreau 80 sur lequel il est monté par des roulements 84. Un mécanisme de réglage fin en hauteur déplace en bloc la tige 66, l'arbre creux 70 et le fourreau 80. Ce mécanisme, de constitution similaire à celle du précédent, comprend une tige munie d'un bouton moleté de commande 86 et d'une vis 88 qui engrène une couronne dentée solidaire d'un collier 90. Ce collier comporte une liaison filetée avec le fourreau 80 et prend appui sur un plateau 92fixée en hauteur. La rotation du collier 90 provoque donc la montée ou la descente du fourreau 80, qu'un clavetage coulissant immobilise en rotation par rapport au plateau 92. Le bouton moleté 86 n'est utilisé que pour le réglage fin de la position en hauteur. Il est associé à un mécanisme de réglage rapide qui comprend une manivelle 94 (fig.3) qu'un train d'engrenages multiplicatear 96 couple a un pignon 98 solidaire de la vis 88. Enfin le mécanisme de réglage transversal agit sur le plateau 92 qui tourne sur un pivot 99 solidaire du bloc 18 de l'enceinte 10. Le plateau repos sur us galets 1 fixés à la partie supérieure d bloc 18 par des pions 102. Un dispositif permet de faire tourner le plateau 92 en faisant glisser les pions 102 sur les galets 100. Ce dispositif (non représenté sur la Fig. 2) comprend une vis de pression 106 qui tourne dans un écrou 108 solidaire du bloc 18 et dont l'extrémité maintient-une oreille 110 du plateau 92 contre l'action d'un ressort antagoniste 112. La présence du mécanisme de réglage permet d'utiliser en alternance des sources différentes qui peuvent être successivement amenées à l'aide de châteaux 2t, t réintroduites dans leur château après emploi. Le réglage s'effectue en repérant visuellement la position de la source à l'aide de la lunette de visée 36 munie d'un prisme de renvoi. Un prolongement porté par le raccord interposé entre le tube 38 et le collimateur permet d'amener cette lunette dans une position reproductible. La lame de "mylar" 40 présente une épaisseur suffisamment faible pour être transparente et permettre de voir la source éclairée par une lampe 114 (Fig.l) Pour minimiser la zone de pénombre, il est évidemment souhaitable que la source soit de dimensions aussi faibles que possible, de façon à se rapprocher d'une source ponctuelle. Si l'on souhaite avoir également une intensité notable (de 3 à 4 roentgens par heure et par mètre carré par exemple) il faut évidemment une source d'activité spécifique très élevée, le cobalt 50 et le césium 137 permettant d'atteindre de telles activités.On peut noter à titre d'exemple qu'on a utilisé une source de cobalt 60 sous forme d'un cylindre d-'environ 1 mm de diamètre et 2 mm de hauteur, dont l'activité spécifique était de l'ordre de 320 curies par gramme, ce qui conduisait à une activité totale de l'ordre de 3,5 curies. Le grain de cobalt proprement dit était enfermé dans une gaine en "duralumin" de 0,2 mm d'épaisseur. On a également utilisé une source de 10 curies de césium 237, présentant une activité spécifique de 40 curies par gramme, sous forme d'un cylindre de 3 mm de diamètre et de 3 mm de hauteur. Toujours à titre d'exemple, on peut noter qu'on a réalisé un dispositif suivant l'invention, qui comporte un collimateur situé à 400 mm de la source et composé de 10 disques de 15 mm d'épaisseur chacun: l'épaisseur de protection correspond à 20 fois environ le parcours moyen pour le pic gamma du cobalt 60. Le mécanisme de réglage permet d'amener la source dans une position reproductible au centième de millimètre près. Il va sans dire que l'invention ne se limite pas au mode de réalisation particulier qui a été donné à titre d'exemple, mais en couvre au contraire toutes les variantes restant dans le cadre des équivalences. REVENDICATIONS 10) Dispositif générateur de faisceau de référence de rayonnements pénétrants, comprenant une enceinte dans laquelle sont ménagés un tunnel et un couloir rectilignes et alignés, des moyens pour disposer une source intense de rayonnements sensiblement mono-énergétiques de faibles dimensions sur l'axe commun entre le couloir et le canal, et un collimateur disposé dans le canal et comprenant une série de disques en matériau lourd percés d'orifices alignés suivant l'axe du canal et délimitant avec la source un cône centré sur celle-ci, les disques étant reliés à leur périphérie par du matériau lourd pour constituer avec lui des pièces de rayonnement diffusé. 20) Dispositif suivant la revendication 1, caractérisé en ce que les disques sont disposés dans un fourreau de centrage et séparés par des entretoises en matériau lourd. 30) Dispositif suivant la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le canal est prolongé par un tube de sortie du faisceau de rayonnements qui a traversé le collimateur et en ce que l'espacedélimité par le tube de sortie est au moins la portion du canal qui contient le collimateur et fermé par des fenêtres minces de passage des rayonnements et relié à des moyens permettant d'y faire le vide. 40) Dispositif suivant la revendication 3, caractérisé en ce que les fenêtres minces sont constituées par des feuilles du polyester connu sous le nom de "mylar". 50) Dispositif suivant la revendication 3 ou 4, caractérisé par un raccord interposé entre le collimateur et le tube de sortie et muni d'un passage obturable d'insertion de moyens de visée optique. 60) Dispositif suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les moyens permettant de disposer une source sur l'axe commun du couloir et du canal comprennent un mécanisme porté par l'enceinte et permettant de déplacer une tige verticale portant la source le long d'un puits vertical dont l'axe coupe l'axe horizontal du canal et, dans un faible domaine d'amplitude, transversalement à l'axe du puits. 70) Dispositif suivant la revendication 6, caractérisé en ce que la tige verticale est déplaçable entre une position basse dans laquelle elle fait saillie hors de l'enceinte de protection et une position haute dans laquelle la tige maintient la source sensiblement au point d'intersection des axes du canal et du puits. 80) Dispositif suivant la revendication 5, 6 ou 7, caractérisé en ce que le puits s'ouvre à son extrémité inférieure par un siège de réception de la face supérieure d'un château de transport de source gamma. 90) Dispositif suivant la revendication 8, caractérisé en ce que la tige comporte des moyens de préhension d'un bouchon du château, bouchon portant la source. 100) Dispositif suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la source est du 37 Cs ou du 60Co.