Brevet FR2314505A1 — publié le 19770107

La présente invention concerne les dispositifs de mesure de rayonnement nucléaire, en particulier ceux qui assurent la mesure de radioactivité ambiante. Ces dispositifs de mesure portent communément le nom de radiamètres. I1 existe des radiamètres de deux sortes selon le but recherché. Pour les radiamètres de précision, employés à des fins de mesure physique, les performances imposées sont élevées. Pour les radiamètres de sécurité, la précision requise est moindre. Ces derniers appareils servant principalement à assurer la sécurité des personnes amenées a travailler dans une ambiance normalement soumise a des rayonnements radioactifs doivent présenter, d'une part, une bonne fidélité, d'autre part, des dimensions d'encombrement réduites. Le port permanent par l'utilisateur et la lecture de ces appareils doivent etre facilités. Jusqutà présent, les efforts des constructeurs d'appareils radiametres ont porté principalement sur la réalisation des appareils de precision. I1 s'agit de radiamètres dans lesquels la partie sensible au rayonnement à mesurer est soit un tube compteur GEIGER-MULLER, soit une chambre d'ionisation, soit encore une cellule détectrice à l'étant solide. Ces appareils ont des dimensions d'encombrement impor- tantes, leur cout est élevé. Depuis une vingtaine d'années, on a développé pour cette utilisation des cellules détectrices à l'état solide qui sont des structures cristallines soit homogènes, soit des composants à jonction dont le substrat est du germanium, du silicium ou encore des composés tels le tellurure de cadmium, l'arséniure de gallium l'iodure mercurique et bien d'autres encore. Du point de vue des dimensions d'encombrement, les structures détectrices dans lesquelles l'élément de base est un corps semiconducteur présentent un avantage considérable sur les autres détecteurs connus. De grands progrès ont été faits dans leur technologie. En particulier, il est désormais possible d'obtenir, à partir de tel ou tel de ces détecteurs solides, un signal utilisable pour des énergies de rayonnement très faibles. Par ailleurs, les circuits qui permettent l'exploitation du signal fourni par un détecteur à l'étant solide sont bien déterminés. Ils consistent à recueillir le signal délivre par le corps semiconducteur ou la jonction semiconductrice, à l'intégrer dans un circuit désigné communément par le terme "préamplificateur de charge-intégrateur" ou encore, plus elliptiquement, "préamplificateur" tout court. En effet, la quantité Q de charge ionisée est proportionnelle au champ électrique développé dans le corps semiconducteur ou la j onction, mais le signal délivré est un courant d'électrons en relation de proportionnalité avec la dérivée de la quantité de charge dQ. Pour obtenir un signal proportionnel à la quantité de charge ionisée Q, il est nécessaire d'intégrer ce signal. Comme les quantités de charges sont très faibles, de l'ordre par exemple de 10-14 coulombs, le signal est lui-même faible et il est également nécessaire de l'amplifier. Un circuit unique dit préamplificateur de charges assume la double fonction d'intégration et d'amplification du signal reçu. A la sortie de ce circuit, le signal de tension est ordinairement reçu sur su moins un, souvent plusieurs étages complémentaires d'amplification pour augmenter son niveau. Lorsque le signal est suffisamment amplifié pour etre exploitable, il est dirige sur un circuit du type monostable qui délivre en sortie une impulsion pour un certain niveau du signal d' entree. Le circuit monostable pilote un circuit de comptage qui denombre les impulsions qu'il reçoit, Le comptage qui en résulte peut être retenu dans un circuit de mémoire. Il peut aussi être exploite dans une unité d'affichage de façon à fournir une indication visuelle des informations, ou encore etre utilisé pour piloter une imprimante. Dans la plupart des modes d'exploltation, il est nécessaire d'interposer entre le compteur et l'indicateur, visuel ou autre, un décodeur. La réalisation désormais courante de circuits, meme d'un haut degré de complexité, sous une forme compacte, tels les circuits solides, intégrés, les unités fonctionnelles élaborées par technique L.S.I., MOS, hybrides, etc. permet la présentation d'une séquence de circuits fonctionnels complexes sous une forme de volume et poids très réduite. C'est pour répondre aux besoins des utilisateurs exposés aux rayonnements radioactifs que, tenant compte des derniers progrès de la technique tant en matière de détecteurs que de circuits, la présente invention a pour objet de fournir un procédé et un appareil permettant de mesurer la radioactivité ambiante avec une bonne precision au moyen d'un appareil de volume extremement réduit. Selon l'invention, le procédé consiste a exposer à l'influence du rayonnement radioactif une unité de détection incluant au moins un détecteur à l'état solide, à recueillir le signal délivré, à l'intégrer dans un préamplificateur de charges de façon a obtenir une tension proportionnelle aux charges libérées par le rayonnement incident, à utiliser ladite tension pour déclencher un circuit de déclenche- ment à seuil lorsque ladite tension atteint une valeur qui surpasse celle d'un seuil prédéterminé, a compter, mémoriser, voire afficher ou imprimer l'information résultant du comptage, le procédé étant caractérisé en ce que l'unité de détection inclut une pluralité de détecteurs dissemblables qui, après une sélection en vue d'une compensation de sensibilité spectrale sont exposes simultanément au rayonnement et sont électriquement associés pour coopérer a la délivrance d'un signal de réponse de sensibilité spectrale , indépendant du spectre du rayonnement incident et en ce que l'on utilise ledit signal pour attaquer directement le déclenchement à seuil après son passage dans le préamplificateur-intégrateur, et n ce qu'il prévoit des moyens pour corriger les variations de sensibilité desdits détecteurs en fonction du type de rayonnement incident et de son niveau d'énergie afin de fournir une réponse ayant une sensibilité indépendante, ou quasi-indé- pendante, de l'énergie incidente Selon l'invention, les moyens de conférer a la réponse globale de l'unité de détection un caractère de sensibilité constante- consistent à associer des détecteurs présentant des réponses spectrales différentes de manière a creer une compensation entre les inégalités de sensibilité individuelles qu'ils pre- sentent, soit du fait de leur nature interne, soit du fait de leur environnement blindages par exemple. Selon l'invention, le procédé de mesure fournit un noyen de ménager aux informations qu'il fournit une précision uniforme. le moyen de conserver une précision uniforme aux informations recueillies consiste, selon 11 invention, à ménager un comptage cumulatif indépendant du temps de comptage, c'est-à-dire à procéder à un comptage uniformément limite a un nombre constant d'impulsions ou de coups comptés. Un autre objet de l'invention est de fournir un appareil pour la mise en oeuere du procédé ci-dessus désigné. L'appareil selon l'invention comprend une unité de détection, un preamplifi- cateur de charges, un circuit de déclenchement à seuil prédéterminé, une unité de comptage et de mémorisation, ainsi que, optionnellement, une unité d'affichage ou d'impression. Selon une de ses caractéristiques, les détecteurs y sont associés en montage parallèle. Des groupes parallèles comportant chacun une unité de detection, un préamplificateur de charges et un circuit de déclenchement à seuil peuvent encore constituer une variante de réalisatlon selon l'invention. Selon une autre caractéristique, l'appareil, dans une de ses variantes d'exé- cation, comporte au moins un détecteur constitue par un corps semiconducteur homogène. Selon une autre forme de réalisation, l'appareil comporte au moins un detec- teur du type semiconducteur a jonction. Selon une autre forme de réalisation, l'appareil comporte au moins un détec- teur semiconducteur à jonction de type usuel. Selon une autre caractéristique, l'appareil comporte au moins un détecteur semiconducteur à jonction du type non encapsulé, dit "puce". Selon une autre caractéristique, 1' appareil comporte au moins deux groupes montes en parallèle, comportant chacun une unité de détection, un préamplificateur de charges et un circuit de déclenchement à seuil,dans chacun desquels les compo- sants sont des semiconducteurs homogènes et des semiconducteurs a jonction Selon une autre forme de réalisations l'appareil comporte au moins deux groupes montés en parallèle dans lesquels les détecteurs sont des détecteurs à jonction de caractéristiques différentes. Selon une autre forme de réalisation, l'appareil comporte des détecteurs à jonction dont les caractéristiques sont dissemblables. Les détecteurs peuvent etre diversifies par les tensions de polarisation auxquelles on les alimente; ils peuvent encore etre diversifies par l'environnement individuel dans lesquels on les place , en particulier par le blindage dont on les entoure Ils peuvent encore différer entre eux par les caractéristiques propres de leur fonctionnement. Comme on on peut eneore prévoir des groupes parallèles comprenant chacun une unité de détection, un préamplificateur de charges et un circuit de déclenchement à seuil, c'est-à-dire les éléments illustrés par les blocs fonctionnels 1, 4 et 5 il est aussi possible de différencier les groupes entre eux en diversifiant les valeurs de seuil du circuit à seuil que chacun d'eux comporte, est ainsi que dans un type de réalisation comportant une pluralité de groupes, ou voies, parallèles,l'appareil comporte au moins deux groupes ou voies parallèles composés différemment. Les objets et caractéristiques de la présente invention apparaîtront plus clairement a la lecture de la description suivante d'exemples de réalisation, ladite description étant faite en relation avec les dessins ci-annexés dans lesquels La figure 1 représente un schéma par blocs fonctionnels illustrant le de mesure selon l'invention. La figure 2 représente un schéma de principe des circuits compris dans les unités de détection, d'intégration et de déclenchement d'impulsion à seuil. Sur le schéma de la figure 1, on a représenté, en 1 l'unité de détection, en 2 son alimentation en tension de polarisation, en 3 la source continue, en 4 le préa@plificateur-intégrateur, en 5 le circuit de déclenchement a seuil, en 6 l'unité de comptage, en 7 la base de temps, en 8 le decodeur, en 9 l'affichage, en 10 le contrôle de la source 3, en 11 la commande de protection des mémoires, en 12 un oscillateur pour assurer la permanence de l'affichage. La littérature technique a décrit les principes de méthodes de mesure de rayonnement radioactif a partir du signal délivré par un détecteur à sesiccnducteur. En particulier, on peut se reporter utilement à "ELECTRONIQUE" de Robert Guillien (1961) P.U.F. Tome III, pages 342 et suivantes et à "SEMICONDUCTOR COUNTERS FOR NUCLEAR RADIATIONS" par G. Dearnaley et D.C. Northrop (1963) K. & F.N. Spon Limited, London. Le signal recueilli à partir de l'un de ces détecteurs est proportionnel à dQ. Il est nécessaire de lui faire s@hir une intégration pour le rendre proportiondt nel à Q et une préamplification pour le rendre utilisable, étant donné la faible importance tes charges libérées. Ces deux opérations sont effectuées dans le préamplificateur-intégrateur 4. ans l'utilisation classique d'un détecteur semiconducteur, le signal issu @@@ @réamplificateur de charges normal est encore inexploitable tel que Aussi5 on avait coutume de ménager au moins un second,sinon plusieurs étages intermédiaires d'amplification derrière le préamplificateur avant de procéder à l'utilisation du signal dans un circuit de déclenchement ou un circuit monostable pour y engendrer une impulsion à partir d'un certain niveau de tension entrante. Selon le procédé de l'invention, on épite ces étages intermédiaires d'ampl;- fication. On associe en montage parallèle dans l'unité de détection plusieurs détecteurs à faible bruit de fond tels que les détecteurs 21, 22, 23 visibles sur la figure 2 qui fournit le schéma de principe des circuits des unités 1, 4 et 5 de la figure 1. Le préamplifieateur de charges 4 a contre-reaction A, C, B, comporte un transistor bipolaire 41, un amplificateur 43 et une résistance 44. Le condensateur 42 est un condensateur de déeouplage. La fonction d'intégration du signal entrant est réalisée dans le préamplifi- cateur de charges boucle par la contre-réaction A C 3. L'utilisation d'un transistor bipolaire ménage une forte impédance d'entrée. L'amplificateur 43 a un gain très élevé. La polarisation du transistor 41 est assurée par l'intermédiaire de la liaison a tension 2, via la résistance i4. Le signal de sortie du préamplificateur 4 est reçu dans l'mité de déclen- chement 5 pour attaquer l'amplificateur 52 n contre-reaction DRUE. Le seuil de déclenchement est déterminé par la branche S de prélèvement d'une tension réglable sur une résistance aJustable 53,alimentée par la tension 2. Le circuit 5 transforme le signal reçu en une série d pulsions, chacune déclenchée lorsque le signal surpasse la valeur définie par le seuil. Selon l'invention, avant de les introduire dans l'unité de détection les détecteurs sont sélectionnés soit montés, soit nus (puces) avec ou sans blindage. La sélection s'opère de façon a compenser les réponses spectrales individuelles. On peut encore opérer une sélection en valeur de seuil du circuit de déclen- chement à seuil en ce qui concerne les groupes, ou voies,parallèles. A la sortie du circuit de déclenchement 5, les impulsions sont acheminées vers l'unité de comptage qui peut etre formée de compteurs du type classique. 1les y sont dénombrées. Selon l'invention, pour maintenir une précision constante de comptage, on effectue le comptage non pas par tranches de comptage réalisées en un temps de référence donné,mais par tranches de comptage uniformes quant an nombre d'impul- sions comptées. C'est la base de temps 7 qui fournit la référence temporelle indispensable a la signification du comptage. Les informations sont mémorisées de façon connue qu'il n'a pas paru opportun de décrire. L'unité de mémorisation n'est pas représentée sur la figure 1. De mime, un processus d'affichage schématisé par le bloc fonctionnel 9 est prévu. La visualisation peut etre assurée soit au moyen de cristaux liquides, soit au moyen de diodes électroluminescentes. La luminance des cristaux liquides est entretenue conformément à la figure 1 par lioscillateur 12 à 30 périodes par seconde. Selon une variante pratique de réalisation, 11 appareil est décomposé en deux appareils distincts - un premier appareil récepteur qui - comprend les unités de détection 1, de préamplification 4, de déclenchement 5, de comptage 6, de décodage 8, la base de temps 7, leurs alimentations 2 et 3 et leurs annexes 10 et 11. Ce premier appareil est alors complété par une unité de mémorisation non portée sur la figure. Il sert de magasin d'informations. - un second appareil dit lecteur, sert la lecture des informations du premier appareil ; il groupe unité d'affichage 9 et ses annexe : imprimante ou autres. On arrive ainsi à réaliser un premier appareil, uniquement récepteur, que l'on désigne ordinairement sous le nom de dosimètre-aveugle. Il présente l'avantage d'etre d'un poids et d'un encombrement extrêmement fables. Enfermé dans un boîtier adéquat, il peut ne peser que quelques grammes et n'être pas plus encore brant qu'une boîte d1 allumettes. Il suffira de porter cet appareil de dimensions réduites à la lecture du second appareil pour déchiffrer les informations qu'il a recueillies. La polyvalence de l'appareil selon l'invention lui procure de nombreux avantages dont les principaux sont une grande simplicité d'exploitation, une rapidite de réponse, adaptée a la mesure de radioactivité sur des gammes très diverses de débits, une simplicité des alimentations (prévues pour des semiconducteurs à forte tension inverse ne nécessitant que des polarisations peu élevées), une grande diversité de détecteurs utilisables.. etc Quelques aménagements subsidaires sont prévisibles, tels qu'une protection des mémoires en cas de baisse du nivesu de la pile d1 alimentation, une indication extérieure de baisse de niveau de la pile, la possibilité de prévoir une position de commande manuelle de lecture permettant la lecture instantanée, le déclenche- ment d'un signal en cas de dépassement de la dose de rayonnement admissible pour le corps humain qui peut être utilement ménagée en 13 à partir du décodeur 8 à laide d'un circuit de déclenchement à seuil selon des dispositions connues en elles-memes. Tous ces aménagements,et d'autres non mentionnés ici, sont obtenus par des moyens connus des praticiens, leur réalisation par l'homme de l'art peut être ajoutée à l'appareil sans pour cela sortir du domaine de l'invention. Bien que les principes de la presente invention aient été décrits ci-dessus en relation avec des exemples particuliers de réalisation, on comprendra clairement que ladite description est faite seulement à titre d'exemple et ne limite pas le portez de l'invention. REVENDICATIONS 1. Procédé de mesure de rayonnement radioactif consistant à exposer à l'influence du rayonnement à mesurer une unité de détection incluant au moins un détecteur à l'état solide, à recueillir le signal délivré, à le détecter, à l'intégrer dans un préamplificateur de charges de façon à obtenir une tension proportionnelle aux charges libérées par ionisation, à utiliser ladite tension pour déclencher un circuit de déclenchement à seuil quand ladite tension atteint une valeur qui surpasse celle d'un seuil déterminé, à compter les impulsions, A mémoriser - voire afficher ou imprimer les informations résultant du comptage - , procédé caractérisé en ce que :: - l'unité de détection comprend une pluralité de détecteurs dissemblables entre eux qui, exposés simultanément au rayonnement,sont électriquement associés de manière à ménager tme compensation de leurs réponses indivi duelles pour engendrer un signal de réponse résultant d'une sensibilité indépendante du spectre du rayonnement ineidant, - et en ce que l'on utilise ledit signal résultant après l'avoir intégré dans le préamplificateur de charges pour attaquer directement le circuit de déclenchement à seuil. 2. Procédé de mesure selon la revendication l, caractérisé en ce que les moyens pour engendrer un signal de réponse résultant ayant une sensibilité indépendante du spectre consistent d'abord à sélectionner des détec- teurs différant entre eux par au moins un des facteurs suivantes : caractéristiques, tension de polarisation, blindage extérieur,de façon à réaliser une compensation équilibrée des sensibilités spectrales individuelles de chacun et ensuite à associer lesdits détecteurs sélectionnés en les non tant en parallèle. 3. Procédé de mesure de rayonnement radioactif selon la revendication 1, caractérisé en ce que lton utilise au moins deux groupes, ou voies parallèles comprenant chacun une unité de détection, un préamplificateur de charges et un circuit de déclenchement à seuil. 4. Procédé de mesure selon la revendication 3, caractérisé en ce que les moyens pour engendrer un signal de réponse résultant avant une sensibi- iité indépendante du spectre de rayonnement consistent à sélectionner des groupes, ou voies, différant entre eux par au moins l'un des facteurs sui- vants : - caractéristiques, tensions de polarisation, environnement extérieur, tel les blindages des détecteurs, - valeur de seuil du circuit de déclenchement à seuil, la sélection étant opérée de façon à réaliser une compensation optimale des sensibilités individuelles de chacun desdits groupes et ensuite à associer lesdits groupes sélectionnés en les montant en parallèle. 5. Procédé de mesure selon la revendication 1, caractérisé en ce que le comptage est opéré de manière additive, indépendante du temps de comptage, le comptage étant poursuivi dans le temps jusqu'à ce qu'un nombre donné d'impulsions (ou de coups) soit enregistré par l'unité de comptage. 6 Appareil de mesure pour la rise en oeuvre du procédé selon la revendication 1, 1, comprenant une source de tension continue, une unité de détection suivie d'au moins un préamplificateur intégrateur de charges, un circuit de déclenchement d'impulsions à seuil apte à délivrer une impulsion pour toute valeur de tension d'entrée supérieure à une valeur de seuil prédéterminée, une unité de comptage, elle-même reliée, d'une part, à une base de temps, d'autre part, à @ne unité de mémorisation, appareil caractérisé en ce que, dans l'unité de détection les détecteurs multiples connectés en parallèle sont dissemblables et en ce que le cos,otage y est opéré de manière additi- ve selon la revendication 5. 7. Appareil selon la revendication 4, caractérisé en ce que le préam- plificateur-intégrateur, le circuit de déclenchement d'impulsions à seuil et l'unité de comptage sont réalisés sous forme intégrée et en ce que plusieurs groupes parallèles comprenant chacun une unité de détection, un préamplificateur de charges et un circuit de déclenchement à seuil peuvent y eAtre inclus. 8. Appareil selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'une unité d'affichage est prévue pour être commandée par l'unité de co@ptage de telle sorte que les informations sortant de l'unité de comptage soient visuellement @ccessibles. 9. Appareil selon la revendication 4, caractérisé en ce que les détecteurs inclus dans l'unité de détection sont des corps semiconducteurs homogènes. 10. Appareil selon la revendication 4, caractérisé en ce que les détecteurs inclus dans l'unité de détection sont des diodes d'un type usuel. 11. Appareil selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'un indicateur de la valeur limite @dmissible du taux de radioactivité y est prévu pour avertir l'usager du dépassement de ce taux dès sa parution.