Brevet FR2309973A1 — publié le 19761126

La présente invention concerne une chambre d'ionisation permettant une mesure améliorée de l'activité photonique d'une cible émettrice de rayonnements. La chambre d'ionlsatlon selon l'invention r applique notamment a la mesure de l'activité drune source émettrice de rayonnement X de faible énergie (3 à 30 keV), et plus spécialement à la mesure de l'activité des cibles tritiées pour accélérateur. On salt qu'il existe de nombreux types de chambres d'ionisation permettant de mesurer l'intensité d'émission de rayons ss , X ou y, délivrés par une source radioactive. Dans son principe de fonctionnement général, une chambre d'ionisation est une enceinte comportant deux électrodes portées à une différence de potentiel de l'ordre de quelques centaines de volts et permettant de coilecter les charges créées par 1 impact de rayonnement ionisant, électronique ou photonique, sur les atomes du gaz de remplis- sage de la chambre.Dans les chambres d1ionisation concernées par cette invention, on se place de préférence dans le régime dlt de collection directe des charges (sans multiplication des charges qui serait due à un potentiel accélérateur plus important entre les électrodes de la chambre) L'étalonnage absolu des cibles tritiées par exemple peut etre fait au moyen d'un microcalorimètre 4s absorbant totalement les émissions ss et X, par comparaison à un effet Joule étalon. La microcalorimetrie est particulièrement utlle en raison de l'absence de correction d'auto-absorption, ce qui permet de faire des mesures précises, mais, malheureusement, extrêmement longues.Pour des mesures de routine, il est impossible d 1utiliser ces microcalorimètres. Pour les mesures de routine, la chambre d'ionlsation convient tout particulièrement puisque la mesure ionométrique peut être calibrée grâce à des mesures microcalorimétriques préalables. De pius, on peut choisir de mesurer les rayonnements, émis par la source, qui ont le plus grand pouvoir pénétrant, c'est-à-dire ceux qui sont le moins sensibles aux petites varlations irréductibles d'atténuation de diverses origines pression atmosphérique, effet de-couche épaisse, distance source-détecteur, etc.) afin de réduire les erreurs correspondantes. Dans ia chambre d'ionisation selon i'inven tion, on détecte les photons au détriment des ss . La chambre d'ionisation selon l'invention permettant de mesurer l'intensité d'émission photonique d'une source radioactive comprend - une électrode A sensiblement hémisphérique d'axe Oz portée à un potentiel correspondant au fonctionnement de la chambre d'ionisation en régime de collection directe de charge, tension délivrée par une alimentation de tension stabilisée, - un boîtier métallique entourant completement l'électrode A, ledit boîtier étant rempli d'un gaz ionisable, - une seconde électrode B collectrice, a'épaisseur superreure au libre parcours moyen d'absorption des rayons ss émis par la source, et d'axe de symétrie Oz, ladite électrode étant solidaire dudit boîtier pour réaliser en association avec ledit boîtier une enceinte étanche remplie de gaz ionisable, - des moyens par tige métallique, s'insérant dans l'ouverture du boîtier métallique, pour amener ladite source à l'inte- rieur du volume extérieur à la chambre délimité par la seconde électrode B, la source étant sensiblement située sur l'axe Oz en un point tel que la géométrie des électrodes A et B constitue une chambre 3s stéradians. La tige métallique ajustée dans l'ouverture du boîtier complète le blindage électrique relié au potentiel de masse de ladite chambre, blindage constitué par le boîtier et ladite tige. La chambre d ionisation selon l'invention comprend également des moyens pour mesurer le courant collecte par ladite électrode B. Ainsi, dans la chambre d'ionisation selon l'invention, la seconde électrode B a un double rôle. Elle sert à l'étan-' chéité du boîtier entourant la chambre remplie de gaz ionisable et d'autre part, elle constitue un écran pour le rayonnement ss issu par la chambre, de telle sorte que seuls les photons X pénètrent à 1 'intérieur de ladite chambre pour créer des couples électrons-ions collectés par les deux électrodes. De plus, pour isoler complètement la chambre par un blindage électrique le dispositif à tige, de placement de la source, à 'intérieur de la seconde électrode B, ferme l'enceinte métallique de blindage autour des deux électrodes, ce qui fait que la chambre n'est pas sensible aux parasites d'origine électro-magnétique. Selon un mode de réalisation préférentiel de 1 invention, la seconde électrode B est hémisphérique, ou a la forme représentée sur la figure unique dont la constitution est détaillée plus loin. Cette seconde électrode est, dans un mode de réalisation de l'invention, constituée par une feuille de béryllium d'épaisseur de 200 microns. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront mieux après la description qui suit d'un exemple de réalisation donné à tltre explicatif et nullement limitatif, en référence à la figure unique annexée sur laquelle on a représenté un schéma d'ensemble de la chambre d'ionisation selon l'invention. Sur la figure unique, on a représenté la chambre d'ionisation sous la désignation générale 2 et un mécanisme 4 d'amenez de la cible, la cible 6 étant disposée à I'inté- rieur de f'évidement de la chambre constitué par la seconde électrode collectrice B. Li chambre d'ionisation proprement dite comprend un boîtier 8 entourant une première électrode A portée à un potentiel de l'ordre de quelques centaines de volts par la connexion haute tension 10 isolée du boîtier 8 par un isolant 12. Le boîtier 8 est par exemple en duralinox et comprend un passage 14 permettant de relier l'électrode B par l'attache 16 à une connexion électrique extérieure 18. Le passage 14 est un passage isolant et étanche au gaz grâce à des joints toriques. L'intérieur 20 du boîtier est rempli d-tun gaz ionisable, par exemple de l'argon dans un mode de réalisation préférentiel de l'invention, ou du xénon. L'angle X joignant le sommet de la cible 6 au rebord inférieur 22 de l'électrode A est égal à 1200, ce qui fait que la chambre est une chambre de détection 3s stéradians. L'insertion de la source 6 à l'intérieur de la seconde électrode B se fait par l'intermediaire d'une tige guidée 30 coulissant à l'intérieur d-'un -fut 32, faisant partie du boîtier. La tige guidée 30 est mue par le bras 34 solidaire du plateau 36 lui-même fixé à un cylindre 38 coulissant sur la tige 40. La mise en place de la source 6 par l'intermédiaire de ce dispositif mécanique classique est aisé.On remarque que l'insertion de la tige 30 dans le boltier ferme le blindage électrique de ce bòltier, ce qui permet d'isoler électriquement l'intérieur de la chambre des ondes électromagnétiques se propageant à l'extérieur. Il est avantageux de doter la chambre d'ionisation d'un grand angle solide de détection du rayonnement émis par la source. Cet angle vaut 3s stéradians dans la chambre d'ionisation selon l'invention. En effet, seul un grand angle permet d 1intégrer les différentes inégalités d'émergence des radiations dues à d'éventuelles inégalités d'épaisseur de la couche de titane. La géométrie 3w enveloppe la plus grande partie de la surface émissive de la cible ; cette valeur d'angle solide permet de concilier un angle de vision important (ou "taux" de vision dans le langage de l'homme de l'art) avec la possibilité d'introduire les sources à l'intérieur de la chambre tout en conservant l'étanchéité de ladite enceinte. L'entrée du rayonnement dans le volume sensible se fait au travers d'une fenêtre mince constituée par l'électrode B. Cette fenêtre joue un double rôle - d'une part, elle sert de filtre en favorisant le passage des rayons X de fluorescence au détriment du rayonnement de freinage et en arrêtant le rayonnement ss dégradé et émer geant de la source, - d'autre part, elle sert d'électrode collectrice, ce qui permet de réduire le nombre de parois entre la source de rayonnement et le volume sensible 20 afin d'avoir une atténuation minimale des photons. Le volume sensible compris entre les deux électrodes A et B est rempli d'argon. Ce gaz, à pression et température identiques est auarante fois plus efficace que l'air, pour les photons de 4,5 à 5 keV, ce qui permet de diminuer les dimensions de l'appareil pour la détection des rayonnements X de cette énergie. L'atténuation de ces photons, lors d'un parcours de 5 cm dans l'argon à la pression atmosphérique, est quasi totale (de l'ordre de 99 %). Ce taux d'absorption permet en particu iier de négliger les réactions d'atténuation dans l'air comprises entre la source 6 et l'électrode B, et les variations de cette atténuation dues aux écarts de pression atmosphérique. Une variation de pression atmosphérique de + 4 cm (autour de 76 cm de mercure) correspond à une variation d'environ + 0,1 % de l'intensité du faisceau de photons traversant la fenêtre mince. La pression d'argon est ellememe maintenue constante dans le boîtier après remplissage. Le remplissage de la chambre se fait en balayage d'argon sous pression atmosphérique, ce qui permet d'éviter les sollicitations mécaniques de la feuille mince constituant l'électrode B. Il est également possible de remplir le boîtier de la chambre avec un gaz plus lourd, tel que le xénon si l'on veut mesurer des rayons X ou des rayons y d'énergies supe- rieurs. Dans une application préférentielle de l'invention, la chambre d'ionisation a été utilisée pour mesurer en série i'activité de cibles de tritium constituées par un support métallique épais en cuivre revêtu d'une couche mince de titane déposée par métallisation sous vide ou pulvérisation cathodique. Le tritium est absorbé dans le titane avec lequel il forme un hydrure. Le rapport atomique tritium/titane tou taux de remplissage) est à peu près constant et a une valeur comprise entre 1,60 et 1,75, ce qui explique que la quantité de titane déposée est proportionnelle à llactivite de tritium que l'on veut absorber sur la cible.Ainsi, pour des activités de tritium absorbées variant de I à 4 Curies, les épaisseurs massives de titane correspondantes sont de 200 à 900 -gXcm2 environ (soit de 0,45 à 2 > d'épaisseur). Le tritium émet un rayonnement ss pur ayant une énergie maximum de 18 keV environ. Par interaction avec le titane une grande partie de ce rayonnement ss est ralentie et absorbée dans le titane en produisant dtune part des photons de freinage qui ont un spectre continu de O à 18 keV et d'autre part des photons de fluorescence correspondant aux raies de réarrangement K (4,5 keV) et Kss (4,9 keV) du titane. a, Dans cet exempie d'application relatif aux cibles tritiées recouvertes de titane, on détecte et on mesure essen tiellement les raies de fluorescence du titane en vue de mesurer l'activité de la source 6. En effet, le rayonnement de freinage n'a pas de raies caractéristiques et son énergie moyenne est plus faible que l'énergie des raies Ra et K, du titane. Enfin, a sa répartition en énergie et, par voie de conséquence, son énergie moyenne n 'est pas constante d'une source à l'autre car elle est très sensible aux caractéristiques de support, ce qui n'est pas le cas des rayons X de fluorescence du titane. Le rayonnement X qui a pour origine l'excitation des atomes de titane par les électrons d'origine radioactive (émission ss du tritium3 ont des énergies bien définies pour les valeurs de réarrangement du cortège electronique du titane. La parfaite définition en énergie des photons de fluorescence indépendante des conditions physiques du support donne une garantie sur la fidélité du rendement photoélectrique du détecteur. Sur la même figure, on a représenté le schéma simple de montage électronique de la chambre d'ionisation selon l'invention. Le boîtier 8 est relié à la masse par le fil 19 pour constituer un blindage électronique, la première électrode A est reliée à une source de haute tension stabilisée 48 et la seconde électrode B est reliée par l'intermédiaire du fil 50 à un instrument de mesure de courant 52 tel qu'un picoampèremètre dont une borne est reliée à la masse. L'indication de ce picoampèremètre est affichée sur un dispositif à quatre digits 54 pour une bonne visualisation des résultats. Le mode de fonctionnement de la chambre d'ionisation selon l'invention est celui d'une chambre d'ionisation à courant-, seule capable d'une réponse linéaire en fonction de l'intensité du rayonnement incident. En effet, un compteur d'impulsions subirait un taux de comptage beaucoup trop élevé dans cette application : les pertes de comptage seraient telles qu'on travaillerait pratiquement à saturation, ce qui nuirait considérablement à la relation de proportionnalité entre l'activité émergente de la source et l'activité effectivement mesurée, d'où -une erreur systématique importante difficilement corrigibler Le boîtier 8 est en duralinox poli et ia réalisation de l'éleclrode B sous ia forme d'un cylindre chapeauté par un tronc de cône fermé à sa partie supérieure est moins coûteuse qu'une électrode collectrice ayant la forme d'une demi-sphère. La forme d'électrode représentée donne des résultats équivalents à une demi-sphère tout en étant beaucoup moins chère. L'isolant 12 pour ie passage de ia haute tension est en nylon et 1 'isolant 60 pour l'électrode collectrice B par rapport au boîtier 8 est en polystyrène. Le boîtier sert à la fois de blindage électrique, d'anneau de garde pour l'électrode collectrice B et d'enceinte étanche. L'étanchéité est assurée par une multiplicité de joints toriques représentés en divers points de la figure. Toutes les surfaces de la chambre sont parfaitement propres sans aspérité et tous les angles sont arrondis. Ces précautions alnsi que a forme générare cylindre sphérique du volume sensible qui confère une isotropie de détection ont pour but d'obtenir aisément un palier de saturation de faible pente.En effet, un tel palier résulte du fait que la résistance interne de la chambre est très grande, ce qui correspond. à un faible courant parasite de fuite. La source 6 représentée est hémisphérique par exemple de rayon 15 mm et d'épaisseur 0,5 mm. Elle est mise en place à 'aide du dispositif à commande manuelle 4. La chaîne de mesure, ctest-a-dire essentiellement Itélément 52 sur la figure 2, est un picoampèremètre pouvant mesurer les courants de l'ordre de 10-11 ampère. La chambre d'ionisation selon l'invention peut servir à mesurer l'intensité de toute source émettrice de photons X ou y d'énergie quelconque. La source peut être sous toute forme gazeuse liquide ou solide. L'arrêt des rayonnements ss de forte énergie peut être réalisé à l'aide d'un écran supplémentaire (non représenté) interposé dans ltespace libre entre la source 6 et l'électrode collectrice B. Dans ie cas particulier représenté sur la figure, les sources émettrices sont introduites par le bas et le boîtier 8 vient coiffer ces sources, I1 va de soi qu'une réalisation où la chambre est retournée de 1800 est aussi possible auquel cas on introduit les sources vers le bas et elles viennent s'insérer dans une ouverture verticale 32 dirigée vers le haut dans le boîtier. REVENDICATIONS 1. Chambre d'ionisation mesurant l'intensité d'émission photonique d'une source radioactive, caractérisée en ce qu'elle comprend - une électrode A sensiblement hémisphérique d'axe Oz portée à haute tension par une alimentation de tension stabilisée, - un boîtier métallique entourant complètement l'électrode A, ledit boitier étant rempli d'un gaz ionisable, - une seconde électrode B collectrice, d'axe Oz d'épaisseur supérieure au libre parcours moyen d'absorption des rayons ss émis par la source dans le matériau de l'électrode B, ladite électrode étant solidaire dudit boîtier pour réaliser en association avec ledit boîtier une enceinte étanche remplie de gaz ionisable, - des moyens par tige métallique s'insérant dans une ouverture du boîtier pour amener ladite source à l'intérieur du volume extérieur à ia chambre et délimité par la seconde électrode B, la source étant sensiblement située sur l'axe Oz en un point tel que la géométrie des électrodes A et B constitue un compteur 3n stéradians et que de plus cette tige métallique ajustée dans l'ouverture du boîtier complète le blindage électrique au potentiel de masse de ladite chambre constituée par le boîtier et ladite tige, - des moyens pour mesurer le courant collecté par ladite électrode B. 2. Chambre d'ionisation selon la revendication 1, caractérisée en ce que l'électrode B a la forme d'une demisphère. 3. Chambre d'ionisation selon la revendication 1, caractérisée en ce que l'électrode B est constituée par la surface latérale d'un cylindre chapeauté par un tronc de cône. 4. Chambre d'ionisation selon l'une quelconque des revendications 2 et 3, caractérisée en ce que l'électrode B est constituée par une feuille de beryllium d'épaisseur de l'ordre de 200p. 5. Dispositif selon la revendication l, caractérisé en ce que l'enceinte, constituée par le boîtier et la seconde électrode B, est remplie d'argon. 6. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'enceinte, constituée par le boîtier et la seconde électrode B, est remplie de xénon.