Brevet FR2356159A1 — publié le 19780120

La présente invention concerne un procédé et un dispositif de mesure absolue et relative du rayonnement otou du rayonnement neutronique émis par une source, utilisant un microphone. On sait que la mesure absolue de l'intensité du rayonnement a émis par une source ou la mesure relative et locale des valeurs de l'émission de cette même source est utile dans le domaine de la Physique et de la Chimie des radio-éléments. On sait qu'un premier type de détecteurs de particules a de conception classique sont employés pour la mesure de l'in densité des sources de faible activité. Leur principe de fonctionnement, chambres d'ionisation, compteurs, etc..., est basé sur l'exploitation de la mesure du nombre de paires électronsions résultant du passage d'une particule a dans un milieu gazeux (gaz rares et en particulier argon) ou solide (semi-conducteur). Les conditions d'ionisation ainsi que les systèmes électroniques choisis pour effectuer cette mesure dépendent du type de détecteur utilisé. Pour ces appareils, la limite supérieure de l'activité mesurable des sources aest déterminée, d'une part par l'effet d'empilement des particules détectées et, d'autre part par les caractéristiques du système électronique associé. Pour les détecteurs à semi-conducteur un autre effet limitant le domaine de fonctionnement provient de la détérioration des semi-conducteurs par le flux des particules a (effet de dommage). L'emploi des détecteurs classiques est limité aux faibles valeurs de l'activité, inférieures à 0,2 ou 0,3 uCi dans une détection 4s et pratiquement toujours inférieure à 1 mCi dans une détection à angle solide différentiel. On note enfin que l'emploi de ce premier type de détecteurs peut être également limité dans un domaine d'énergie des particules X Un second type de détecteurs, les calorimètres sont les seuls appareils actuellement utilisables dans le domaine des activités supérieures à quelques milliCuries. Le mode opératoire utilisé consiste à mesurer l'énergie totale libérée par la source et absorbée par le calorimètre. L'élévation de température du calorimètre n'étant pas due uniquement au rayonnement a il est nécessaire de connaître toutes les caractéristiques de la matiere radio-active dont on veut mesurer l'activité g telles que la densité des différents rayonnements, leur énergie, etc... et d'en dresser le bilan énergétique. La connaissance de la quantité de chaleur libérée par la source permet de remonter à l'activité totale en rayonnement , mais cette mesure calorimétrique est indirecte et souvent peu précise. De plus, une mesure calorimètrique présente- l'inconvénient de mesurer l'activité totale de la source a. Or une partie de l'émission ouest auto-absorbée dans la source elle-même ou son support entrainant un échauffement qui est mesur par le calorimètre. Or ce qui est important pour l'utilisateur est la mesure du rayonnement émergent ou efficace émis par la surface de la source. La mesure calorimétrique incluant l'auto-absorption est donc affectée d'une erreur systématique par excès. Le but de la présente invention est de pouvoir mesurer notamment l'activité émergente ou efficace du rayonnement démis par une source, par une méthode simple et fiable dans un domaine d'activité allant d'une fraction de mCi à plusieurs Curies, à l'aide d'un microphone électrique. Le procédé et le dispositif selon l'invention permettent tant des mesures absolues que des mesures relatives de l'activité des rayons a émis par une source, et permettent également une mesure de l'émission locale de ladite source. Enfin, lorsque le microphone comprend un matériau siège d'une réaction (n, , le procédé et le dispositif selon l'invention permettent une mesure du rayonnement neutronique émis par une source de neutrons. Plus précisément, le procédé selon l'invention, de mesure de rayonnement a émis par une source est caractérisé en ce qu'on dispose au voisinage de la source un microphone comportant deux plaques métalliques ; une premiere plaque du microphone, (appelée quelquefois armature) est disposée en regard de la source de rayonnement a et a une épaisseur suffisamment petite pour que le rayonnement a émis par la source la traverse sans atténuation notable.On établit entre ces deux plaques, comme dans un microphone capacitif habituel, une différence de potentiel continue et on détermine l'intensité du rayonnement N émis par la source en mesurant, après amplification, le potentiel développé entre les deux plaques du microphone, ledit potentiel étant créé par les charges recueillies sur ces plaques, charges créées par le rayonnement a dans le gaz ionisable compris dans le volume dBli- mité par les deux plaques. Dans un premier mode opératoire, le procédé selon l'invention consiste a calibrer l'ensemble électrode et amplificateur de potentiel, calibrage préalable réalisé par une source auxiliaire d'activité connue, puis a mesurer l'activité relative de la source étudiée en mesurant le potentiel moyen V (t) développé entre les plaques du microphone. Selon un second mode opératoire, le procédé selon l'invention, permet une mesure absolue du rayonnement démis par une source ou créé par une réaction (n, ou à partir d'un flux neutronique ; on mesure selon ce second mode opératoire d'une part le potentiel moyen 9 (tr développé entre les plaques du microphone, et d'autre part la racine carrée de la valeur moyenne du carré du potentiel V (t) entre deux fréquences données et en ce que l'on fait le rapport de ces deux quantités pour mesurer l'activité de la source de rayonnement v Pour l'application de-ces deux procédés à la mesure de l'intensité d'un flux neutronique, une des plaques métalliques constituant les armatures du microphone est recouverte d'un corps chimique émetteur de rayonnement sous l'influence d'un bombardement neutronique, tel que du Bore (B10) par exemple, siège de réactions (n, Hz . I1 est également possible de remplir le volume compris entre les deux plaques par un gaz tel que le N14 siège de réaction (n, . En cas de rayonnement mixte de particules et de neutrons on pourra avantageusement absorber les apar un écran (constituE par exemple par une première plaque épaisse) pour ne doser que les neutrons et ensuite à l'aide d'une plaque mince doser la somme a + neutrons, l'intensité a étant donnée par la différence des deux mesures L'invention concerne également un dispositif de mesure locale du rayonnement o émis par une portion de la source, dispositif qui sera décrit plus précisément par la suite. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaitront mieux après la description qui suit, d'exemples de réalisation donnés à titre explicatif et nullement limitatif en référence aux figures annexées sur lesquelles on a représenté - sur la figure 1 un schéma simplifié du dispositif selon l'invention utilisant un microphone pour la mesure du rayonnement a émis par une source, - sur la figure 2, le détail du dispositif électronique utilisé pour exploiter les signaux émis par le microphone, - sur la figure 3, la structure mécanique de l'extrémité du microphone incluant les deux plaques, - sur la figure 4, un schéma des différents pics xi (t), chaque pic x(t) correspondant à un évènement, c'est-a-dire la traversée d'une particule a dans l'espace séparant les deux plaques, - sur la figure 5, la transformée de Fourier h(f) en fréquence f de chaque pic élémentaire x(t). Sur la figure 1, on a représenté le dispositif selon l'invention permettant la mesure de l'émission a d'une source radio-active, La source a représentée en 2 est située a proxi- mité des deux plaques ou armatures (non représentées sur cette figure) d'un microphone 4 comportant une alimentation A de polarisation de ces plaques et une électronique E associée. L'ensemble microphone-source est placé dans- une enceinte 6 dont la pression est contrôlée par le manomètre 8, l'entrée du gaz de remplissage se faisant en 10 et la sortie du gaz en 12 par exemple. La circulation de gaz peut se faire sous l'action d'une pompe non représentée. En général, dans les dispositifs tels que celui représenté sur la figure 1, une partie seulement du rayonnement a émis par la source est reçue par les deux plaques du microphone et crée un plasma entre celles-ci avec dépôt de charges sur les deux plaques, dépôt de charges correspondant à l'émission a. Une partie du rayonnement est perdue ; toutefois, connaissant la distance entre la source et la plaque et les dimensions de ces plaques on obtient aisément le rapport entre l'émission mesurée et l'émission totale. I1 va de soi que dans le cadre de l'invention, il serait possible de donner aux deux plaques du microphone une structure hémisphérique ou éventuellement sphérique pour réaliser un compteur 2s, 3s ou 4s par exemple. La source de rayon a, est située à une distance de la première plaque du microphone, inférieure à la longueur d'absorp tion des rayons a dans le gaz de remplissage de l'enceinte 6, Sur la figure 1, on a représenté également un dispositif pouvant mesurer l'émissivité locale de la source de rayons a. Pour faire une cartographie de l'émission a de la source on dispose un tube 12 associé à une plaque 14 absorbant les rayons a émis par la source, Les m arrivant sur le microphone sont ceux traversant le cylindre constitué par l'intérieur du tube 12. Un dispositif mécanique 16 permet de mouvoir le tube 12 dans une direction et de repérer sa position par l'intermédiaire d'une règle graduée 18 ou de tout autre système de repérage de la position. I1 va de soi que l'on peut imaginer et réaliser facilement des moyens de déplacement du tube 12 selon deux directions en coordonnées cartésiennes ou en coordonnées polaires, I1 est ainsi possible de mesurer l'émissivité en rayons a de la source autour d'un point A intersection de l'axe du cylindre 12 et de la cible, On réalise ainsi une cartographie de l'émis- sivité de la source autour de points tels que A. Sur la figure 3, on a représenté le schéma mécanique de la tête du microphone, comportant une première plaque 22 de faible épaisseur et une seconde plaque 20, la plaque 20 étant supportée mécaniquement par l'intermédiaire de l'isolant 21. L'ouverture 25 sert à l'égalisation des pressions entre l'en- ceinte et l'intérieur du microphone. Avant d'étudier dans le détail le dispositif électronique de traitement des informations électriques correspondant au passage d'un rayon a ionisant entre les deux plaques du microphone et représenté sur la figure 2, on étudiera avec plus de précision la dynamique et la statistique des phénomènes électriques associés à la création des paires électrons-ions créées lors de la traversée d'un rayon entre les deux plaques d'un microphone, Sur la figure 4, on a représenté les différentes réponses x xi(t), réponses du système électronique au processus élémentaire provoqué par l'arrivée d'une particule a. La courbe x(t) est le potentiel électrique obtenu après amplification de la tension développée entre les deux plaques du microphone lors de l'arrivée d'un rayonnement a. La réponse x(t) telle que représentée sur la figure 4 est de faible durée. La largeur à mi-hauteur de l'impulsion x(t) est de l'ordre de la nanoseconde ou moins et n'est pas aisément observable directement, L'inertie des appareils électroniques fait qu'il est plus facile d'observer la réponse globale à l'ensemble du processus élémentaire c'est-à-dire la moyenne temporelle des impulsions x(t) telles que représentées sur la figure 4. C'est cette réponse globale que l'on se propose d'expliciter en fonction des caractéristiques de la fonction x(t) et de la fréquence p des évènements c'est-a-dire la fréquence moyenne des particules a (nombre de particules frappant la première plaque du microphone par seconde). Le processus élémentaire c'est-à-dire l'apparition des impulsions x(t) se produit de façon aléatoire, et stationnaire, les impulsions x(t) élémentaires étant indépendantes et identiques, il est possible d'appliquer les deux théorèmes de Campbell reliant l'un la valeur moyenne V(t) et l'autre la valeur quadratique moyenne, en fonction de p et de x(t) selon les formules Pour plus de précision quant à ces deux théorèmes, on se reportera avantageusement à l'article de S.O. Rice page 133 et suivantes du livre "Selected papers on noise and stochastic processes". En introduisant la transformée de Fourier h(f) de la fonction x(t), on obtient V(t) = p h(O) et en utilisant l'égalité de Parseval La mesure moyenne V(t) permet la détermination de p connaissant h(o). Cette valeur de h(o) ne dépendant pas de l'intensité de la source, la mesure de V(t) permet une mesure relative de p. On pourra ainsi à l'aide de la valeur moyenne V(t) obtenue après préamplification sur un voltmètre, mesurer, soit l'intensité relative de la source après calibrage préa- lable par une source auxiliaire d'activité connue, soit, à l'aide du dispositif représenté sur la figure 1, les variations de l'émissivité de la source suivant des angles donnés ou selon une direction donnée. L'utilisation supplémentaire d'un filtre passe-bande centré sur la fréquence f apres l'amplificateur délivrant x(t), filtre de gain g(f) fait que l'on obtient en sortie (f # 0). Pour un filtre de bande passante #f et de gain 1 constant dans la bande passante on obtient en sortie vf = 2p |h(f)|2 De manière inattendue et a priori peu prévisible, la différence de potentiel apparaissant aux bornes du microphone n'est pas liée à un phénomène mécanique. La différence de potentiel n'est pas due à l'impact des particules chargées sur les plaques mais à un phénomène de type électrique lié à l'apparition de charges sur ces deux plaques , conséquence de la création de paires électrons-ions entre les plaques. Ceci a été vérifié de façon non ambigüe en étudiant la courbe h(f) en fonction de la fréquence, cette variation correspondant à un processus électrique et non mécanique tel qu'expliqué dans la thèse d'un des inventeurs, thèse soutenue le 6 Janvier 1975. Sur la figure 5, on a représenté la variation h(f), transformée de Fourier de la fonction x(t). Le tracé de cette courbe h(f) telle que représentée sur la figure 5, est un moyen de vérifier que le processus physique de détection et de mesure de l'activité du rayonnement otest un processus de type électrique et non mécanique, auquel cas la structure de la courbe h(f) au voisinage de f = 0 serait essentiellement différente.On peut voir sur la courbe h(f) de la figure 5 que la réponse donnée par la formule où la fréquence fO est de l'ordre de 60 à 80 Hz par exemple est plate au voisinage de f = 0 ; si l'on mesure la courbe h(f) dans un domaine de fréquence autour de 20 Hz, on peut en extrapoler la valeur de h(f) quand f tend vers 0. I1 s'ensuit qu'alors et que le rapport permet de déterminer alors de façon absolue la valeur de p c'est-à-dire l'activité absolue de la source, Le voltmètre permettant de mesurez est un voltmètre non linéaire de type classique tel que manufacturé par Bruël-Kjaer. Sur la figure 2, on a représenté le détail de la réalisation électronique du dispositif selon l'invention, les mêmes références désignant les mêmes éléments que ceux représentés sur les figures 1 et 3. Le microphone est constitué par deux armatures 20 et 22, la plaque 22 étant perméable aux rayons ffi La différence de potentiel développé entre ces deux plaques est amplifiée par un préamplificateur 24 laissant passer le courant continu. Selon une première voie de mesure, la sortie du préamplificateur 24 envoie des signaux dans un voltmètre 28, voltmètre aux bornes duquel apparait la tension moyenne V(t3, C'est à partir de cette tension continue que l'on peut calculer la valeur du produit de p (fréquence des événements au multiplié Par la réponse h(o), Une autre chaine de mesure comprend le filtre F de gain et de bande passante Af, et le voltmètre non linéaire placé en série après le filtre, voltmètre désigné par la référence 30 délivrant en sortie la racine carrée de la valeur moyenne du carré de la tension V prise dans l'intervalle Af. I1 est commode d'inclure en sortie des voltmètres 28 et 30 un diviseur analogique 32 faisant le quotient des valeurs des sorties pour obtenir directement I1 va de soi qu'après le préamplificateur 24 on peut inclure d'autres amplificateurs. Le préamplificateur 24 comme dans tous les microphones de qualité, pour obtenir un bon rapport signal sur bruit est disposé à proximité immédiate des plaques Dans un exemple de réalisation, les paramètres utilisés sont les suivants - gaz de remplissage de l'enceinte 6 : Argon microphones utilisés : microphones commercialisés par la Firme BRUEL et KJAER ; on a utilisé un premier microphone de 1,27 cm de diamètre (type 4133) et un second microphone de 0,3 cm de diamètre (type 4138).La première plaque dumicro- phone est une membrane de quelques microns d'épaisseur, la distance entre les deux membranes étant dans un premier mode de réalisation de 20 microns, et dans un second mode de réalisation de 13 microns. La tension de polarisation de la capacité formée par les deux plaques du microphone est de quelques dizaines de Volts, la capacité du microphone est de 17 microFarads pour le premier microphone, 3,7 microFarads pour autre. L'isolement du système est supérieur à 107 mégohms.Les variations de tension avant amplification développées entre les plaques du microphone sont de l'ordre de quelques 2.10 J millivolt par particule s Dans le tableau qui suit on donne pour différents gaz de remplissage les valeurs de la fréquence p pour un microphone de tvoe 4133. V(t) = Vf0 A(mCI) Gaz, Pression (1ne4 V'' Hz p A (torr) Volts) (volts) 4 9 Air, 760 3,7 8,61 2,3.10 1,1.10 97 Air, 300 1,6 3,50 2,2.104 0,97.109 84 Argon, 650 4,8 10,92 2,3.104 1,1.10 97 4 - 9 Argon, 200 1,4 3,19 2,3.1D4 1,1.109 97 Néon, 760 3,6 8,06 2,25.10 î,0.î09 88 On peut ainsi tirer que A = 93 mCi 5 mCi L'activité en Curie est obtenue en fonction de p selon des calculs géométriques bien connus et exposés dans la thèse précédemment citée. Il va de soi que les méthodes connues de traitement de signaux telles que stockage sur ordinateur et mesure de la fonction d'autocorrélation. comptacre d'impulsion. etc... permettant de déterminer les valeurs de V(t) ei ne sortent pas du cadre de la présente invention dans la mesure où ils permettent par traitement du signal de sortie d'un microphone d'obtenir la fréquence p de façon absolue ou relative. REVENDICATIONS Dispositif de mesure du rayonnement cZ émis par une source, composé de - une première plaque disposée en regard de la source, ladite plaque étant perméable aux rayons émis par la source, - une seconde plaque parallèle à la première plaque, les deux dites plaques délimitant un volume rempli d'un gaz jonisable, - une alimentation électrique branchée entre les deux dites plaques établissant une différence de potentiel électrique continue entre ces deux plaques, - des moyens électroniques pour amplifier et enregistrer en fonction du temps les variations du potentiel V(t) développé entre les deux plaques, caractérisé en ce que les deux plaques sont les deux plaques d'un microphone séparées par une distance allant de quelques microns à quelques dizaines de microns et en ce que la différence de potentiel électrique entre les deux plaques est comprise entre quelques volts et quelques dizaines de volts. 2. Dispositif selon lazevendication -1, caractérisé en ce que lesdits moyens électroniques comprennent un préamplificateur de faible bruit laissant passer le courant continu disposé au voisinage immédiat de la seconde plaque et relié aux deux plaques, un voltmètre en sorti-e du préamplificateur, et en parallèle avec ledit voltmètre, un filtre relié à la sortie du préamplificateur et des moyens pour mesurer en sortie du filtre la racine carrée de valeur moyenne du carré des signaux traversant ledit filtre. 3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comprend de plus des moyens électroniques analogiques pour diviser les valeurs de sortie du voltmètre et des moyens mesurant la racine carrée de la valeur moyenne carré des signaux traversant ledit filtre. 4. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que -la première plaque est recouverte d'une substance apte à délivrer des rayons o( sous l'influence d flux neutronique. 5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le volume délimité par les deux électrodes est rempli d'un gaz ionisable et siège de réactions (n,D(). Nouvelles revendications déposées après premier projet d'avis documentaire.