Brevet FR2458805A1 — publié le 19810102

La présente invention se rapporte aux dispositifs pour l'étude de la composition de différentes matières et a notamment pour objet un dispositif pour l'analyse par activation de matières en gisement naturel. La présente invention est avantageusement applicable à l'analyse de diverses roches en gisement naturel, dans le but de déterminer dans celles-ci la concentration en éléments créant, sous l'effet de l'irradiation radioactive, des isotopes à courte demi-période de désintégration (Jusqu'à lOs), notamment afin de déceler le fluor, le lithium et le béryllium. Actuellement, l'analyse par activation de la composition des matières trouve une large application dans les recherches scientifiques ainsi que dans les différentes branches de l'industrie. Ceci s'explique par ses avantages par rapport aux techniques chimiques d'analyse traditionnelles, et notamment par un rendement élevé, un coût faible, une haute sensibilité, ainsi que par la possibilité de réaliser l'analyse sans destruction de l'obJet étudié. Le principe de l'analyse par activation consiste en ce qui suit. Lors de l'irradiation de matières par diverses particules, par exemple par les neutrons ou les quanta gamma, certains éléments de ces matières engendrent des isotopes radioactifs émettant une radiation secondaire.Les isotopes radioactifs sont caractérisés par leur demi-période, c'est-à-dire par le temps durant lequel la quantité d'isotope radioactif diminue de deux fois, ainsi que par la nature et la quantité d'énergie de la radiation secondaire. L'étude de ces caractéristiques permet de définir la quantité d'un isotope donné, et, d'après celle-ci, la concentration de l'élément à déterminer. On connais un dispositif pour l'analyse par activation (voir le livre "L'analyse par activation neutronique en géologie et géophysique". Moscou, 1972, par E. Blankov, T. Blankova, V. Roussiaev, K.3akoubson, pp. 125 à 128). Ce dispositif connu est prévu pour déterminer le silicium et l'aluminium dans les roches, en particulier lors de l'étude des minerais de bauxite. I1 comporte une source de radiation radioactive se présentant comme une source isotopique de neutrons placée dans le bloc d'un activateur, un conteneur dans lequel on dispose un échantillon en poudre de la matière à étudier, et un détecteur servant à l'enregistrement du rayonnement bêta provoqué.Le conteneur dans lequel se trouve l'échantillon en poudre est placé dans le bloc de l'activateur et irradié par les neutrons pendant un intervalle de temps égal à tois demi-périodes de l'isotope aluminium-28. Après irradiation, le conteneur contenant l'échantillon est manuellement transféré et installé dans le bloc du détecteur pour mesurer la radiation secondaire créée (les particules bêta). Connaissant l'intensité du rayonnement bêta de l'échantillon, on peut Juger de sa teneur en aluminium. Ce dispositif est utilisé pour l'étude des éléments dont les isotopes présentent des demi-périodes importantes (aluminium, silicium et autres). Cependant, cette conception ne convient pas du tout pour l'étude des éléments dont les isotopes présentent de brèves périodes radioactives (Jusqu'à lOs), étant donné que le temps de transfert du container avec l'échantillon depuis le bloc de l'activateur Jusqu'au bloc du détecteur constitue environ 30 sec. En outre, le dispositif connu ne peut être utilisé pour l'analyse de matières en gisement naturel. On connatt également un dispositif pour l'analyse par activation de la teneur en cendres des charbons (voir le brevet britannique, C1. G1A, n0960408). La structure décrite dans ce brevet comprend une source de radiation radioactive (un générateur de neutrons), un écran, un détecteur de radioactivité induite et un organe pour le déplacement du charbon à étudier de la source au' détecteur, cet organe étant conçu sous forme d'un convoyeur à bande. Le charbon à étudier est déversé sur le convoyeur et déplacé successivement devant la source de neutrons et le détecteur. Comme conséquence de l'activation par neutrons, il se crée dans l'échantillon étudié des isotopes radioactifs dont la radiation secondaire, notamment les quanta gamma, est mesurée par le détecteur. Toutefois, ce dispositif, malgré la présence d'un organe pour le déplacement de la matière à analyser de la source au détecteur, ne permet pas d'étudier les éléments dont les isotopes possèdent de brèves périodes radioactives, vu que le temps de déplacement du convoyeur à bande est très important. De plus, ledit dispositif ne peut être utilisé pour l'analyse de matières en gisement naturel. On connatt encore un dispositif pour l'analyse par activation, notamment pour déterminer la teneur en oxygène des échantillons de béryllium (voir le brevet américain, C1. 250-106, nO 3515868). Ce dispositif comporte une source de radiation radioactive, un détecteur de radioactivité induite, ainsi qu'un organe pour le déplacement des échantillons (celui à étudier et celui de référence) de la source au détecteur. L'organe pour le déplacement des échantillons est réalisé selon ce brevet, sous forme de deux mécanismes cinématiques à parallélogrammes, liés à des dispositifs à balanciers, sur lesquels on dispose les échantillons à étudier. Cependant, le temps nécessaire au transfert des échantillons de la source au détecteur est, suivant le brevet, de 5 à 10 minutes. I1 en résulte que ce dispositif connu ne convient pas pour l'étude des éléments dont les isotopes présentent de brèves périodes radioactives. Outre cela, le dispositif décrit ne permet pas l'étude de matières en gisement naturel. On connaît enfin un dispositif pour l'étude de minerais par la méthode d'activation neutronique (voir le brevet américain C1. 250-101, nO 3463922). Ce dispositif comporte une source de radiation radioactive (une source de neutrons), un détecteur de radioactivité induite et un écran situé entre la source et le détecteur, montés tous les trois sur un bâti. Le bâti est monté sur une plate-forme et fixé à celle-ci au moyen d'un mécanisme à ressorts. Le mécanisme à ressorts sert au déplacement du bâti et assure la mise en place alternée de la source et du détecteur au-dessus de la partie de surface à irradier. I1 est prévu également un mécanisme à verrou destiné à maintenir le bâti dans une position déterminée par la tension des ressorts. Ce dispositif connu fonctionne de la manière suivante. Pour irradier la surface à étudier, on dispose le bâti, à l'aide du mécanisme à ressorts, de telle manière que la source de radiation radioactive se situe au-dessus de la partie de surfacez à irradier. Le bâti est immobilisé dans cette position à l'aide du mécanisme à verrou. L'irradiation achevée, le mécanisme à verrou est débloqué, et le bâti est fixé, sous l'action du mécanisme à ressorts, dans la position où le le détecteur de radioactivité induite se trouve disposé au-dessus de la partie de surface à irradier. Toutefois, en cas d'analyse d'éléments possédant des isotopes à courte période radioactive, afin d'obtenir des résultats statistiquement authentiques, il est nécessaire de pratiquer l'irradiation et la mesure de la radioactivité induite un grand nombre de fois en un même point de la surface. Pour conduire ces opérations à l'aide dudit dispositif, il est indispensable, comme cela a été mentioné ci-dessus, de tendre chaque fois le mécanisme à ressorts, ce qui exige, selon le brevet, plusieurs minutes. I1 est naturel que pour l'étude des isotopes à brève période radioactive, le rendement d'une telle structure,en cas d'utilisations multiples, soit extrêmement faible. La présente invention a donc pour but de créer un dispositif pour l'analyse par activation, qui permettrait d'obtenir des résultats statistiquement plus authentiques lors de l'analyse d'éléments engendrant, sous l'effet de l'irradiation radioactive, des isotopes à brève période radioactive. A cet- effet, l'invention prpose un dispositif pour l'analyse par activation de matières en gisement naturel, du type comprenant une source de radiation radioactive et un détecteur de radioactivité induite, montés de façon à permettre leur mise en place alternée au-dessus de la partie de surface à irradier, et fixés sur un bâti pourvu d'un mécanisme pour son déplacement par rapport à la partie de surface à irradier, caractérisé, selon l'invention, en ce que la source de radiation radioactive et le détecteur de radioactivité induite sont situés à égale distance de l'axe de l'arbre, rigidement lié au bâti, du mécanisme de déplacement dudit bâti, réalisé sous forme d'une commande derotation, et sont disposés de manière à permettre leurs déplacements relatifs. Une telle réalisation de la structure assure la possibilité d'une répétition multiple et rapide des opérations d'irradiation et de mesure de la radioactivité induite d'une zone déterminée de la matière, ce qui est surtout important en cas de détermination d'isotopes à brève période radioactive, étant donné que,dans ce cas, afin d'obtenir des résultats statistiquement authentiques, il est nécessaire notamment d'effectuer l'irradiation et la mesure de la radioactivité induite de la matière un grand nombre de fois. il est utile que la source de radiation radioactive soit montée avec possibilité de déplacement le long de l'axe de l'arbre. I1 est également utile que le détecteur de radioactivité induite soit monté lui aussi avec possibilité de déplacement le long de l'axe de l'arbre. I1 est en outre avantageux que la source de radiation radioactive et le détecteur de radioactivité induite soient montés avec possibilité de déplacements relatifs perpendiculaires à l'axe de l'arbre. I1 est aussi intéressant que la source de radiation radioactive et le détecteur de radioactivité induite soient montés de manière à permettre leurs déplacements relatifs suivant une circonférence dont le centre se situe sur l'axe de l'arbre. L'invention sera mieux comprise et d'autres buts, détails et avantages de celle-ci apparaîtront mieux à la lumière de la description explicative qui va suivre de différents modes de réalisation donnés uniquement à titre d'exemples non limitatifs avec références aux dessins non limitatifs annexés dans lesquels - la figure 1 représente une vue d'ensemble du dispositif pour l'analyse par activation de matières en gisement naturel, selon l'invention - la figure 2 représente une vue frontale du même dispositif pour l'analyse par activation, selon l'invention - la figure 3 est une modification de l'invention, dans laquelle la source de radiation radioactive est montée avec possibilité de déplacement le long de l'axe de l'arbre, selon l'invention - la figure 4 est une modification de'l'invention, dans laquelle la source et le détecteur sont montés de manière à permettre leurs déplacements relatifs suivant une circonférence dont le centre se situe sur l'axe de l'arbre la figure 5 représente le même dispositif vu en coupe suivant .V-V de la figure 4 - la figure 6 représente le même dispositif vu en coupe suivant VI-VI de la figure 4. Le dispositif pour l'analyse par activation, réalisé selon l'invention, comprend une source 1 (figure 1) de radiation radioactive, un détecteur 2 de radioactivité induite et un bâti 3. La source 1 et le détecteur 2 sont fixés au bâti 3 à l'aide d'organes 4 et 5. Le mécanisme 6 pour le déplacement du bâti est conçu sous forme d'une commande de rotation 7. Le bâti 3 est relié à la commande 7 au moyen d'un arbre 8. Entre la source 1 et le détecteur 2 est monté un écran 9 prévu pour protéger le détecteur 2 de la radiation directe et diffuse de la source 1. La source 1 et le détecteur 2 sont disposés sur le bâti 3 de manière qu'ils se trouvent touJours à égale distance de l'axe 10 de rotation du bâti 3. La commande 7 de rotation du bâti 3 comporte un moteur électrique 11, un manchon d'accouplement 12 et un réducteur 13. Le moteur électrique 11, le réducteur 13 et l'écran 9 sont montés immobiles sur un socle 14. Le mécanisme 6 prévu pour le déplacement du bâti 3 et conçu sous forme d'une commande de rotation.7, assure la mise en place alternée de la source 1 et du détecteur 2 au-dessus de la zone à irradier 15 de la surface concernée. Les organes 4 et 5 sont fixés sur le bâti 3 à l'aide de vis 16 et 17, respectivement. L'organe 5 comporte un support 18, des vis 19 et une monture, frette ou analogue 20. Le support 18 est pourvu de rainures débouchantes longitudinales 21 dans lesquelles sont placées les vis 19. La monture 20 est constituée par deux pièces identiques 22, chacune desquelles est reliée, au moyen d'un orifice fileté 23, à une vis 19 correspondante. Le détecteur 2 de radioactivité induite est monté dans la monture 20. Les vis 16 et 17 (figure 2) sont placées dans des rainures débouchantes longitudinales 24 et 25 et sont destinées à la fixation de la source 1 (figure 1) et du détecteur 2 à la distance requise de l'axe de rotation 10. La figure 3 représente une variante de réalisation de la structure proposée, dans laquelle l'organe 4 assure le déplacement de la source 1 le long de l'axe 10 de l'arbre 8. Dans cette variante de réalisation, l'organe 4 (figure 3) comporte une douille cylindrique 26, une pièce cylindrique creuse 27 et une vis 28. La douille cylindrique 26 est fixée au bâti 3. Sur la surface latérale de la douille 26 est exécutée une rainure débouchante longitudinale 29 dans laquelle est placée la vis 28 liée à la pièce cylindrique 27. La source 1 est montée dans le volume intérieur de la pièce cylindrique 27, sur un socle 30. La figure 4 représente une variante de réalisation du dispositif, dans laquelle les organes 4 et 5 assurent le déplacement de la source 1 et du détecteur 2 suivant une circonférence dont le centre se situe sur l'axe 10 de rotation de l'arbre 8. Dans cette variante de réalisation, l'organe 4 comprend un secteur 31 (figures 4, 5), un boîtier 32 et des vis 33. Les vis 33 sont vissées dans la partie supérieure du bottier 32 (figure 5) et fixent celui-ci sur le secteur 31. La source 1 de radiation radioactive est montée dans le bottier 32. L'organe 5, dans cette variante de réalisation, comporte un secteur 34, le support 18 déJà mentionné et des vis 35. Les vis 35 (figure 6) sont vissées dans la partie supérieure du support 18 et fixent celui-ci sur le secteur 34. Le fonctionnement du dispositif est le suivant. Après le positionnement de la source 1 (figure 1) au-dessus de la zone à étudier 15 de la surface concernée et l'irradiation de celle-ci pendant l'intervalle de temps prescrit, on met en marche le moteur électrique 11 de la commande 7, ce qui fait pivoter le bati 3. En conséquence-, la source 1 de radiation radioactive s'éloigne de la zone 15, et à sa place vient se placer le détecteur 2. Lorsque le détecteur 2 se trouve placé au-dessus de la zone 15 irradiée précédemment par la source 1, il enregistre la radiation de l'isotope radioactif engendré par suite de la réaction connue de l'analyse par activation neutronique.Le fait que le mécanisme 6 pour le déplacement du bâti 3 est conçu sous forme d'une commande de rotation 7 assure la possibilité de répétition multiple et rapide des opérations d'irradiation et de mesure de la radioactivité induite de la zone 15 de la surface étudiée. Pour déplacer la source 1 suivant l'axe 10 de l'arbre 8, on desserre la vis 28 (figure 3), puis on fait déplacer la pièce cylindrique creuse 27 dans la douille cylindrique 26, et l'on fixe de nouveau la pièce 27 en position requise à l'aide de la vis 28. A noter que, pour irradier une surface de grande superficie et diminuer l'influence des aspérités de la surface étudiée sur les résultats de l'analyse (dans le cas où l'intensité du rayonnement ne présente pas une trop grande importance), on place la source 1 à une distance importante de la zone 15 de la surface considérée. Lorsqu'il est nécessaire d'obtenir une irradiation plus intense de la zone 15, on fait descendre la pièce creuse cylindrique 27 avec la source 1 et, de ce fait, on diminue la distance entre la source 1 et la zone 15 à irradier. Pour déplacer le détecteur 2 le long de l'axe 10 de l'arbre 8 Jusqu'à la position requise, on desserre les vis 19 (figure 1), on déplace la monture 20 suivant les rainures 21 du support 18,etaumoyen des vis 19, on fixe la monture 20, avec le détecteur 2 monté dans celle-ci, dans la position nécessaire Au cas où le détecteur 2 est placé à une distance importante de la zone 15 de la surface concernée, l'influence des aspérités de ladite surface diminue et la superficie de la zone 15, pour laquelle on enregistre la radioactivité induite, croit. Lorsqu'il est nécessaire d'enregistrer un rayonnement d'activité induite de faible intensité, on place le détecteur 2 plus près de la zone 15 de la surface étudiée. Pour étudier une zone de surface qui est plus rapprochée ou, au contraire, plus éloignée de l'axe 10 de l'arbre 8, on effectue des déplacements relatifs de la source 1 et du détecteur 2 perpendiculairement à l'axe 10 de l'arbre 8. A cette fin, on effectue les opérations suivantes. D'abord on desserre les vis 16 et 17 (figure 4), ensuite on fait déplacer les organes 4 et 5, à l'aide desquels sont fixés respectivement la source 1 et le détecteur 2, suivant les rainures longitudinales débouchantes 24 et 25 du bâti 3, puis on fixe les organes 4 et 5 dans la position requise à l'aide des vis 16 et 17. Pendant ces opérations, il est nécessaire de respecter la condition d'égalité des distances séparant l'axe 10 de l'arbre 8 de la source 1 et du détecteur tt respectivement. Pour modifier le temps de déplacement du détecteur 2 vers la zone 15 qui a été irradiée précédemment par la source 1, la vitesse de rotation de la commande 7 restant la même, on fait varier la distance entre la source 1 (figure 4) et le détecteur 2 suivant une circonférence dont le centre est situé sur l'axe 10 de l'arbre 8. Pour cela, on desserre les vis 33 (figure 5), on déplace le bottier 32, avec la source 1 fixée à l'intérieur de celui-ci, suivant le secteur 31, et on fixe ce bolier dans la position requise au moyen des vis 33, ou bien on déplace suivant le secteur 34 le support 18 (figure 6) avec le détecteur 2 fixé à l'intérieur de celui-ci, et on fixe ce support dans la position requise à l'aide des vis -35, ou bien on déplace en même temps le bottier 32 (figure 4) et le support 18. On va maintenant examiner, à titre d'exemple, le fonctionnement du dispositif quand il s'agit de déterminer le lithium dans les minéraux. On irradie une section de la roche supposée contenir du lithium à l'aide d'une source 1 (figure 1) au polonium et au béryllium émettant des neutrons rapides, laquelle source est ralentie Jusqu'aux énergies thermiques par un ralentisseur à paraffine (non représenté). Par suite de l'interaction entre les neutrons thermiques et les noyaux de l'isotope lithium-7 contenu dans la roche; il se crée un isotope radioactif lithium-8 émettant un rayonnement bêta très dur, à énergie maximum de 13 MeV. La période radioactive de l'isotope lithium8 constitue environ 0,85 s. Le temps optimal d'irradiation est d'environ trois périodes radio-actives, c'est pourquoi on effectue l'irradiation pendant environ 2,5 s. Au bout de 2,5 secondes, on fait pivoter le bâti 3, ce qui a pour effet d'éloigner la source 1 de la zone irradiée et de placer au-dessus de celle-ci le détecteur 2 de radioactivité induite. Même si la vitesse de rotation du bâti 3 est égale à 1 tr/s, le détecteur 2 vient se placer au-dessus de la zone irradiée en un temps inférieur à 1 s. Pendant ce temps, une partie de l'isotope radio-actif lithium-8 créé se désintègre mais la partie restante de cet élément est amplement suffisante pour effectuer une analyse qualitative. La radioactivité induite est mesurée durant 2 s. Après ce laps de temps, il est inutile de continuer les mesures, étant donné qu'à ce moment plus de 90% de l'isotope lithium-8 se sont déJà désintégrés. On apprécie la concentra tion en lithium dans la roche d'après le nombre d'impulsions enregistrées. Le nombre d'impulsions enregistrées est proportionnel à l'activité induite due à l'isotope lithium-8 et, par conséquent, à la concentration en lithium dans la roche. Dans le but d'obtenir une précision statistiquement suffisante de détermination de la teneur de la roche en lithium, il est nécessaire de répéter les opérations citées, c'est-à-dire l'irradiation et la détection, un grand nombre de fois, de préférence 20 à 30. Le dispositif proposé permet aussi de déterminer la teneur en lithium dans la roche étudiée d'une façon différente, notamment par rotations continues multiples de la source 1 et du détecteur 2.Lors de la rotation du bâti 3 à une vitesse d'environ 1 tr/s ou à une vitesse plus grande, l'isotope lithium-8 se trouvant dans n'importe quelle zone de la roche n'a pas le temps de se désintégrer entièrement durant un tour. Après plusieurs tours, on atteint un état d'équilibre, lors duquel le nombre d'atomes de l'isotope lithium-8, produits sous l'action des neutrons, et le nombre d'atomes qui se désintègrent, deviennent égaux. Les opérations ultérieures sont inutiles, parce qu'elles ne modifieront pas l'état d'équilibre radioactif. Après avoir effectué l'irradiation et la mesure pendant un intervalle de temps suffisant pour obtenir une précision statistiquement suffisante, on détermine la concentration de l'isotope lithium8 dans la zone de la roche à analyser, dont la largeur est égale à la zone depuis laquelle le rayonnement bêta est émis vers le détecteur 2, et dont le rayon est égal à la distance depuis l'axe de rotation Jusqu'à la source 1 ou au détecteur 2. Pour élever le rendement de l'analyse, on peut, tout en mesurant par le détecteur 2 la radioactivité induite d'une zone de la surface à étudier, irradier en même temps une autre zone de cette surface. Le dispositif proposé permet - d'obtenir des résultats statistiquement plus authentiques en cas d'analyse d'éléments produisant, sous l'effet de l'irradiation radioactive, des isotopes à brève période radioactive - d'augmenter la portée de l'étude grâce à l'irradiation et la mesure de la radioactivité induite de tous les points du milieu situés à égale distance de l'axe 10 de rotation de l'arbre 8, ainsi que grâce à la possibilité de faire varier cette distance dans les limites de la longueur du bâti 3 et, de ce fait, d'étudier une superficie importante de la surface ; ; - d'élever le rendement de l'analyse de matières grâce à l'irradiation par des particules radioactives et à la mesure de la radioactivité induite avec rotation rapide du bâti 3, ainsi que grâce à la mesure de la radioactivité induite en un point de la roche à étudier pendant qu'un autre point de cette roche est irradié. Bien entendu, l'invention n'est nullement limitée aux modes de réalisation décrits et représentés qui n'ont été donnés qu'à titre d'exemple. En particulier, elle comprend tous les moyens constituant des équivalents techniques des moyens décrits ainsi que leurs combinaisons, si celles-ci sont exécutées suivant son esprit et mises en oeuvre dans le cadre des revendications qui suivent. REVENDICATIONS 1. Dispositif pour l'analyse par activation de matières en gisement naturel, du type comprenant une source de radiation radioactive et un détecteur de radioactivité induite, montés de façon à permettre leur mise en place alternée au-dessus de la zone à irradier de la surface concernée, et fixés sur un bâti pourvu d'un mécanisme pour son déplacement par rapport à ladite zone, caractérisé en ce que ladite source de radiation radioactive et ledit détecteur de radioactivité induite sont situés à égale distance de l'axe de l'arbre, rigidement lié audit bâti, du mécanisme pour le déplacement dudit bâti, ce mécanisme étant conçu sous forme d'une commande de rotation, et sont montés de manière à permettre leurs déplacements relatifs. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la source de radiation radioactive est montée de façon à permettre son déplacement le long de l'axe de l'arbre. 3. Dispositif selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que le détecteur de radioactivité induite est monté de façon à permettre son déplacement le long de l'axe de l'arbre. 4. Dispositif selon l'une des revendications 1, 2 et 3, caractérisé en ce que la source de radiation radioactive et le détecteur de radioactivité induite sont montés de manière à permettre leurs déplacements relatifs perpendiculairement à l'axe de l'arbre. 5. Dispositif selon l'une des revendications 1, 2, 3 et 4, caractérisé en ce que la source de radiation radioactive et le détecteur de radioactivité induite sont montés de façon à permettre leurs déplacements relatifs suivant une circonférence dont le centre se situe sur l'axe de l'arbre.