Brevet FR2446490A1 — publié le 19800808

L'invention se rapporte à des dispositifs de mesure intégrale de radiations ionisantes et en particulier à la réalisation de dosimètres portables. Comme il est bienconnu, le personnel évoluant dans un environnement à haut risque, tel que celui de l'industrie nu cléaire, doit être co-flstamment suivi sur un plan médical et en particulier il doit etre déterminé avec précision, quelles sont les doses de radiations ionisantes auxquelles a pu être soumis, par accident, ce personnel. Des instruments de mesure portatifs ont été proposés dans le passé et, notamment, des dosimètres dans lesquels il est mesuré la décharge d'un condensateur sous l'action des radiations ionisantes. La charge dTun condensateur n'étant pas stable du fait des imperfections des diélectriques, il doit être procédé fréquemment au recalibrage de ces instruments de mesure. L'invention pour pallier cet inconvénient propose l'utilisation de Ia décharge d'un électret, chargé électriquement à une valeur initiale prédéterminée, sous l'action de radiations ionisantes, comme moyen transducteur d'un dosimètre associé à des moyens d'affichage ou d'alarme. Un électret possède une très grande stabilité intrinsèque et peut se présenter sous forme d'un film en polypropylène chargé électriquement, de très faible coût, pouvant être jeté après usage, c'est-à-dire lorsque le dosimètre aura été effectivement exposé à un rayonnement ionisant. En l'absence de rayonnement, et à l'exception d'un calibrage initial éventuel, le dispositif conseryera ses propriétés indéfiniment, sans nécessiter d'interventions de réglage ou de recalibrage. L'invention a donc pour objet un dispositif de mesure intégrale de radiations ionisantes comprenant des moyens transducteurs et des moyens de signalisation ; dispositif caractérisé en ce que les moyens transducteurs comprennent un matériau électret, chargé électriquement -à une valeur initiale-prédéterminée ; l'amplitude de la variation de la charge électrique du matériau électret par. rapport à la palpeur initiale, représentant à tout instant la dose de rayonnements absorbée par le dispositif exposé à dea radiations ionisantes. L'invention sera mieux comprise et d'autres caractéristiques apparaitront à la lecture de la description ci-après, en se référant aux dessins annexés parmi lesquels - les figures 1 à 7 illustrent le phénomène physique mis en oeuvre dans l'invention ; - les figures 8 à 11 illustrent une réalisation de dosimètre selon une première approche conforme à l'invention ; - les figures 12 à 17 illustrent plusieurs variantes de dosimètres réalisés selon une deuxième approche conforme à l'invention ; les figures 18 à 23 illustrent plusieurs variantes de dosimètres réalisés selon une troisième approche conforme à l'invention. Le phénomène physique mis en oeuvre dans l'invention va tout d'abord être exposé en relation avec les figures 1 à 7. Qn sait que certains matériaux et notamment les polymères tels que le polypropylène et le polytétrafluoroéthylène peuvent constituer des électrets. C'est-à-dire que ces matériaux présentent une conductivité électrique pratiquement nulle. I1 faut entendre par là que le temps de relaxation des charges portées par le diélectrique peut être évalué à environ un siècle, à température ambiante. On peut donc y implanter des charges électriques en excès qui ne peuvent ni s'écouler, ni être masquées par des charges présentes dans le diélectrique. L'implantation de charges est obtenue soit par effet Corona, soit à l'aide d'un canon électronique. Un tel film de polymère chargé se présente donc comme un plan de charges créant un champ électrique externe. Si le film est introduit dans une enceinte contenant un gaz ionisé les ions se déplacent dans le champ électrique de l'électret ; ils sont collectés par sa surface créant ainsi une charge de surface qui tend à compenser la charge interne de l'électret. La charge totale équivalente diminue et s'annule, ce qui se traduit par la décroissance et l'annulation du potentiel de surface de ltélectret. Il eat à noter que l'électret soumis à un rayonnement ionisant peut éventuellement présenter une photoconductivité intrinsèque les charges libérées à l'intérieur de l'électret tendent à compenser les charges implantées, mécanisme qui contribue également à la diminution de son potentiel de surface Vs. La dépendance de Vs vis à vis de l'intensité de l'irradiation est difficile à prévoir dans le cas général, ceci est dû essentiellement à la non linéarité de la résistance équivalente au volume de gaz ionisé : ceci dépend du libre parcours moyen des ions comparé aux dimensions de l'enceinte considérée et de la densité ionique comparé à la densité de molécules ionisables. Dans le cas du libre parcours moyen grand devant les dimensions du volume, et aux faibles taux dtionisation, la loi de dépendance est une loi exponentielle. Dans ces conditions la constante de temps de décroissance du potentiel de surface est inversement proportionnelle à l'intensité d'irradiation et au volume de gaz contenu dans l'enceinte. Dans tous les cas la constante de temps de décharge, en l'absence d'irradiation, est tellement grande, (de l'ordre du siècle) que la mesure de Vs peut être considérée comme une mesure intégrale de la dose de rayonnement absorbée dans le volume de gaz considéré. Sur la figure 1, un film électret 1 est tendu sur un cadre d'épaisseur variable 2, posé sur des cales d'épaisseur 3 et placé sur un chariot mobile métallique 4. L'épaisseur variable du cadre ménage donc une enceinte d'épaisseur variable remplie d'air, entre l'électret 1 et une électrodeinférieure, c'està-dire le chariot métallique 4. L'électret a été représenté placé sous une pointe 5, portée à un potentiel élevé (3 à 7 KV) produit par un générateur 6 ; l'électret se charge par effet Corona. Le potentiel de surface initial VsOest de l'ordre de 2 KV, pour une tension de pointe de 5 KV, appliquée pendant 3 secondes. Ce potentiel est ensuite mesuré à l'aide de la sonde 8 d'un voltmètre électrostatique 7 (figure 3). L'électret est à nouveau exposé à la source 6, et ainsi suite. Les différentes valeurs de potentiel mesurées sont ensuite assemblées sur les courbes des figures 4 et 5. Sur la figure 4, il a été tracé deux courbes, la courbe qui est la courbe normalisée de décroissance du potentiel de surface en fonctiot du rayonnement reçue exprimé en milliröntgen (1R 2,58 x 10 4 C.Kg 1) l'électret ayant. été chargé positive- ment. La cour be représente une courbe. analogue,-ltélectret ayant été chargé négativement. La source de rayonnement est une source de rayons y, produits par du Cobalt 60. Le potentiel de surface initial mesuré Vso est 1720 volts.II est à constater qu'une charge positive de l'électret conduit à une sensivité supérieure à celle mesurée avec une charge négative.Dans ce qui suit, sans que cela soit limitatif, une charge positive sera utilisée dans tous les exemples cités. Sur la figure 5, il a été reporté les courbes de décroissance du potentiel de surface normalisé par rapport au potentiel de surface initial V O, en fonction du temps. Ces courbes sont paramétrées en épaisseur e de l'enceinte remplie d'air ; la valeur e est explicitée sur la figure 7. I1 a été répresenté sur la figure 5, quatre courbes : e = 0mm, e = 3 mm, e = 15 mm, e = 40 mm. L'électret a été exposé à une source de rayons X ayant les caractéristiques suivantes - tension 60 KV ; - courant lm A. Le potentiel de surface Vso mesuré, était de 2100 volts ; charge Corona positive. D'autres courbes, non représentées, ont été obtenues en exposant électret à-un rayonnement r Qu'il s'agisse de rayonnement y ou de rayonnement X, la décroissance du potentiel de surface Vs est d'autant plus rapide que l'épaiSseur de l'enceinte remplie d'air est plus grande. Chaque courbe tend non pas vers une valeur nulle, mais vers une valeur limite du potentiel de surface Vsl. Cette valeur est illustrée par la figure 6. Elle est d'autant plus faible que l'épaisseur e de l'enceinte d'air est plus grande.La dépendance du potentiel de surface Vs, en fonction la dose absorbée P, est décrite par la relation Vs - V51 = (VSO - Vsl) exp U ou en nofmalisant cette relation u - u = (1 - ul) exp - D avec u = V et cette relaion u Vs o D0 V50 u1 V 50 Les dosimètres réalisés selon l'invention vont mettre en oeuvre les principes qui viennent d'être exposes. Les figures 8 à Il illustrent une première approche de réalisation de dosimètres selon l'invention. La figure 8 représente un dosimètre à électret réalisé selon le principe de l'électroscope. Ce dosimètre est constitué par une feuille pliée 1, dont la pliure est insérée-dans la fente d'un support métallique 2. La figure 9 montre un détail agrandi de la pliure de l'élec- tret 1, insérée dans le barreau métallique 2. Cette feuille est chargée uniformément et les deux demi-plans de la feuille repliée forment un angle a d'autant plus grand que la charge de électret est plus grande. C'est le principe de l'électroscope. Lorsque cet électret est soumis à un rayonnement ionisant l'angle a tend à diminuer dans les mêmes proportions que la charge de 1' électret. La figure 11 illustre la décroissance de l'angle a en fonction du rayonnement ionisant absorbé par l'électret exprimé en millirontgen. L'électret réalisé selon les principes de la figure 8, a été exposé à une source de rayons X de 60 KV, d'intensité 1 m A. La tension initiale obtenue par effet Corona était dè 6 K V. L'électret est constitué par une feuille de polypropylène. L'angle a a été mesuré par réflexion d'un faisceau laser sur les deux demi-plans repliés, l'angle initial est 0,5 radian. 2 Les deux demi-plans ont une surface de 2 cm . A charge de surface donnée, l'angle a ne dépend pas de la longueur de ces demi-plans, mesurée selon un axe parallèle à l'arrête du dièdre, mais il croit avec la hauteur, puisque la force de répulsion électrostatique dépend de la surface et la force de rappel de la longueur. Du fait de sa symétrie, ce dosimètre est insensibie aux accélérations et aux chocs : l'équilibre entre force électrostatique et force de rappel mécanique rend ce dièdre indéformable. - La figure 10 illustre un exemple de réalisation pratique. L'électret 1, replié sur lui-même est inséré dans un demi-barreau cylindrique métallique 2. L'ensemble est placé dans un tube métallique 3. Sur la figure 10, il a été réalisé une coupe selon l'axe Z Zq,. pour montrer les éléments intérieurs au tube. Le tube comprend deux fenêtres réalisées en matériau transparent 4 et 5, Un disque en matériau transparent 6, portant une échelle graduée 7, permet de mesurer l'angle a. Un observateur 8 fixe une source lumineuse 9, oui peut être la limière du jour, et aligne les deux demi-plans repliés de électret 1 avec l'échelle 7,-L'échelle peut être également portée sur l'une des fenêtres- 4 ou 5. L'échelle 7 peut être graduée directement en dose absorbée.Le dosimetre ayant des dimensions de l'ordre de quelques centimètres, peut être porté en permanence par une personne évoluant à proximité de sources de rayonnement nucléaire. Les matériaux constituant le dosimètre étant bon marché, celui-ci peu--t-- êtr'e Jet- $, usage, c'est-à-dire lorsque il a été effectivement soumis à des radiations ionisantes. Dans une variante la feuille repliée 2 peut être une feuille métallique, de faible épaisseur et le barreau 1 un matériau électret, Les figures 12 à 17 illustrent plusieurs variantes de dosimètres réalisés selon une deuxième approche cqnforme à l'invention. Dans tous les cas, les moyens transducteurs sont constitués par une feuille en matériau électret. En plus de ces moyens transducteurs, le-dosimètre comprend des moyens de signalisation, ctestà-dire d'affichage ou d'alarme. En référence aux figures 12 à 14, on va décrire une première variante de dosimètre. Les moyens de signalisation comprennent un élément semi-conducteur à effet de champ. Cet élément semi-conducteur est un barreau de silicium, de surface 10 mu d'épaisseur 200 ijm. Cet élément porte deux-contacts ohmiques, c2 et c2 et est placé à 2 mm au-dessus du film électret 1. Le film électret 1 étant chargé positivement, le champ externe enrichit en électrons la surface du silicium, dont la résistance R2 décroit. Le film électret est lui-même placé sur un écran métallique 2. Si ce film électret est soumis à un rayonnement ionisant 6, par exemple un rayonnement X ou un rayonnement y, la charge de cet électret va décroitre. Si l'on fait traverser le barreau de silicium R2 par un courant, la variation de ce courant est représentative de la variation de la charge de l'électret, donc de la dose absorbée. L'élément semi-conducteur R2 peut être placé dans une des branches d'un pont de mesure comme indiqué sur la fanure 13. La résistance d'un semi-conducteur etant fortement dépendante de la température, on devra compenser cet effet. Pour se faire on place un autre barreau de silicium R1, dans une Seconde branche du pont de mesure, ce barreau-de silicium R1 est en contact thermique avec le barreau R2. Sur la figure 12 ces deux barreaux constituent les faces inférieures et supérieures d'un empilement constitué par deux films isolants 4 et 5 et une plaque métallique 3. Cette plaque a un double rôle : elle forme écran et elle assure la conductivité thermique. Cette plaque est reliée à la terre ainsi que la plaque 2. Sur la figure 13, les deux autres branches du pont sont for mées, d'une part, neP zonezrésistance Ra et, d'autre part, par une resistance ajustable Rb. Le pont es-t alimenté par une tension continue v entre les bornes 1 et 2. La borne 4 est reliée à la terre, la borne 3 est reliée à un voltmètre 7, dont la deuxième borne d'entrée est reliée à la terre. En l'absence de champ, à la température ambiante, les résistances R1 et R2 des barreaux de silicium sont égales et ont une valeur typique d'environ 170 Kn,La résistance Rb permet d'équilibrer le pont lorsque la résistance R2 est soumise au champ électrique dû à la charge initiale de l'électret. Le voltmetre 7 mesure à tout instant la tension de déséquilibre du pont.La variation de cette tension est représentative de la variation de la charge de l'électret, donc de la dose d'irradiation absorbée. Sur la figure 13, cette relation de dépendance a été symbolisée par le générateur 1, de tension variable La figure 14 représente la courbe de variation de la tension de déséquilibre de pont : Vd, en millivolts, en fonction du potentiel de surface de ltelectret 1 : Vs en volts. La dépendance est linéaire, la fonction est de la forme : Vd = A V .Dans le s cas présent A = 2,8.10 5 Etant donné qu'en l'absence de champ les quatre résistances sont égales, et en.écrivant pour le barreau de silicium la tension de déséquilibre - du pont est donnée par la relation Vd = BVV; t s d'ou avec les valeurs indiquées précédemment ss = 1,2.10 5 V'1. La figure 15 décrit une deuxième variante selon la deuxième approche, L'électret 1 est collé sur un empilement comprenant un matériau ayant des qualités piézoélectriques 5 et deux électrodes inférieures et supérieures, 4 et 3. L'électrode 4 est reliée à la terre. L'électrode 3 est reliée à un générateur de tension alternative 7, d'amplitude constante. L'électrode de mesure 2, constituée parun plan métallique, est placée à proximité de cet empilement'(à une distance e). Cette électrode est reliée à un amplificateur 9. L'électret 1 est couplé électrostatiquement à l'électrode de mesure 2. Ce couplage est symbolisé par le condensateur 8, Le film piézoélectrique 5, sounis à l'excitation électrique du générateur 7, va être animé d'une vibration d'amplitude constante.Il s'en suit que ltépaisseur de l'enceinte remplie d'air e est modulée au rythme de cette vibration. L'amplitude 9 va détecter une tension alternative de même fréquence ; cette tension amplifiée va être transmise à l'appareil de mesure 10, symbolisé par un voltmètre. La vibration transmise à l'élec- tret 1 peut être d'une origine autre que celle dûe'à l'effet piézoélectrique. Sur la figure 16, l'électret 1 est porté par un diapason 3, excité électriquement par un bobinage 4 alimenté par un générateur 5. D'autres moyens pour obtenir ce résultat peuvent être mis en oeuvre parl'homme de métier sans sortir du cadre de l'invention. Dans tous les cas, lorsque l'électret 1 est soumis à des radiations ionisantes, sa charge décroit comme il a été indiqué précédemment, L'amplitude de vibration étant constante, le cou- plage électrostatique va diminuer, il. s'en suit que l'amplificateur 9 va détecter des signaux de plus en plus faibles. L'appareil de mesure 10 affiche une tension dont la valeur instantanée est représentative de la dose absorbée par l'électret. Les appareils de mesure 7 sur la figure 13, 10 sur la figure 15, 9u 9 sur la figure 16, peuvent être remplacés par un signal d'alarme. Ceci est symbolisé par le haut-parleur 11 de la figure 15. Le dosimètre fonctionne alors en "tout ou rien". I1 peut par exemple détecter une dose maximum de radiations ionisantes absorbée, au delà de laquelle la vie humaine est mise en danger. La personne portant le dosimètre en sera avertie par un signal sonore. La figure 17 presente une réalisation concrète d'un dosimètre selon l'une quelconque des variantes conformes à la seconde approche. Un boitier 1 comporte une cavité dans lequel un porte-électret 4 en forme de tiroir muni de moyens de préhension peut y être inséré. La référence 2 indique les moyens d'affichage, qui peuvent être remplacés par un système d'alarme acoustique. Le calibragé initiale est réalisé à l'aide d'un potentiomètre à vis 3. Dans la variante de la figure 13, il s'agit de la résistance Rb. Dans le cas de l'appareil de.mesure à aiguille, l'aiguille pourra être calée au zéro, indiquant ainsi une dose absorbée initiale nulle. L'appareil de mesure peut être également de type numérique. Le dispositif étant portatif est alimenté par des batteries, il peut être avantageux pout la sécurité de prévoir les moyens 7 permettant le controle de l'état des batteries. Un moyen de fixation 6 permet l'accrochage de l'appareil à un vêtement. Une troisième approche de réalisation de dosimètre est décrite en relation avec les figures 18 à 23. La figure 18 montre un film électret chargé positivement sur lequel a été déposé uniformément un corps pulvérulant du type utilisé dans les appareils à reprographie. -Le film électret 1, originellement transparent est donc noirci par le corps pulvérulant et absorbe la lumière. Lorsqu'il est soumis aux rayonnements ionisants, il se décharge et le corps pulvérulant tend à s'éliminer par gravité. La transparence augmente, comme le montre la figure 21, qui représente la courbe normalisée de la transmission optique de la lumière à travers le film électret 1, en fonction du rayonnement absorbé par l'électret, exprimé en milliràntgen. La mesure de la transmission optique a été effet'uvée à l'aide d'un faisceau a-ser- .étendu.- La figure 19 représente un tel électret monté en dosimètre. Le film électret 1 est placé dans un boitier métallique 2, comportant deux fenêtres 3 et 4, rendues conductrices en surface pour éviter toute action électrostatique de l'extérieur. Un produit poisseux 6 est disposé à l'interieur, afin de retenir le produit pulvérulant provenant de la décharge de l'électret 1. Le film électret 1 est tendu sur un cadre 5. L'électret est divisé en zones différement chargées sur lesquelles sont inscrits des symboles représentatifs des doses absorbées et qui apparaissent Successivement, lorsque le produit pulvérulant qui les recouvrait est éliminé par perte de charge de I'électret. Un observateur 8 peut déterminer à tout moment quelle dose de rayonnement ionisant a été absorbée par le dosimètre en fixant une source de lumière 7 qui peut être la lumière du jour. Les symboles graphiques peuvent être des nombres comme sur la figure 20, ou plus généralement une échelle gradue ou encore une forme graphique 2, comme sur la figure 22, évoluant de façon continue. Ces symboles graphiques peuvent être remplacés par des tâches colorées. Chaque couleur représentant une dose de rayonnement absorbé (figure 23). L'invention n'est cependant pas limitée à la réalisation de dosimètre portable pour, notamment, les applications concernant la sécurité du personnel évoluant dans des zones à haut risque. Différentes sortes d'appareils de mesure de radiations ionisantes peuvent être réalisés en application des principes de l'invention et en particulier conformément à la deuxième approche, c'est-à-dire avec utilisation de moyens électroniques de signalisation pouvant comporter des appareils de mesure précis. Les différentes formes de réalisations concrètes n'ont été données qu'à titre purement illustratif : en particulier d'autres formes de boitier qui répondent mieux à des utilisations spécifiques, peuvent être préférées. Les dosimètres peuvent etre également complétés par d'autres accessoires ; ou être associés à d'autres appareils de mesure. Enfin le choix d'un affichage déterminé peut être lié à des conditions particulières d'éclairage, sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1 Dispositif de mesure intégrale de radiations ionisantes comprenant des moyens transducteurs et des moyens de signalisation ; dispositif caractérisé en ce que l-es moyens transducteurs comprennent un matériau électret, chargé électriquement à une valeur initiale prédétermine ; l'amplitude de la.variation de la charge éLectrique du matériau électret par rapport à la valeur initiale représentant à tout instant la dose de rayonnement absorbée par le matériau électret exposé à des radiations ionisantes. 2. Dispositif de mesure selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens de signalisation comprennent une feuille de matériau souple, repliée sur elle-même, chargée électriquement à une valeur proportionnelle à la charge électrique instantanée du matériau électret et dont les faces internes, soumises à une force electrostatique de répulsion, -forment entre elles un angle représentant la charge électrique instantanée du matériau électret. 3. Dispositif de mesure-selon la revendication 2, caractérisé en ce que-lafeuille de matériau souple est ce matériau électret. 4. Dispositif de mesure selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens de signalisation comprennent un premier moyen, sensible au champ électrique créé par la charge électrique instantanée du matériau électret, ét un second moyen, constitué par un appareil de mesure à affichage numérique ou analogique. 5. Dispositif de mesure selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens de signalisation comprennent un premier moyen sensible au champ électrique créé par la charge électrique instantanée du matériau électret et un second moyen, constitué par un circuit d'alarme acoustique à seuil. 6. Dispositif de mesure selon l'une quelconque des revendications 4 ou 5, caractérisé en ce que le premier moyen est constitué par un matériau semiconducteur à effet de champ disposé à proximité du matériau électret et dont l'impédance variable, a une valeur instantanée fonction de la charge-electrique résiduelle du matériau à électret ; le matériau semiconducteur à effet de champ formant une des branches d'un pont de mesure. 7. Dispositif de mesure selon l'une quelconque des revendications 4 ou 5, caractérisé en ce que, le matériau électret étant solidaire d'un organe animé d'un mouvement vibratoire alternatif, le premier moyen est constitué par une électrode couplée capacitivement au matériau électret ; le signal alternatif recueilli sur l'électrode étant transmis à un circuit amplificateur de signaux alternatifs. 8. Dispositif de mesure selon la revendication 7, caractérisé en ce que l'organe animé d'un mouvement vibratoire est une feuille de matériau piézoélectrique, portant sur ses faces deux électrodes d'excitation ; l'une des électrodes étant elle-même solidaire du matériau' électret. 9. Dispositif de mesure selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens de signalisation comprennent un corps pulverulant opaque soumis à la force électrostatique d'attraction du champ électrique crée par le matériau électret, divisé en plusieurs zones chargées initialement à des valeurs de charges élec-triques prédéterminées ; et en ce que le matériau pulvérulant, sous l'action de la force de la pesanteur, découvre sélectivement les zones du matériau électret lorsque leur charge électrique instantanée décroit pour atteindre un seuil préétabli ; les zones du matériau électret portant un marquage visuel et le matériau électret étant inséré dans un boitier comprenant un corps poisseux destiné à retenir le matériau pulvérulant détaché. 10. Dispositif de mesure selon la revendication 9, caractérisé en ce que le marquage visuel représente des valeurs discrètes de dose d'irradiations ionisantes absorbées par le matériau électret 11. Dispositif de mesure selon la revendication 9, caractérisé en ce que le marquage visuel est un symbole graphique continûment variable selon l'une ou plusieurs de ses dimensions ; la variation continue étant représentative de la dose d'irradiations ionisantes absorbée par le matériau électret. 12. Dispositif de mesure selon la revendication 9, caractérisé en ce que le marquage visuel est constitué par des taches colorées ; chaque tache représentant une valeur discrète de la dose d'irradiations ionisantes absorbée par le matériau électret. 13. Dispositif de mesure selon l'une quelconque des revendications 1 à 12, caractérisé en ce qu'il se présente sous la forme d'un boitier portable de faibles dimensions, comportant une cavité destinée à recevoir un organe porte-matériau électret. 14. Dispositif de mesure selon l'une quelconque des revendications 1 à 13, caractérisé en ce que le matériau électret est constitué par une feuille de polypropylène.