Brevet FR2490825A1 — publié le 19820326

La présente invention concerne un dispositif de détermination des pourcentages volumétriques d'un mélange à n constituants (n > 2), tel qu'un mélange nodules de manganèse - sédiment - eau, dont les constituants diffèrent par le numéro atomique moyen, avec irradiation sur un axe commun du mélange par au moins n - 1 raies gamma à énergies différentes, pour lesquelles les coefficients d'absorption des consti- tuants diffèrent nettement, puis détermination des énergies des raies gamma par un montage de détecteurs et dépouillement par calcul à l'aide des équations de transmission correspondantes pour détermination des pourcentages volumétriques. L'industrie a de plus en plus besoin de méthodes de mesure pour une détermination rapide, continue et sans contact des concentrations volumétriques d'un ou plusieurs constituants d'un mélange. Ce besoin s'explique notamment par l'importance croissante du transport hydrau- lique de corps solides. Les échantillons sont le plus souvent des corps opaques (par nature ou du fait d'un tube de transport dans lequel ils circulent), de sorte qu'une mesure sans contact ne peut se faire que par l'utilisation d'un rayonnement y pénétrant et l'analyse de l'inter- action des quanta y et de l'échantillon. La demande de brevet de la République fédérale d'Allemagne publiée sous le no 26 22 175 et la revue Meerestechnik 10 (1979) n0 6, pp. 190-195, décrivent un procédé essentiellement basé sur le fait que pour deux substances (p et q) de numéro atomique Z moyen suffisamment différent, le rapport des coefficients d'absorption gamma p dépend nettement de l'énergie dans la zone des faibles énergies gamma jusqu'à 1,5 MeV environ. Deux équations permettent ainsi une détermination univoque des deux pourcentages volumétriques recherchés v et v de ces constituants, par la mesure des intensités J avec et sans corps absor- bants,à deux énergies gamma différentes (E1, E2). La géométrie de mesure étant généralement fixe et par suite la longueur L de la distance de transmission constante dans le milieu irradié, le troisième constitu- ant est fourni en outre par la condition aux limites suivantes: la somme des trois pourcentages volumétriques doit être égale à 100 %. Dans les applications à la manutention hydraulique, le troisième constituant est de l'eau (w), qui occupe généralement le volume du tube transporteur laissé libre par les constituants solides p et q. Il convient dans ce cas d'utiliser comme grandeur de référence non pas l'intensité sans absorbant (dans le vide), mais l'intensité J du w rayonnement gamma pour de l'eau exempte de solide. Les deux équations de transmission se présentent alors sous la forme suivante pour les énergies E1 et E2: t = e-L[vppPl + vqpql - (v + v)p 1 t1= - e pl ql p Vq)wl] iwl t 'J2 -L[v pP +v qpq2 - (vp + vq)Vw2] avec: v + v + V = P q w La résolution en v et v donne p q v = (LN) tlnt (il -W2 i lnt (PIl -il p i q2 w2 2 ql wl et v = (LN) [lnt1-2 -w2 lnt2(1 ( 1I q 1 p2 w2 2 Pl wlw2 avec: N = (L - lw1) (tiq2 (p2 w2) (iPql -pw)] Les deux raies gamma peuvent avantageusement parcourir le volume de mesure suivant l'axe commun du faisceau et déterminer ainsi exactement les mêmes pourcentages volumétriques. Il n'y a donc pas ainsi de perturbation par des structures différentes, qui conduiraient & des erreurs d'hétérogénéité dans le cas d'une transmission des deux raies à des points différents. Il va de soi que ce procédé est applicable aussi à plus de trois constituants. Une raie gamma supplémentaire est alors nécessaire pour chaque constituant additionnel. Le calcul fait intervenir une nouvelle équation de transmission pour chaque constituant supplémentaire. Les erreurs d'une détermination de concentration volumétrique dépendent de la précision des intensités gamma mesurées. L'influence de l'erreur relative 6Ji/Ji (i = 1, 2) des intensités y est indépen- dante de la concentration volumétrique et inversement proportionnelle à la longueur L de la distance de transmission: t6t 2 c5t 2 1/2 ôV =(LN - 1[( 192 1) + la 2 P q2 "w t1 q l t et 2 6t 2 1/2 Sv = (LN)1 2 ( + (l -2 ( t-2 2 q p2 w2 t1 Pl w 2 Les corps solides ne représentant souvent que quelques pour- cent, on voit que l'erreur relative St/t doit être de l'ordre de 0,1 %, ou légèrement supérieure, pour permettre des mesures suffisam- ment précises. Dans le procédé selon la demande de brevet de la République fédérale. d'Allemagne publiée sous le n0 26 22 175, la détermination séparée de l'intensité des deux raies gamma s'effectue par analyse de la hauteur des impulsions déclenchées dans un détecteur à scintil- lation classique, déterminant les deux raies en commun. Le détecteur doit présenter une résolution en énergie suffisante pour que les inter- férences mutuelles demeurent faibles. NaI (Tl) est le scintillateur qui convient le mieux, dopé au thallium. L'inconvénient essentiel de la spectroscopie habituelle avec NaI (Tl) est le temps relativement long de 0,25 Vs de décroissance de la fluorescence de ce scintillateur. Il en résulte nécessairement une durée d'impulsion de l'ordre de la microseconde qui, à des taux de comptage élevés, conduit à un empilement des impulsions et à des décalages de l'axe et par suite à des imprécisions de là détermina- tion d'intensité. Une limite supérieure pratique du taux de comptage se situe à 50 000 imp/s environ quand l'erreur supérieure requise des déterminations de transmission ne doit pas être dépassée sensiblement par des erreurs systématiques. Pour des raisons de statistique de comptage, ce taux de comptage impose des durées de mesure minimales calculées d'environ 40 s et pratiquement de l'ordre de 50 s en géné- ral. Le procédé ne peut donc être considéré que comme quasi continu. Il existe certes des détecteurs à scintillation plus rapides, mais ils ne permettent aucune discrimination suffisante en énergie. L'invention a pour objet un dispositif du type précité, évitant les problèmes mentionnés pour la mise en oeuvre du procédé connu et permettant en particulier des temps de mesure plus courts. Selon une caractéristique essentielle de l'invention, le rayonnement est analysé par un nombre de détecteurs égal au nombre de raies; et chaque détecteur ne présente une sensibilité notable que pour une des énergies gamma utilisées. Un détecteur séparé est selon l'invention utilisé pour chaque raie gamma et n'analyse essentiellement que cette raie. On évite ainsi les difficultés qui apparaissent quand plusieurs raies gamma doivent être discriminées par un détecteur et qui conduisent pour l'essentiel à une diminution notable du taux de comptage réa- lisable. L'analyse de hauteur des impulsions, qui exige un appareil- lage électronique important et réduit le taux de comptage, peut être supprimée. Les divers taux de comptage déterminés peuvent être cal- culés facilement et directement. Il est possible d'utiliser dans ce montage des détecteurs ne présentant une sensibilité notable que pour la raie gamma à déterminer. La sensibilité résiduelle d'un détecteur pour les autres raies peut être compensée par le calcul, par un mon- tage approprié ou par sélection, quand elle perturbe le résultat de mesure de façon sensible. Les divers détecteurs peuvent être montés en série ou en parallèle dans le faisceau. Il est en outre conce- vable de séparer le faisceau à l'aide de diviseurs, avec sélectivité en fréquence par exemple à l'aide de réseaux cristallins, etc. L'avantage essentiel de l'art antérieur est conservé, à savoir l'irra- diation commune par toutes les raies gamma utilisées du volume de mesure sur un axe. Selon une autre caractéristique avantageuse de l'invention, les détecteurs sont disposés en série sur l'axe du faisceau. Lorsque les détecteurs sont disposés en parallèle dans le faisceau, chacun d'eux ne voit qu'une partie de la section du faisceau. De légères perturbations par dés hétérogénéités du volume de mesure sont donc à craindre. Il n'en est pas de même lors d'un montage en série des détecteurs, qui peuvent alors tous couvrir la section totale du faisceau. Il existe essentiellement deux façons simples de discrimi- nation des diverses raies gamma par les détecteurs affectés à chacune. Il est possible d'une part d'utiliser des détecteurs sélec- tifs, présentant une sensibilité notable pour l'énergie gamma de la raie considérée. Mais des détecteurs identiques montés en série per- mettent aussi de déceler sélectivement des énergies gamma différen- tes, comme le montre un exemple à l'aide de deux raies (basse énergie et haute énergie) et de deux détecteurs (D1 et D2 D1 D2 _ 2 basse 95 % 5 % haute 20 % 16 % D1 et D2 sont les deux détecteurs identiques, D2 étant monté en aval de D. Les deux couvrent la méme section du faisceau. Les détecteurs présentent une sensibilité différente pour les deux raies et absorbent, pour une énergie de rayonnement de 100 %, 95 % de la raie à basse énergie et 20 % de la raie à haute énergie. 95 % de la première raie sont ainsi absorbés dans le détecteur 1 (et par suite indiqués). Le second détecteur ne peut recevoir que les 5 % restants et en indique %, soit environ 5 %. 20 % de la raie à haute énergie sont absorbés dans le premier détecteur. 80 % atteignent ainsi le second détecteur, o ils sont de nouveau absorbés à 20 %, soit environ 16 %. On voit ainsi que les deux raies à énergie différente sont suffisamment discri- minées dans les deux détecteurs, avec les facteurs de discrimination de 95/20 et 5/16. Des épaisseurs différentes des détecteurs permettent d'améliorer encore ces rapports. C'est ainsi qu'il est possible de choisir dans l'exemple considéré une épaisseur telle du premier détec- teur D1 qu'il absorbe pratiquement 100 % de la raie à basse énergie. Le second détecteur ne décèle alors plus cette raie. Le schéma cor- respondant dans ce cas est D D2 basse 100 % 0 % haute 21 % 16 % L'appareillage de calcul est ainsi réduit. La disposition en série selon l'invention permet ainsi d'obtenir la sensibilité sélective de détecteurs identiques par le seul montage. Selon une autre caractéristique avantageuse de l'invention, des absorbeurs sont disposés entre les détecteurs et ne transmettent que les énergies destinées aux détecteurs en aval. Lorsque la raie à déterminer par un détecteur est annulée en aval de ce dernier par un absorbeur approprié, qui transmet les autres raies pratiquement sans atténuation, cette raie absorbée n'influence pas les détecteurs en aval, ce qui facilite notablement la discrimination et le calcul ultérieur. Selon une autre caractéristique avantageuse de l'invention, les détecteurs traversés en premier sont sensibles à la basse énergie et les détecteurs suivants à la haute énergie. On tient ainsi compte des données physiques des détecteurs et des éventuels absorbeurs interposés. Les hautes énergies sont plus pénétrantes et peuvent être décelées sans atténuation sensible dans le dernier détecteur, tandis que les basses énergies, du fait de leur plus forte atténuation dans les détecteurs, se détectent mieux à l'extrémité antérieure de la chaîne de détecteurs. Selon une autre caractéristique avantageuse de l'invention, des détecteurs à scintillation sont utilisés pour les raies à basse énergie et des détecteurs Cerenkov pour les raies à haute énergie. Ces types de détecteurs sont sélectifs pour les plages énergétiques considérées et se caractérisent par des taux de comptage élevés. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention seront mieux compris à l'aide de la description détaillée ci-dessous d'un exemple de réalisation et des dessins annexés sur lesquels: la figure 1 représente la courbe d'absorption par trois milieux différents, en fonction de l'énergie gamma; la figure 2 représente le spectre de deux raies gamma utilisées de préférence; et la figure 3 représente le schéma d'un dispositif selon l'invention pour irradiation d'un volume d'échantillon par deux raies gamma. Le dispositif selon l'invention est décrit ci-après dans l'exemple d'un dispositif utilisable dans la technologie marine pour l'étude d'un mélange volumétrique de nodules de manganèse, sédiment et eau de mer. La figure 1 représente les coefficients d'absorption différents de ces corps en fonction de l'énergie gamma utilisée. On voit que des énergies gamma différentes produisent des dif- férences d'absorption nettement analysables. La figure 2 représente le spectre de deux énergies gamma, à savoir l'américium 241 et le césium 137. Les deux raies sont représentées chacune avec trois ampli- tudes I, II et III, après la traversée des milieux I eau Il 7,5 % vol. sable de quartz dans l'eau III 8,0 % vol. nodules de manganèse dans l'eau. Les intensités différentes des raies, résultant des coefficients d'ab- sorption différents, permettent visiblement une bonne analyse. L'exemple de réalisation du dispositif selon l'invention est décrit ci-dessous à l'aide de la figure 3. - Une source gamma 1 émet deux raies gamma d'énergie E1 et E2* E1 est une basse énergie (cf. figures 1 et 2) et E2 une énergie net- tement plus élevée. Après collimation 2, le rayonnement gamma traverse le corps à étudier 3, puis est absorbé dans les détecteurs 4 et 5, après une nouvelle collimation 6 le cas échéant. Ces détecteurs doivent d'une part être caractérisés par de très faibles constantes de temps, mais d'autre part être avantageusement sélectés et dimensionnés de façon que le premier détecteur 4 absorbe à peu près totalement le rayonnement à basse énergie, tout en transmettant pratiquement sans atténuation le rayonnement à haute énergie. Le second détecteur 5 ne réagit alors pratiquement qu'à la composante à haute énergie du rayon- nement gamma. Un absorbeur 7, à épaisseur et numéro atomique appropriés, peut être disposé le cas échéant entre les deux détecteurs. Les détec- teurs sont généralement (c'est-à-dire dans des systèmes à émission de lumière) accouplés à des photomultiplicateurs 8, de préférence à l'aide d'un guide de lumière 9 de forme appropriée dans le cas du pre- mier détecteur. Les impulsions des deux systèmes de comptage sont comptées par des compteurs électroniques 10, et les taux de comptage déterminés sont transmis à une unité de dépouillement 11, qui les analyse à l'aide des équations de transmission précitées et calcule les pourcentages volumétriques dans le corps 3. CsF, un scintillateur ayant un temps de décroissance de 0,005 35.s, est par exemple une substance appropriée pour le premier détec- teur 4. Il présente certes un faible rendement lumineux (3 % par rapport au NaJ (Tl)) et par suite une mauvaise résolution en énergie (qui n'est pas nécessaire dans ce cas), mais permet des taux de comptage très élevés (jusqu'à quelques MHz) par suite des constantes de temps favorables. CsF se prête bien à la discrimination des deux énergies gamma; c'est ainsi qu'un détecteur d'une épaisseur de 1 mm absorbe 94 % d'un rayonnement à 60 keV, mais 2,5 % seulement d'un rayonnement gamma à 1250 keV. Les chiffres correspondants pour une épaisseur de 5 mm sont de 100 % et de 12 %. Le second détecteur 5 réagissant uniquement à la composante à haute énergie, il est facile d'éliminer par correction la faible absorption de ce rayonnement dans le premier détecteur. D'autres matériaux possibles pour le premier détecteur, même s'ils présentent des propriétés de discrimi- nation légèrement moins bonnes, sont par exemple des scintillateurs plastiques, de préférence dopés avec du'Sn ou du Pb. Un détecteur Cerenkov par exemple convient comme second détec- teur. L'emploi de verre au plomb permet d'obtenir une densité et un numéro atomique élevés (et par suite de très bonnes propriétés d'absorption), ainsi qu'un indice de réfraction élevé. Le nombre I de quanta lumineux produits par un électron de vitesse v, par cm de trajectoire, est: 2irAv (J 1 137 e n 2 Av étant l'intervalle de fréquence dans lequel la lumière est émise, e la charge élémentaire, n l'indice de réfraction et X = v/c la vitesse de l'électron rapportée à la vitesse de la lumière C. La relation donnant I doit être considérée comme fonction de l'énergie, car l'électron perd de l'énergie sur sa trajectoire dans le détecteur Cerenkov, conformément à l'équation: dE 2 m c E+ mc E 12 3 -=- 47ir NZ22 2 1/2-_-e x 10 keV/cm (r = rayon de l'électron classique, m = masse au repos de l'électron en MeV, NZ = nombre d'électrons par cm du matériau modérateur et J d (11 + 3)Z [eV]). L'intégration suivant la trajectoire montre, pour du verre au plomb et un rayonnement à énergie pas trop basse, par exemple une préparation Co (1,17 et 1,33 MeV) que la composante à haute énergie peut être décelée avec un bon rendement quand le photomultiplicateur est choisi pour de faibles rendements photoniques. Ce résultat a été confirmé expérimentalement. La composante à basse énergie du rayonnement gamma n'est toutefois pas enregistrée, car il est possible de choisir l'énergie de façon que la vitesse maximale des électrons produits dans le détecteur soit inférieure à la vitesse limite e = 1/n, au-dessous de laquelle il n'y a pas de rayonnement Cerenkov. Une discrimination totale est ainsi obtenue. L'effet Cerenkov est caractérisé par une réaction très rapide du détecteur aux quanta gamma (en 10 s ou moins). La limitation temporelle se situe alors dans le multiplicateur beaucoup plus lent (t 1 ns). Il est ainsi possible d'obtenir des taux de comptage de l'ordre de quelques MHz, même pour le second détecteur qui décèle les quanta gamma d'énergie E2. Le CsF est également utilisable comme détec- teur du rayonnement à haute énergie. Il est alors possible le cas échéant d'interdire au rayonnement résiduel à basse énergie de déclen- cher des signaux dans le second détecteur, à l'aide d'un absorbeur 7 approprié. Le montage décrit permet ainsi de supprimer totalement l'ana- lyse des amplitudes d'impulsions. Les limitations du taux de comptage par un convertisseur analogique-numérique sont supprimées simultané- ment. La combinaison par exemple d'un détecteur au CsF et d'un détec- teur Cerenkov en montage "sandwich" permet d'obtenir des taux de comptage irréalisables jusqu'à présent et par suite des temps de mesure de l'ordre de la seconde. Une véritable mesure continue est ainsi réalisée. Le dispositif représenté utilise deux raies gamma pour la détermination de trois constituants. Une extension judicieuse permet de déterminer par exemple quatre constituants à l'aide de trois raies gamma. Les détecteurs décrits, fonctionnant avec sélection en éner- gie, peuvent aussi être montés en parallèle et non pas en série dans le faisceau. Des parties du faisceau déviées par des réseaux cristallins peuvent par exemple en outre être dirigées sur des détec- teurs disposés suivant des angles différents. Il est également possible de renoncer à des détecteurs qui n'indiquent que des énergies déterminées, mais suppriment totalement d'autres. La discrimination en énergie dans les détecteurs s'effectue en effet par le seul montage en série des détecteurs, même quand ces derniers sont sensibles à toutes les énergies, dans la mesure o la sensibilité ne dépend que de l'énergie. Cette méthode a été précédem- ment décrite. Dans le procédé décrit, le mélange est irradié simultanéement avec les deux raies gamma et ceci est important avec des mélanges de ce type qui ne sont pas homogènes et dont des composants tendent à se déplacer mutuellement, car, si l'irradiation et la mesure des deux raies gamma étaient effectuées séquehtiellement, la partie du mélange irradiée pourrait avoir une coeposition légèrement différente à des instants différents, ce qui conduirait à des erreurs dans le résultat final. Cependant, si le mélange est complètement homogène ou entière- ment statique, par exemple solide, l'irradiation et la mesure des raies gamma peuvent être effectuées soit simultanément, soit séquen- tiellement et il est évident que dans ce cas, la source de rayons gamma peut comprendre deux sources séparées à une seule raie qui sont utilisées séquentiellement. Bien entendu, diverses modifications peuvent être apportées par l'hoinue de l'art au principe et aux dispositifs qui viennent d'être décrits uniquement à titre d'exemples non limitatifs, sans sortir du cadre de l'invention. Revendications 1. Dispositif de détermination des pourcentages volumétriques d'un mélange à n constituants (n > 2), tel qu'un mélange nodules de manganèse sédiment - eau, dont les constituants diffèrent par le numéro atomique moyen, avec irradiation sur un axe commun du mélange par au moins n - 1 raies gamma à énergies différentes, pour les- quelles les coefficients d'absorption des constituants diffèrent nettement, puis détermination des énergies des raies gamma par un montage de détecteurs et analyse par calcul à l'aide des équations de transmission correspondantes pour détermination des pourcentages volu- métriques, ledit dispositif étant caractérisé en ce que le rayonnement est analysé par un nombre de détecteurs (4,5) égal au nombre de raies; et chaque détecteur ne présente une sensibilité notable que pour une des énergies gamma utilisées. 2. Dispositif selon revendication 1, caractérisé par le montage en série des détecteurs (4, 5) suivant l'axe du faisceau. 3. Dispositif selon revendication 2, caractérisé en ce que des absorbeurs (7) sont disposés entre les détecteurs (4, 5) et ne trans- mettent que les énergies destinées aux détecteurs (5) en aval. 4. Dispositif selon une des revendications 2 et 3, caractérisé en ce que les détecteurs (4) traversés en premier sont sensibles à la basse énergie et les détecteurs suivants à la haute énergie. 5. Dispositif selon revendication 4, caractérisé par l'emploi de détecteurs à scintillation (4) pour les raies à basse énergie et de détecteurs Cerenkov (5) pour les raies à haute énergie.