Brevet FR2492989A1 — publié le 19820430

La présente invention concerne un disposi- tif portatif de mesure de rayonnements ionisants uti- lisant un détecteur de rayonnements ionisants et à compensation électronique de l'hypersensibilité de de détecteur aux rayonnements de faibles énergies; ce détecteur est de préférence un détecteur à semi- conducteur. La compensation électronique permet de mesurer de façon exacte la dose intégrée dans le temps du rayonnement ionisant. Ce dispositif permet une visualisation directe de la dose intégrée. De plus, ce dispositif portatif peut délivrer un signal d'alarme pour un débit de dose donnée dudit rayonne- ment. Ce dispositif portatif s'applique en particu- lier dans le domaine de la radioprotection. Dans certains postes de travail, par exem- ple dans des installations nucléaires, le personnel est soumis constamment à l'effet des rayonnements. Il en résulte qu'il est important de connaître avec pré- cision, à la fin ou pendant chaque période de présen- ce à ces postes de travail, la dose reçue par le personnel ainsi que la dose cumulée par exemple au cours d'un trimestre ou d'une année, afin de s'assu- rer du respect de la réglementation en vigueur dans ce domaine. Le personnel est donc amené à porter en permanence des dispositifs portatifs tels que des dosimètres individuels permettant de connaître la dose d'irradiation reçue au cours de certains tra- vaux. Ces dispositifs portatifs peuvent aussi être utilisés en médecine nucléaire ou radiologique par les médecins ou les patients. Il existe actuellement divers types de dis- positifs portatifs à lecture directe parmi lesquels on distingue principalement: - les stylos dosimètres comprenant généra- lement une chambre d'ionisation de faibles dimensions 24929 9 à laquelle est associé un électroscope et donnant la dose intégrée dans le temps avec une lecture directe analogique. En général, ce type de dosimètre ne déli- vre pas de signal d'alarme pour un débit de dose don- née et en général la compensation de l'hypersensibilité du détecteur, ici la chambre d'io- nisation, au rayonnement ionisant de faibles énergies est effectuée au moyen d'écrans, par exemple réalisés avec du graphite, d'un emploi délicat et limité et ne permettant de faire qu'une compensation grossière. Ces dosimètres sont de plus très sensibles aux chocs, ce qui entraîne des erreurs de mesures des doses re- çues. De même, la plage de mesure est limitée ainsi que le nombre de graduations de l'échelle, ce qui rend la lecture délicate. Enfin, la recharge de la chambre après utilisation, c'est-à-dire la remise à zéro de celle-ci, est mal aisée et ne peut être faite que par un personnel spécialisé. - les compteurs de Geiger-Muller miniatu- re, associés à une électronique de traitement qui dé- livre un signal sonore pour un débit de dose donné et donne la dose intégrée dans le temps avec une lecture directe. Dans ce type de dosimètre, la compensation en énergie est effectuée, comme pour les chambres d'ionisation, au moyen d'écrans tels que des écrans en étain et en plomb. De plus, ces dosimètres présen- tent une durée de vie réduite, une usure des comp- teurs par pollution des gaz contenus dans lesdits compteurs au cours du temps. Enfin, leur fonctionne- ment nécessite l'utilisation d'une tension d'alimen- tation élevée, donc l'utilisation d'un convertisseur continu-continu. L'invention a pour objet un nouveau dispo- sitif portatif du genre dosimètre individuel permet- tant de remédier à ces inconvénients et permettant notamment de compenser plus simplement et plus com- plètement l'hypersensibilité du détecteur aux rayon- nements ionisants de faibles énergies. L'invention a pour objet un dispositif por- tatif de mesure de rayonnements ionisants comprenant un détecteur susceptible de délivrer un signal élec- trique dépendant de façon biunivoque de l'énergie d'un rayonnement susceptible d'être reçu par le dé- tecteur des moyens d'amplification et des moyens électroniques de compensation des variations du si- gnal électrique délivré par le détecteur et lié aux variations de l'énergie du rayonnement, produisant un signal de sortie qui est dans un rapport constant avec l'énergie dudit rayonnemaent pouvant être absor- bée par des tissus humains et des moyens d'affichage reliés au moyen d'amplification et de compensation, permettant d'afficher la dose de rayonnement reçue par le détecteur. Un détecteur dont la réponse est dans un rapport constant avec l'énergie absorbée par les tis- sus humains pour le rayonnement considéré est appelé un détecteur a compensation 'équivalent tisSu".l Selo n un mode préféré de l'invention, le détecteur est un détecteur à cristal semico.duc.teur 23 tel que le tellurure de cadmium. Il est à noter qu'il a été proposé un certain nombre de dispositifs indi- viduels comprenant un détecteur à semiconducteur du type tellurure de cadmium permettant uniquement de donner un signal d'alarme, indiquant la présence de rayonnement, donc un débit de dose, mais ne donnant aucun renseignement sur la dose intégrée du rayonne- ment et ne réalisant aucune compensation de l'hyper- sensibilité du détecteur aux rayonnements de faibles énergies. Selon un autre mode préféré de l'invention, le dispositif portatif comprend en outre, un filtre nucléaire, constituant un écran absorbant. L'invention a aussi pour objet un disposi- tif de calcul portatif produit en grande série, tel que des minicalculatrices, sur lequel on adjoint une fonction "détection nucléaire'" Ce dispositif de calcul portatif compor- tant de façon connue des moyens d'addition d'informa- tions numériques, des moyens de détermination de pé- riodesde temps et des moyens d affichageg se caractérise en ce qu'il comporte également un détecteur nucléaire apte à délivrer un signal fonction du rayonnement nu- clêaire o il est placé et des moyens de conversion de 5e signal en informations numériques les moyens d'addition recevant lesdites informations numéri- ques, les moyens de détermination de périodesde temps commandant lesdits moyens d'addition de manière à ef- fectuer un calcul de la dose de rayonnement nucléaire regçue pendant une période de temnps0 dite d 1ntégra= tion, qui est affichée par lesdits moyens d'affichage. D'autres caractéristiques et avantages de l'invrention ressortiront mieux de la description qui va suivre3 donnée à titre purement: illustratif et non lim.tatif en reeéférence avz: figures anrées dans les= :uelles: - la figure i représente schéematquement un dispositif portatif selon l'invention - - - la figure. 2 représente schématiquement une première variante du circuit électronique du dis- positif selon l'invention - la figure 3 représente un schema détaille du circuit électronique de la figure 2 j - la figure 4 représente schematiquement une deuxième variante du circuit électronique du dis- positif selon l'invention. Un dispositif portatif de mesure de rayon- nements ionisants, selon l'invention, est schématisé sur la figure 1. Ce dispositif portatif du genre do- simètre individuel comprend un détecteur par exemple 24929?9 à cristal semiconducteur 1 tel qu'un cristal de tel- lurure de cadmium fonctionnant à température ambian- te. Sur les faces opposées 3 et 5 du détecteur à cristal 1 sont disposées deux électrodes métalliques 7 et 9 entre lesquelles est établie, au moyen d'une source d'alimentation une différence-de potentiel de l'ordre de quelques Volts. Le détecteur à semiconduc- teur 1 peut être associé à un jeu d'écrans absorbants 11, placés devant le détecteur et réalisés en un ma- tériau contenant de l'étain et du plomb, jouant le rôle de filtre nucléaire analogue à ceux utilisés avec les compteurs Geiger-Muller et servant de pré- compensation de l'énergie des rayonnements arrivant sur ce détecteur. Ce jeu d'écrans peut être protégé par une grille 12, perméable aux différents rayonne- ments ionisants à détecter. Un joint annulaire 13 est intercalé entre le détecteur à cristal 1 et le jeu d'écrans 11 de façon que toutes les particules ayant traversé le jeu d'écrans puissent être recueillies par le détecteur. Des cales telles que 14 permettent de maintenir le détecteur à cristal 1 dans un boi- tier 16. Au passage d'une particule ionisante, la conductibilité induite dans le semiconducteur pro- duit un signal électrique. Le circuit électronique , associé au détecteur a pour rôle d'effectuer un traitement de ce signal de façon à le transformer en une ou plusieurs grandeurs directement utilisables par le personnel, telles que le débit de dose et la dose intégrée. Ces grandeurs sont affichées sur un afficheur à cristaux liquides par exemple 17. De plus, l'électronique 15 commande une alarme sonore 19, se déclenchant pour un seuil numérique donné de débit de dose d'un rayonnement ionisant permettant ainsi d'indiquer la présence de rayonnements. Avant de décrire l'électronique, associée au détecteur à cristal du dosimètre individuel repré- 24929?9 sente sur la figure 1, on va rappeler quelques élé- ments de physique de détection des rayonnements ioni- sants et en particulier de détection des rayonne- ments y. On sait que le bombardement d'un rayonnement Y avec un matériau permet d'obtenir l'émission de particules secondaires possédant une charge électri- que. En particulier, ce bombardement permet d'obtenir l'effet photoélectrique (éjection d'un électron des couches K ou L d'un atome par perte de toute l'éner- gie du photon) ou l'effet Compton (choc entre un pho- ton et un électron libre d'un atome au cours duquel l'électron éjecté ne reçoit qu'une partie de l'éner- gie du photon incident). L'utilisation d'un matériau semiconducteur présentant un nombre élevé d'électrons Z fait que le nombre d'interactions avec le matériau, pour un flux y d'énergie donnée, va être beaucoup plus important si ce flux est faiblement énergétique. En effet, pour un flux d'énergie E inférieur à 250 KeV, le nombre d'interactions suit la loi de l'effet photoélectri- que, c'est-à-dire, que le nombre d'interactions est proportionnel à ZE3'5, et pour un flux d'énergie E compris entre 250 KeV et 2 MeV le nombre d'interac- tions suit la loi de l'effet Compton, c'est-à-dire que le nombre d'interactions est proportionnel à -1 Pour des tissus humains, dont le nombre Z est beaucoup plus faible que celui du tellurure de cadmium, la loi est très différente car l'effet pho- toélectrique est proportionnellement moins important que l'effet Compton. En conséquence, lorsque l'on utilise un détecteur à Z plus élevé que celui des tissus biologiques, il est nécessaire de diminuer l'hypersensibilité du détecteur pour des flux y de basse énergie. La compensation électronique, que l'on associe au détecteur à semiconduteur, permet donc de compenser les variations du signal issu du détecteur à semiconducteur de façon à rendre les courbes de variation en fonction de l'énergie du rayonnement, "plates" (c'est-à-dire, identiques à celles de l'énergie absorbée par les tissus humains pour le rayonnement considéré). Il est à noter que cette compensation élec- tronique est possible car la réponse du détecteur par exemple à cristal semiconducteur tel que le tellurure de cadmium, est fonction biunivoque de l'énergie du rayonnement. Cette cempensation ne peut être envisa- gée avec des dàsimntres a Geiger-Muller puisque dans ce cas, l'amplitude des impulsions est indépendante de lénergie initiale. Les figures 2, 3 et 4 représentent deux mo- des de réalisations des circuits électroniques asso- ciés au détecteur par exemple à cristal semiconduc- teur. ?_0 Dans le premier mode de réalisatior sché- matisé sur les figures 2 et 3, les moyens de traite- ment du signal issu du détecteur sont de type ux.ri- que. Sur la figure 3 representant un schéma détaillé du circuit électronique, le détecteur 1 est relié à la source cld'alimirntation par 1!i'nterm4diaire de ré- sistances R. Le signal ou impulsion issu du détecteur 1, présentant une très faible amplitude, doit tout d'abord être amplifié au moyen d'une chaîne d'ampli- fication telle que 21 avant d'être compensé selon l'invention. Cette chaîne d'amplification peut être constituée comme représenté sur la figure 3 par un amplificateur A1 à bas bruit de fond, fonctionnant en préamplificateur de charge avec une capacité C1 de 0,5 à 1 picofarad et une résistance R1 telle que R1i1 249290,9 soit compris entre 50 et 100 microsecondes et par un amplificateur A2 monté en amplificateur de tension au moyen d'une résistance R2, la sortie de l'amplifica- teur AI étant reliée à l'entrée negative de l'ampli- ficateur A2 au moyen d'une resistance R3. Dans ce mo- de de réalisation, les moyens de compensation élec- tronique comprennent essentiellement un circuit de mise en forme 23 assurant une conversion amplitude- temps et parallèlement la fonction 'seuil' par l!in- tQ-ermeédiaire de deux résistances rI et r2D afin d'eli- miner les impulsions d'amplîtude trop faible pour être prise en compte et notamment le bruit créé par le courant de fuite du détecteur cristal 1o Ce cir- cuit de mise en forme connecté a la sortie de lam- plificateur A2 par lintermédare d'une capacité C2 peut être constitue par un circuit ToS (2igure 3) connu sous le nom de trigger de ScRmidt et produit des signaux sous forme de créneaux servant a déchar- ger la capacité C1 du préamplificateur Ao La dechar- ge de la capaclté C1 peut etre réeal isee au moyen d'une chaïne de contreréaction const-iuee de deux resistances en série RP et R52 duune résistance R6 et d une di.:de d montées en Parallee La reésistance est régl!e de fagon que la durée de charge de la capacité C1 soit courte vis-avis de lae durée RIC par exemple de 5 a à microsecondeSo Lar durée du cré- neau fournie par le circuit de mise en foreme 23 est proportionnelle à l'énergie du reavonnerment ionisant arrivant sur le détecteur à cristal 1! La chalne de contre-réaction R4g du R6, R5 est connectée en un point A situé avant une capacité d'entree C3 reliant le détecteur 1 à l'entrée négative du préamplifica- teur A,. Le courant impulsionnel qui traverse cette contre-réaction présentant une valeur moyenne nulle ne modifie pas le potentiel du point A et ce quel que soit le signal de sortie du détecteur. 24929?9 Dans l'exemple de réalisation décrit ci- dessus, la conversion en durée de l'amplitude des si- gnaux sortant de la chaîne d'amplification 21 est linéaire, mais on peut envisager une conversion am- plitude-temps non linéaire, suivant une loi prééta- blie permettant par exemple d'associer une durée plus faible pour les rayonnements de faible énergie que pour ceux d'énergie élevée. Le signal issu du circuit de mise en forme 23 ouvre la porte 25 d'une échelle de comptage 27 qui compte les impulsions issues d'une horloge 29 à fré- quence fixe par exemple de lMHz. A chaque détection d'une particule d'éner- gie supérieure à un certain seuil, on dispose d'une impulsion issue du circuit de mise en forme 23 dont la durée est liée à l'énergie des particules ionisan- tes arrivant sur le détecteur 1. On divise alors la durée des impulsions en une dizaine de classes 0 à les, 1 à 2Is..., 9 à 10es, en convertissant la durée des impulsions issues du circuit 23 en un nom- bre d'impulsions à l'aide de l'horloge 29 à fréquence fixe. Si AT correspond à N impulsions, 10AT corres- pondent à 1ON impulsions. Ceci a donc pour effet de diviser l'échelle des énergies reçues par le détec- teur en 10 classes numérotées de 1 à 10; la classe 1 représente 0 à N impulsions, la classe 2 N à 2N im- pulsions,...la classe 10, 9N à 1ON impulsions. La compensation en énergie est ensuite assurée par une mémoire 31 telle qu'une mémoire programmable ou re- programmable à lecture seule (PROM ou REPROM) qui attribue à chaque classe un coefficient prédéterminé (allant de 1 à 64 par exemple) de façon à appliquer un poids plus élevé à la classe la plus élevée (10) donc de donner plus de poids aux fortes énergies qu'aux faibles énergies, ce qui permet de compenser 24929?9 l'hypersensibilité du détecteur aux faibles éner- gies. Le résultat, c'est-à-dire la dose intégrée reçue par le détecteur, consiste donc à additionner ces coefficients au moyen d'un additionneur tel que 33. Le résultat final est alors affiché sur l'affi- cheur 17. L'introduction de la mémoire 31 permet de réaliser de façon discrète, n'importe quelle loi de compensation de l'énergie des particules ionisan- tes; ceci permet de s'adapter à n'importe quels vo- lume et qualité du détecteur. En effet, le choix des poids à attribuer aux différentes énergies peut être fait en comptant directement les impulsions d'horloge contenues dans les créneaux du circuit 23 (la mémoire 31 étant en court-circuit) et en mesurant la sensibi- lité du détecteur aux différentes énergies au moyen de sources de rayonnement connues. Il suffit alors de calculer les coefficients égaux, à l'inverse de la sensibilité. Cet étalonnage permet donc de programmer la mémoire 31 suivant la sensibilité du détecteur utilisé. A la place de l'horloge fixe et de la mé- moire 31, on peut utiliser une horloge à fréquence réglable. A chaque impulsion issue du circuit de mise en forme 23 est déclenchée une séquence d'impulsion d'horloge de fréquence croissante, c'est-à-dire, que les intervalles de temps séparant les impulsions d'horloge vont en diminuant au fur et à mesure de leur avènement; par exemple 8, 4, 2, 1 microsecon- des, de façon à prendre en compte un nombre adimpul- sions inférieur au nombre d'impulsions comptées, is- sues du circuit de mise en forme 23, ce qui revient à donner plus de poids aux fortes énergies qu'aux fai- bles énergies donc de compenser l'hypersensibilité du détecteur au rayonnement de faibles énergies. La réa- lisation de telles séquences programmées est avec les éléments technologiques en circuits intégrés, dispo- nibles actuellement, très facile à réaliser pour l'homme de l'art. Au moyen de compensation utilisant l'hor- loge à fréquence réglable, ont peut associer le fil- tre nucléaire 1l, jouant un r81e de pr.comrpensation. Ceci perimàet d'effectuer une compensation en energie plus faible, donc meilleure, et de compenser ainsi les variations de volume et les caractéristiques des différents détecteurs à cristal qui ne manqueront pas de se produire, compte tenu de la faible tension l alimentation de ces détecteurs. Selon un autre mode de r4alisation, les toyens d'ampSlif icaticn et de compensation du signal électrique issu du détecteur à cristal I sont de type analogique. De tels moyeen slent repr6e;ntés sur la J. ijure 4. Dans ce mode de realisatic-, les moyens f0 d 'aiplificaicn et % cpensat n i r3n nt un am- p!blicat.eur A atin variable 35, cSet-A-di.re qu'en fonc'ion de].'amtplituda du sgna1l de sortie elu détec- eurir cennoLan de lA-energ-ie du rayonnemct, o.n mnodu- le le gain de l'a! f:ceu e de façcn a deonncr)lus cade joids aux fortes irmpulsions qu'aux faib!e. La eese etiltég ée F1ans lEt:eÂps peut êere affichée, comme praJëc6-e: l esu, llafÉicheur: 17 par 'interriédiaire de l!additionneur 33, de l'échelle de comptage 27 et d'un convertisseuranaloaique numérique 39 relié à l'amplificateur de gain 35. Dans ce mode de réalisation, l'affichage de la dose intégrée peut se faire de façon analogique en remplagant l'échelle de comptage 27 et le convertis- seur analogique numérique 39 par un intégrateur don- nant directement la dose intégrée dans le temps. Bien entendu, tout autre mode de réalisa- tion de compensation de l'énergie des rayonnements permettant de produire des signaux "équivalents tis- sus" peut être envisagé sans pour autant sortir du cadre de l'invention. Les détecteurs à semi-conducteur fonction- nant à température ambiante ont maintenant atteint un niveau technologique tel que leurs propriétés permet- tent de les utiliser en radioprOteCtiOnu, ces pro- l0 priétés étant les suivantes: - très faible encombrement (quelques millimètres cube), - gamme d'énergie assez large (quelques 10 Kev à 1 Mev) , - compensable électroniquement pour respecter les normes de dosimètrie, - alimentation sous faible tension, compatible avec * les tensions utilisées en micro-électronique. Dans des dispositifs de calcul portatif tels que des mini-calculatrices ou dans des montres, on peut adjoindre, conformément à l'invention, une fonction "détection nucléaire" en plaçant dans le dispositif portatif un détecteur à semi-conducteur tel que le tellurure de cadmium et présentant les propriétés décrites ci-dessus. Pour connaître le dé- bit de dose et éventuellement la dose intégrée d'un rayonnement ionisant, on utilisera, alors, certaines fonctions qui existent dans de tels dispositifs tels que l'affichage numérique, l'alarme sonore, l'inté- gration, le comptage, le chronomètre électronique, les registres d'attente..., en intercalant entre les circuits numériques correspondant à ces fonctions et le détecteur à semi-conducteur un circuit intégré ap- proprié. En effet, l'affichage numérique pourra être utilisé pour afficher, le débit de dose, la dose, les points du spectre en énergie, etc..., l'in- tégration et le comptage permettront de calculer la dose intégrée, le chronomètre électronique permettra de calculer le débit de dose et les registres d'at- tente permettront de choisir des seuils d'alarme (présence de rayonnements). Ces dispositifs portatifs fabriqués en grande série pourront être utilisés comme badges électroniques permettant d'avoir: les fonctions do- simètre à alarme sur seuil en débit de dose, les fonctions de calcul de dose intégrée facilement cen- tralisable dans un système informatique direct de saisie d'informations numériques, les fonctions de lecture directe en débit de dose ou en dose intégrée. Ces dispositifs portatifs munis de la fonc- tion "détection nucléaire' s'appliquent dans les mêmes domaines que ceux utilisant un dosimètre indi- viduel tel que décrit précédemment. 24929P9 RWJENDICATIONS 1. Dispositif portatif de mesure de rayon- nements ionisants, caractérisé en ce qu'il comprend un détecteur (1), susceptible de délivrer un signal électrique dépendant de façon biunivoque de l'énergie d'un rayonnement susceptible d'être reçu par le dé- tecteur (1), des moyens d'amplification et des moyens électroniques de compensation (21, 23, 25, 29, 35) des variations du signal électrique délivré par le détecteur (1), lié aux variations de l'énergie du rayonnement, produisant un signal de sortie qui est dans un rapport constant avec l'énergie dudit rayon- nement pouvant être absorbée par des tissus humains et des moyens d'affichage (27, 33, 17), reliés au moyen d'amplification et de compensation, permettant d'afficher la dose de rayonnement reçue par le détec- teur. 2. Dispositif portatif selon la revendica- tion 1, caractérisé en ce que le détecteur est un détecteur à semiconducteur. 3. Dispositif portatif selon la revendica- tion 2, caractérisé en ce que le cristal semiconduc- teur (1) est un cristal de tellurure de cadmium. 4. Dispositif portatif selon l'une quel- conque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'il comprend en outre un filtre nucléaire (11) constituant un écran absorbant. 5. Dispositif portatif selon la revendica- tion 4, caractérisé en ce que l'écran absorbant est en un matériau contenant de l'étain et du plomb. 6. Dispositif portatif selon l'une quel- conque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'il comprend une alarme sonore (19) se déclenchant Paz un seuil donné de débit de dose d'un rayonnement. B 7026-3 LC 24929 9 7. Dispositif portatif selon l'une quel- conques des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que les moyens de compensation sont de type numérique et comprennent un circuit de mise en forme assurant une conversion amplitude-temps (23), dont la sortie est connectée à l'une des entrées d'une porte ET (25), et une horloge (29), dont l'entrée est connec- tée à l'autre entrée de ladite porte. 8. Dispositif portatif selon la revendica- tion 7, caractérisé en ce que l'horloge (29) est une horloge à fréquence fixe. 9. Dispositif portatif selon la revendica- tion 7, caractérisé en ce que l'horloge (29) est une horloge à fréquence croissante. 10. Dispositif portatif selon l'une quel- conque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que les moyens d'amplification et de compensation sont de type analogique et comprennent un amplifica- teur à gain variable (35), dont la sortie est connec- tée par l'intermédiaire d'un circuit électronique ap- proprié (39) aux moyens d'affichage (17, 27, 33). 11. Dispositif portatif selon l'une quel- conque des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que les moyens d'affichage comprennent une échelle de 2.& comptage (27) connectée à un afficheur (17) par l'in- termédiaire d'un additionneur (33)>. 12. Dispositif portatif selon les revendi- cations 8 et 11, caractérisé en ce que l'horloge à fréquence fixe (29) est associée à une mémoire (31) dont les entrées sont connectées à l'échelle de comp- tage (27) et les sorties à l'additionneur (33). B 7026-.3 CL