Brevet FR2508655A1 — publié le 19821231

La présente invention concerne un procédé de mesure d'une énergie absorbée par un matériau, par émission exoélectronique optiquement et thermiquement stimulée. Elle s'applique notamment à la dosimétrie. On sait que lorsque l'on chauffe à haute température un matériau, principalement un métal, il se produit une émission d'électrons appelés thermoélectrons. De même, lorsque ce matériau 'est éclairé avec une lumière de longueur d'onde suffisamment courte, il se produit également une émission d'électrons appelés photo-électrons. Le premier des deux effets précédents est essentiellement utilisé dans les tubes à vide et les tubes cathodiques (destinés aux téléviseurs, aux oscilloscopes...) et le second, dans les cellules photoélectriques (employées par exemple dans les détecteurs de trafic ou dans les dispositifs de sécurité des ascenseurs).Les électrons émis proviennent de la bande de conduction du matériau considéré, excité thermiquement ou optiquement, et sont remplacés au fur et à mesure de leur départ par d'autres électrons provenant d'une source de courant électrique reliée au matériau. Ces phénomènes d'émission électronique sont permanents et l'intensité de ladite émission n'est fonction que de la température et de l'état de surface du matériau émissif utilisé ainsi que de la tension aux bornes de la source de courant électrique. A des températures comprises entre 100 et 7QOOC, les oxydes métalliques et en général les matériaux isolants (qui possèdent une large bande interdite) ne présentent pas les effets d'émission électroni que mentionnés ci-dessus. Cependant dans certaines conditions, après avoir subi un traitement mécanique, tel qu'un broyage ou des frottements, ou une irradiation par des particules comme les photons X, les photons y, les électrons ou les neutrons, ces matériaux sont sujets à une émission d'électrons faible et limitée dans le temps lorsqu'ils sont stimulés thermiquement (c'est-à-dire par chauffage) ou optiquement (par éclairement).Dans bien des cas, le nombre total d'électrons émis, appelés exoélectrons, est proportionnel à l'énergie communiquée au matériau étudié (par un traitement mécanique ou une irradiation), énergie appelée dose absorbée (pour une masse donnée de matériau) dans le cas d'une irradiation. Cet effet d'émission électronique thermiquement ou optiquement stimulée est utilisé en dosimétrie dite passive (car, grâce audit effet, un matériau approprié, un oxyde métallique par exemple, servant de détecteur de radiations, n'a besoin d'etre associé à aucun appareillage électronique pendant qu'il absorbe de l'énergie desdites radiations : il accumule d'abord cette énergie, après quoi il est stimulé comme indiqué plus haut et la dose absorbée est déterminée). La réaction d'un matériau-détecteur ayant été soumis à des rayoqnements ionisants et stimulé comme on l'a indiqué, dépend de la nature, de la structure et de l'environnement de ce matériau-détecteur. Ainsi les corps organiques, stimulés optiquement ou thermiquement après avoir absorbé de l'éner gie, par irradiation par exemple, sont-ils de mauvais émetteurs d'exoélectrons et bien souvent non émetteurs, comme l'a indiqué N.Rocca-Serra dans une thèse intitulée " Dosimétrie par émission électronique stimulée de composés organiques de cristaux ioniques", nO 2332, Toulouse, 1980. Le coton par exemple, substance naturelle entrant dans la composition de nombreux vêtements, soumis, après irradiation, à une stimulation unique, optique ou thermique, n'est pas émetteur d'exoélectrons. (On dit qu'il n'est pas exoémetteur). I1 est donc pratiquement impossible de déterminer, par une méthode d'émission exoélectronique photostimulée ou thermostimulée, la dose absorbée par des matériaux tels que les corps organiques, après leur irradiation. La présente invention a pour but de remédier à cet inconvénient. Elle a pour objet un procédé de mesure d'une énergie absorbée par un matériau, caractérisé en ce qu'il consiste à stimuler simultanément de façon optique et thermique ledit matériau, de manière à obtenir une émission d'exoélectrons de ce matériau, et à effectuer une analyse de ladite émission, pour obtenir des informations permettant de déterminer ladite énergie. Ledit matériau est par exemple un corps organique, du coton par exemple. Ce peut etre aussi un matériau cristallin ou même un matériau biologique, l'apatite dentaire par exemple. Grâce au procédé objet de l'invention, on peut donc mesurer l'énergie absorbée par un matériau notamment du genre de ceux que l'on vient de citer une double stimulation, optique et thermique, permet d'obtenir une émission exoélectronique dudit matériau, ce qui ne permet pas une simple stimulation, optique ou thermique. L'énergie absorbée par le matériau (lors d'une irradiation par exemple) provoque le peuplement de pièges électroniques de ce matériau : des électrons de ce dernier sont capturés par ces pièges. L'action combinée de la lumière et de la chaleur libère ces électrons et leur communique suffisamment d'énergie pour qu'ils puissent sortir du matériau. Bien entendu, le procédé objet de l'invention convient aussi aux matériaux ne nécessitant qu'une simple stimulation, optique ou thermique, pour émettre des exoélectrons. Par analyse de ladite émission d'exoélectrons, on entend notamment la détection de ces exoélectrons et leur comptage, pour permettre de déterminer l'énergie absorbée par le matériau. Selon une caractéristique particulière du procédé objet de l'invention, l'énergie absorbée par ledit matériau résulte d'une irradiation de celui-ci, par exemple par des particules comme les électrons, les neutrons, les photons X ou les photons Y. Selon une autre caractéristique particulière, ledit matériau est stimulé thermiquement en maintenant sa vitesse de chauffe constante. Selon une autre caractéristique particulière, ledit matériau est stimulé thermiquement en le chauffant de la température ambiante jusqu a une température au plus égale à 4000C. Ledit matériau est par exemple stimulé optiquement avec une lumière de longueur d'onde au moins égale à 300 nm. Selon une autre caractéristique particulière de l'invention, l'analyse de l'émission des exoélectrons comprend la détermination des valeurs du taux de comptage de ces exoélectrons en fonction du temps et l'énergie absorbée par ledit matériau est déterminée à l'aide du maximum desdites valeurs. Lorsque l'énergie absorbée par ledit matériau résulte d'une irradiation de celui-ci, le procédé objet de l'invention s'applique notamment à la dosimétrie, comme on l'a déjà indiqué. Le procédé objet de l'invention sera mieux compris à la lecture de la description qui suit d'un exemple de mise en oeuvre, en référence aux dessins annexés sur lesquels : - la figure 1 est une représentation schématique d'un dispositif pour la mise en oeuvre du procédé objet de l'invention, les exoélectrons étant émis par un matériau préalablement irradié ; - la figure 2 est un schéma synoptique de moyens pré vus pour l'analyse d'une émission exoélectronique et associés au dispositif de la figure 1 - la figure 3 est un schéma montrant l'évolution des stimulations optique et thermique dudit matériau au cours du temps ; - la figure 4 est un ensemble de courbes de stimula tion dudit matériau, réalisées avec le dispositif de la figure 1 ; ; - la figure 5 est un graphique montrant l'évolution de valeurs caractéristiques des courbes de la figure 4, en fonction de la dose absorbée par ledit matériau au cours de son irradiation ; et - la figure 6 représente, en coordonnées semi-loga- rithniques, l'évolution du maximum des courbes de la figure 4 en fonction de la dose absorbée par ledit matériau Sur les figures 1 et 2 on a représenté schématiquement et respectivement : - un dispositif permettant, selon le procédé objet de l'invention, la stimulation optique et thermique d'un matériau préalablement irradié et la détection d'exoélectrons émis par ce matériau lors de ladite stimulation, et - des moyens associés au dispositif précédent et per mettant l'analyse de l'émission exoélectronique ob tenue avec ce dispositif. Ce dispositif et ces moyens sont décrits dans une thèse de M. Petel intitulée "Recherches sur la dosimétrie par émissions électroniques stimulées", Université Paul Sabatier, Toulouse, 1976 (Rapport CEA R-4754), pp. 21-30. Le dispositif de la figure 1 comprend essentiellement une source lumineuse 1, un détecteur d'exoélectrons 2 et un four électrique 3 disposés selon un même axe X'X vertical. La source lumineuse 1 est constituée d'une lampe à halogène (lampeà iode de 200 W commercialisée par la société OSRAM, par exemple). Un filtre 4 est prévu pour ne laisser passer que les radiations de longueur d'onde supérieure à 305 nm. Une lentille 5, interposée entre la source lumineuse 1 et le filtre 4, est prévue pour concentrer la lumière émise par la lampe 1 sur la surface d'un échantillon (non représenté) du matériau qui a été irradié. Le détecteur d'exoélectrons 2 est constitué par un compteur à pointe. Ce compteur est par exemple de forme cylindrique et d'axe X'X. Ses parois latérales 2a sont par exemple en acier anodisé et sa partie supérieure 2b comporte une fenêtre 2c par exemple en silice fondue.Une haute tension est amenée par un fil 2d de platine, horizontal, traversant toute la cavité 2h du compteur 2. L'anode 2e, en forme de pointe, du compteur 2, est constituée par un fil d'or vertical de quelques millimètres de longueur. L'ouverture 2f de la partie inférieure 2g du compteur 2 fait face à l'échantillon (non représenté). Ce dernier est maintenu par vissage contre un disque-support en silice fondue (non représenté). La partie inférieure de ce disque est en contact avec le four électrique 3. Ce four 3 et la cavité 2h du compteur 2 sont remplis d'une atmosphère d'un gaz tel que le méthane pur en circulation. Le dispositif de la figure 1 comprend égale ment une circulation d'eau 6 entourant la source lumineuse 1 et un diaphragme à iris 7 muni d'une commande 7a et interposé entre le filtre 4 et la fenêtre 2c. Sur la figure 1, on voit aussi des conducteurs électriques 3a d'alimentation du four 3 en courant électrique et des conducteurs électriques 3b reliés à un thermocouple (non représenté) permettant de contrôler la température de l'échantillon à analyser. Celui-ci est par exemple constitué d'un disque de tissu -en coton de couleur blanche dont sont faites certaines blouses que l'on porte en particulier dans les laboratoires de recherche. L'intérêt de ce matériau est qu'il se trouve dans l'environnement immédiat d'une personne ne portant pas de dosimètre et exposée à des radiations de façon imprévue (à condition que cette personne porte une blouse du type indiqué ci-dessus pour protéger ses vêtements). On peut alors prélever des échantillons de blouse aux endroits correspondant aux régions du corps au niveau desquelles on désire effectuer des mesures de dose absorbée. Sur la figure 2, on a représenté schématiquement des moyens d'analyse de 1 'émission exoélectronique de l'échantillon 8 stimulé optiquement par la lampe 1 et thermiquement par le four 3. Cette émission est détectée par le compteur 2. Des moyens 9 de commande de la température T de l'échantillon 8 sont prévus et permettent de réaliser une montée "linéaire" de cette température T en fonction du temps t, c'est-àdire de maintenir une vitesse de chauffe dT/dt constante et par exemple comprise entre 1 et 30C/s. Les moyens de commande 9 sont reliés électriquement au four 3 et au thermocouple (non représenté) qui permet de connaitre la température de l'échantillon 8, respectivement par les conducteurs 3a et 3b représentés sur la figure 1. Lesdits moyens d'analyse se composent essentiellement d'une échelle de comptage 10 reliée électriquement au compteur 2. Ils se composent en outre de moyens de mémorisation de l'évolution du taux de comptage des exoélectrons en fonction du temps t ou de la température T de l'échantillon 8 émetteur d'exoélectrons. Ces moyens de mémorisation sont reliés électriquement aux moyens de commande 9 et à l'échelle de comptage 10 et peuvent consister en un traceur de courbes. Ils peuvent également consister (cas de la figure 2) en un analyseur multicanaux 12 associé à des moyens électroniques 13 de traitement d'informations mémorisées dans cet analyseur multicanaux 12, ces moyens 13 de traitement étant eux-mêmes associés à un traceur de courbes 11 ainsi qu'à un enregistreur magnétique (par exemple à cassettes) 14 si on le désire. Bien entendu, des moyens d'alimentation en courant électrique (non représentés) sont prévus pour les différents moyens des figures 1 et 2 qui ont besoin de ce courant pour fonctionner. Sur la figure 3, on a représenté un schéma montrant l'évolution des stimulations optique (courbe 3.I) et thermique (courbe 3.II) du matériau étudié au cours du temps t (exprimé en secondes). La température T de l'échantillon de ce matériau, placé dans le dispositif de-la figure 1, est comptée sur l'axe des ordonnées à gauche du schéma et exprimée en OC. L'in tensité I de la lumière prévue pour stimuler ledit échantillon est comptée sur l'axe des ordonnées à droite du schéma et exprimée en unités arbitraires (ua en abrégé). On voit sur ce schéma que lton peut procéder de la façon suivante pour stimuler optiquement et thermiquement l'échantillon : à l'instant t=Os, la lumière est allumée et l'on chauffe l'échantillon de préférence avec une vitesse de chauffe constante. Cette vitesse de chauffe est par exemple de l'ordre de 10ces : la température de l'échantillon passe ainsi de la température ambiante (de Itordre de 200C) à une température par exemple voisine de 3500C qu'il atteint en un temps de l'ordre de 330s. On fait alors cesser les stimulations optique et thermique et la température T de l'échantillon décrit. Bien entendu, suivant la dose absorbée par cet échantillon, on peut être amené à stimuler thermiquement et optiquement l'échantillon pendant plus longtemps, de façon que sa température atteigne une valeur supérieure à 3500C, par exemple 5000C, pour vider au maximum les pièges électroniques de l'échantillon. Plus précisément, on peut arrêter la double stimulation lorsque le taux de comptage des exoélectrons devient voisin de zéro. Le traceur de courbes 11 de la figure 2 permet d'obtenir, lorsque la température T de l'échantillon croît "linéairement" avec le temps t pendant la double stimulation expliquée précédemment, les courbes de la figure 4. Seule la partie de ces courbes correspondant aux températures inférieures à environ 3500C a été représentée sur la figure 4. Ces courbes, appelées courbes de stimulation ou courbes d'effacement (ou glow curves dans les publications de langue anglaise), représentent l'évolution du taux de comptage dN/dt des exoélectrons, exprimé en coups par seconde (cps), N désignant le nombre d'exoélectrons comptés à un instant t, en fonction de la température T exprimée en OC, pour différentes valeurs de dose absorbée par le matériau dont est fait l'échantillon, matériau qui, on le rappelle, est du tissu en coton de couleur blanche, du type de celui avec lequel on fabrique notamment certaines blouses de laboratoire. Bien entendu, le taux de comptage dN/dt pourrait être tracé directemenc en fonction du temps t, connaissant la relation ("linéaire" dans le cas présent) entre celui-ci et la température T.Les doses absorbées sont données en doses équivalentes à l'air et exprimées en centigrays (cgy en abrégé). L'irradiation du coton a été réaliséeavec des électrons d'énergie maximale 3MeV, provenant d'une source deSttndum 90. On a également représenté sur la figure 4, une courbe de stimulation correspondant au bruit de fond (BdF), c'est-à-dire à un échantillon de coton non irradié. On voit que les courbes de la figure 4 présentent chacune un "pic" correspondant à un maximum du taux de comptage et dont la position en température et la hauteur dépendent de la dose absorbée par l'échantillon. A chacune des courbes de la figure 4, on peut associer trois quantités caractéristiques : la hauteur ou amplitude (dN/dt) m de son "pic", la température Tm correspondant à ce "pic" et le nombre total Ntot d'exoélectrons émis, correspondant à la surface délimitée par la courbe considérée et l'axe des températures.Les courbes 5.I, 5.II et 5.ICI de la figure 5 représentent respectivement les variations des quan tités (dN/dt) )mt Tm et Ntot précédentes, en fonction de la dose absorbée D (donnée en dose équivalente à l'air), exprimée en centigrays. Les points d'abscisse D nulle, correspondant à la courbe de bruit de fond de la figure 4, ont également été portés sur la figure 5 et représentés à l'aide des symboles X, * et O, correspondant respectivement aux courbes 5.I, 5.II et 5.ici. Les courbes de la figure 5 ont été tracées à partir de valeurs relevées sur la figure 4 et d'autres valeurs correspondant à des doses supérieures à 160 cgy. La hauteur (dN/dt)m, la température Tm et le nombre total Ntot d'exoélectrons sont respectivement comptés- sur les axes des ordonnées de gauche, du milieu et de droite (figure 5). Les quantités (dN/dt) et Tm sont respectivement exprimées en coups par seconde (cps) et en OC. On constate que l'amplitude (dN/dt) m varie de façon sensiblement logarithmique avec la dose D et l'on a donc (dN/dt) m = k. Log D (1) On peut le vérifier en traçant, comme sur la figure 5, les variations de l'amplitude (dN/dt) m en fonction de la dose D, mais en coordonnées semi-logarithmiques, ce qui est réalisé sur la figure 6. La courbe obtenue est effectivement sensiblement une droite. On peut ainsi utiliser la courbe de la figure 6 comme courbe d'étalonnage, pour déterminer la dose absorbée (inconnue) par un morceau de tissu en coton qui a été irradié. Pour ce faire, on prélève différents échantillons dudit morceau. Certains de ces échantillons sont analysés à différents instants par émission exoélectronique doublement stimulée, de fa çon à voir à partir de quel moment cette émission exoélectronique devient stable, c'est-à-dire indépendante du temps. Les échantillons non encore utilisés sont alors irradiés à des doses connues et différentes, puis analysés, ce qui permet de tracer une courbe du type de celle de la figure 6. Par extrapolation, on peut ainsi mesurer la sensibilité du coton étudié et déterminer la dose absorbée inconnue. Le procédé objet de l'invention permet donc notamment de mesurer, par émission exoélectronique stimulée, la dose absorbée par un matériau irradié sur lequel une stimulation simple (optique ou thermique) est sans effet. En particulier, ce procédé permet une dosimétrie, dite "de catastrophe", d'une personne irradiée ne portant aucun dosimètre sur elle (mais portant tout de même, comme on l'a vu, une blouse en coton) et ayant reçu une dose supérieure à quelques décigrays. D'autres matériaux que le coton, l'apatite dentaire par exemple, sont bien entendu envisageables pour cette dosimétrie de catastrophe. REVENDICATIONS 1. Procédé de mesure d'une énergie absorbée par un matériau, caractérisé en ce qu'il consiste à stimuler simultanément de façon optique et thermique ledit matériau, de manière à obtenir une émission d'exoélectrons de ce matériau, et à effectuer une analyse de ladite émission, pour obtenir des informations permettant de déterminer ladite énergie. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'énergie absorbée par ledit matériau résulte d'une irradiation de celui-ci. 3. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que ledit matériau est un corps organique. 4. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que ledit corps organique est du coton. 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que ledit matériau est stimulé thermiquement en maintenant sa vitesse de chauffe constante. 6. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que ledit matériau est stimulé thermiquement en le chauffant de la température ambiante jusqu'à une température au plus égale à 4000C. 7. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que ledit matériau est stimulé optiquement avec une lumière de longueur d'onde au moins égale à 300 nm. 8. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que l'analyse de l'émission des exoélectrons comprend la détermination des valeurs du taux de comptage de ces exoélectrons en fonction du temps et en ce que l'énergie absorbée par ledit matériau est déterminée à l'aide du maximum desdites valeurs. 9. Application du procédé selon l'une quelconque des revendications 2 à 8 à la dosimétrie.