Brevet FR2510266A1 — publié le 19830128

La présente invention se rapporte à un dis- positif de détection d'aérosols et notamment d'aéro- sols de particules solides émettrices de rayons a. Elle a plus spécialement pour objet un tel dispositif muni d'un système permettant de créer-une dépression dans la chambre de mesure tout en assurant le réentrainement des particules qui pourraient se dé- poser sur les parois du dispositif déprimogène. La détection d'aérosols émetteurs de parti- cules c s'effectue généralement à partir de leur pré- lèvement sur un filtre Celui-ci est placé dans une chambre fermée et fait face à la surface-sensible d'un détecteur: entre ces deux surfaces une distance x est nécessaire pour permettre l'écoulement de l'air conte- nant les aérosols sans polluer la tête de mesure et pour obtenir un prélèvement homogène sur le filtre. Cependant, lorsque la distance x augmente, la préci- sion de la mesure diminue et la résolution du détec- teur devient plusûhauvaise: il est alors difficile de différencier la mesure des contaminants d'une énergie donnée (les isotopes 238 et 239 du plutonium par exem- ple) de celle d'autres émetteurs c constituant un bruit de fond (par exemple les descendants solides du radon tels que Ra A et Ra C') On détermine donc une distance optimale telle que l'écoulement de l'aérosol et les performances de la mesure soient satisfaisants. Cependant, pour une distance source-détec- teur donnée, la résolution de l'appareil peut être améliorée en introduisant l'aérosol dans la chambre de mesure à une pression inférieure à la pression atmos- phérique. Il existe de tels appareils o la canalisa- tion d'entrée de l'aérosol dans la chambre de mesure est équipée d'un dispositif capable d'introduire une perte de charge dans le circuit, par exemple une vanne à étranglement réglable, et donc de diminuer la pres- sion dans la chambre de mesure. Or un tel dispositif présente encore des in- convénients car une fraction non négligeable des par- ticules de l'aérosol peut être retenue dans le dispo- sitif déprimogène par adhésion sur les parois de celui-ci La fraction retenue, variable avec la dimen- sion des particules et avec la vitesse de l'écoule- ment, peut atteindre 50 % pour les particules de diamè- tre supérieur à 1 Bn Ainsi, la granulométrie des par- ticules qui se déposent sur le filtre n'est plus re- présentative de l'aérosol, ce qui fausse les mesures. La présente invention a justement pour objet un dispositif de détection d'aérosols o la canalisa- tion d'entrée est équipée d'un appareil permettant de créer une dépression et de réduire la fraction retenue de l'aérosol à moins de 2 % et ce même pour des grosses particules dont les dimensions sont de l'ordre de 1 lum ou davantage. Selon la principale caractéristique du dis- positif objet de l'invention, celui-ci, du type com- portant une chambre de mesure équipée d'un filtre de prélèvement et d'un détecteur de rayonnement, ladite chambre étant en communication avec l'extérieur par une canalisation d'entrée et une canalisation de sor- tie, se caractérise en ce que la canalisation d'entrée est équipée d'un tube de Venturi permettant de créer une dépression dans la chambre de mesure et d'exercer sur les particules solides de l'aérosol une force d'entraînement supérieure à la force tendant à faire adhérer lesdites particules sur ses parois. Le fait de placer en amont de la chambre de mesure un tube de Venturi permet d'obtenir facilement dans celui-ci une vitesse d'écoulement proche de celle du son et d'éviter le dépôt des grosses particules sur les parois du tube car, dans ces conditions, la force d'entra nement des particules est supérieure à la for- ce d'adhésion de celles-ci sur les parois Selon une autre caractéristique de ce dispo- sitif, l'angle au sommet du convergent du tube de Ven- turi est inférieur à 300 et l'angle au sommet du di- vergent est inférieur à 100. Selon une autre caractéristique du disposi- tif, le col -du Venturi et le divergent entier sont réalisés en une seule pièce, sans raccord, de manière à ne pas détruire la couche limite de l'écoulement turbulent. Selon une autre caractéristique du disposi- tif, les parois internes des différents éléments qui le constituent sont lisses et constituées d'un maté- riau conducteur de l'électricité. Enfin, selon une dernière caractéristique d'un tel dispositif, destiné à une utilisation en pré- sence d'huiles ou substances analogues, les parois in- ternes de ses différents éléments sont recouvertes d'un agent tensio-actif, qui est de préférence un pro- duit contenant du fluor. Un excellent état de surface du divergent est une condition impérative du bon rendement du dis- positif; celui-ci exige de plus des parois conductri- ces de l'électricité afin de permettre l'écoulement des charges électriques parasites qui entraîneraient le dépôt, par attraction électrostatique, des particu- les chargées La paroi doit donc être métallique ou recouverte d'un matériau conducteur. D'autre part, les parois ne doivent pas être polluées par d'éventuelles gouttelettes d'huile ou d'autres liquides aspirées accidentellement, *ce qui augmenterait considérablement les forces d'adhésion des aérosols traversant le dispositif Pour minimiser cet inconvénient, la paroi peut être avantageusement revêtue d'un film sec d'un agent tensio-actif dont la faible énergie de surface provoque une bonne répulsion vis-à-vis des huiles et solutions aqueuses et évite la migration de gouttelettes sur la paroi En effet, des mesurés faites au microscope ont montré par exem- ple que le coefficient d'étalement de gouttelettes d'huile de Dioctyle Phtalate (DOP) de 1 Q,jm est réduit à environ 1,5 Un tel revêtement peut aussi éviter la formation d'un film liquide adsorbé par la paroi lors du prélèvement en atmosphère saturée en vapeur d'eau: ce phénomène, qui apparaît pour des taux d'humidité relative supérieurs à 70 %, -accroît l'adhérence des particules qui sont alors soumises à des forces capi l- laires Du fait de la vitesse d'écoulement très élevée de l'aérosol, le gaz subit une-chute de température au niveau du col du tube de Venturi, ce qui provoque un risque accru d'apparition du phénomène. Un autre avantage de la présence d'un tel agent tensio-actif est que, en abaissant considérable- ment l'adhérence des gouttelettes et en facilitant ainsi leur-entraînement, on apporte une garantie sup- plémentaire quant à la conservation du bon état de surface de la paroi Cependant le mode d'application de l'agent tensio-actif doit être tel que la couche déposée soit mince et parfaitement uniforme. -Parmi les agents tensio-actifs utilisables dans l'invention, les plus efficaces sont les agents fluorés La méthode d'application la plus courante consiste à tremper le dispositif dans une solution d'un -tel produit, puis à laisser évaporer le solvant il se forme alors sur la paroi un film sec d'épaisseur voisine de li L qui est insoluble dans les solvants fluorés et peut supporter des températures allant jus- w qu'à 2001 C environ D'autre part, ce revêtement pré- sente une bonne tenue mécanique et ne modifie pas sen- siblement les propriétés de conductivité électrique de la paroi. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description qui va sui- vre, donnée à titre purement illustratif et nullement limitatif, en référence aux dessins annexés dans les- quels: la figure 1 est une vue schématique en coupe d'un dispositif de détection conforme à l'inven- tion, la figure 2 est une vue agrandie, en cou- pe, du tube de Venturi utilisé dans le dispositif de l'invention, et la figure 3 est une courbe représentant, en échelle logarithmique et en fonction du débit en litre/minute, la fraction de particules retenue dans le tube de Venturi-pour des particules de 6,1 de dia- mètre. La figure 1 représente un dispositif de dé- tection d'aérosols émetteurs de particules a portant la référence générale 1 et comportant une chambre de mesure 2 dans laquelle se trouve un filtre de prélève- ment 4 faisant face à la surface sensible 6 d'un dé- tecteur 7 lui-même relié à un appareil de mesure 8. L'aérosol arrive par la canalisation 10 qui débouche dans un espace annulaire 12 entourant la chambre 2. Des passages radiaux 14 mettent l'espace 12 en commu- nication avec celle-ci Les particules de l'aérosol sont retenues par le filtre 4 tandis que lé gaz est évacué par la canalisation 16 Cette dernière est mu- nie d'une pompe d'aspiration 17 et d'un débitmètre 18. Afin de créer une dépression dans la chambre de mesure, on place sur la canalisation d'arrivée 10 N 2510266- un dispositif déprimogène 11 capable d'introduire une perte de charge dans l'écoulement Un manomètre 13, situé entre le dispositif 11 et la chambre 2, permet de connaître la pression à l'intérieur de celle-ci. Le dispositif déprimogène utilisé dans le dispositif selon l'invention apparaît plus en détail sur la figure 2 Sur cette figure, on voit qu'il s'agit d'un tube de Venturi comportant du côté amont un raccordement d'entrée cylindrique 26 et du côté aval un raccordement de sortie cylindrique 28 Ce tube de Venturi comporte également un convergent 23 d'angle au sommet a suivi d'une partie centrale cylindrique ou col 24 dont la longueur est égale au diamètre et d'un divergent d'angle au sommet 5 Le diamètre du col est calculé de manière à -obtenir le débit désiré lorsque la vitesse de l'air le traversant est sonique Afin d'éviter tout décollement-des lignes de flux, les di- mensions du tube de Venturi sont calculées de telle sorte que l'angle a soit inférieur à 30 et l'angle f inférieur à 100 Le col et le divergent doivent être exécutés en une seule pièce On a réalisé un tel dis- positif dans lequel l'angle a est égal à 210 et l'an- gle a à 70 Les raccordements d'entrée et de sortie ont un diamètre de 6 mm tandis que la longueur et le diamètre du col 24 sont de 2 mm. Ce dispositif a été expérimenté avec diffé- rents aérosols contenant chacun des particules de gra- nulométrie homogène afin de déterminer la fraction de particules retenue en fonction de la-vitesse d'écoule- ment et du diamètre de celles-ci On a utilisé des aérosols mono-dispersés de sels d'ammonium de fluores- céine de diamètre 2,0, 4,1, 6,1 et 9,Oltm respective- ment. Le ban a essai utilisé pour ces expériences comporte tout d'abord un générateur de particules _ 10266 fonctionnant sur le principe de la fragmentation con- trôlée d'un jet liquide cylindrique produit à travers un orifice de très petit diamètre La fragmentation du jet est réalisée par une céramique piézoélectrique qui met en vibration une membrane percée d'un orifice mi- croscopique On obtient ainsi des gouttelettes de di- mensions homogènes constituées de sels d'ammonium de fluorescéine en solution dans de l'eau et de l'alcool. Après évaporation du solvant,, il reste des particules solides dont la taille est fonction de la concentra- tion de la solution Ce mode de production, s'il pré- sente l'avantage de permettre l'obtention d'une granu- lométrie homogène, a cependant l'inconvénient d'en- traîner une charge électrique élevée des particules celle-ci est neutralisée à l'aide d'une source O de krypton 85 Les particules parviennent ensuite au dis- positif déprimogène conforme à l'invention à travers un cône de raccordement et un tube cylindrique de liaison précédant -le raccordement d'entrée du disposi- tif et ayant le même diamètre que celui-ci Ce tube de liaison a une longueur égale à 20 fois son diamètre afin de régulariser l'écoulement En aval du disposi- tif se trouve un autre tube cylindrique, prolongeant le raccordement de sortie et ayant le même diamètre que celui-ci et une longueur égale à 20 fois ce dia- mètre Enfin, un autre raccordement conique permet aux particules d'arriver sur un filtre de prélèvement Ce dernier est en fibre de verre tandis que l'ensemble du circuit d'écoulement des aérosols, y compris le dispo- sitif selon l'invention, 'stèntièrenient métallique (laiton) et relié à la terre. Les aérosols traversent le dispositif pen- dant un temps variable en fonction de la taille des particules et du débit choisi Une fois l'essai -termi- né, le dispositif déprimogène ainsi que le filtre de prélèvement sont mis à tremper dans une solution d'eau permutée ammoniaquée: la concentration des solutions en sels d'ammonium de fluorescéine est mesurée à l'ai- de d'un fluorimètre à lampe au xénon, ce qui permet de connaître la masse dé particules déposées respective- ment sur le filtre et dans le dispositif. Les résultats pour différents débits et dif- férents diamètres de particules sont donnés dans le tableau joint en annexe On voit tout d'abord que, pour les petites particules de 21 L, la fraction retenue est de l'ordre de 1 à 2 % quelles que soient les condi- tions de débit et de pression. Au contraire, pour les particules plus gros- ses, le dépôt est très important pour un faible débit: sur la courbe de la figûre 3, correspondant à -des particules de diamètre 6,1 um, on voit que le dé- pot est très important ( 30 % pour un faible débit de 4,4 1/min) Lorsque le débit croît, la fraction dépo- sée diminue pour atteindre 1 % à 20 I/min et descend même jusqu'à 0,4 % lorsqu'on atteint le débit maximum de 32,8 1/min (cette valeur correspond au débit maxi- mum possible qui se trouve être automatiquement régulé du fait du régime sonique du dispositif utilisé pour les essais) L'examen du tableau de résultats montre encore qu'à ce débit maximum de 32,8 1/min la frac- tion retenue est plus faible pour les particules les plus grosses Des mesures complémentaires faites en fin d'expérience ont montré que le dépôt de particules sur les cônes et les tubes de raccordement situés en amont et en aval du dispositif sont faibles et n'en- traînent pas d'erreurs importantes sur les résultats qui viennent d'être présentés. Ainsi, le dispositif selon l'invention pré- sente des avantages particulièrement intéressants puisqu'il permet de créer une dépression dans la cham- bre de mesure d'un détecteur d'aérosols émetteurs de- particu-les ac tout en réduisant à une valeur inférieure à 2 % la fraction de particules retenue dans le dispo- sitif déprimogène quelle que soit la dimension de celles-ci, ce qui évite les erreurs de mesure dues à une variation de la granulométrie des particules qui pénètrent dans la chambre: ce dernier résultat est obtenu à partir d'une certaine valeur du débit d'aspi- ration par ailleurs nécessaire à l'obtention de la dé- pression. Il est bien entendu que l'invention ne se limite pas au seul exemple de réalisation qui vient d'être décrit, mais que des modifications sont possi- bles sans sortir pour autant du cadre de l'invention. C'est ainsi que l'homme de l'art pourra adapter les dimensions des différents éléments du dispositif (dia- mètre des raccordements d'entrée et de sortie, angle au sommet du convergent et du divergent du tube de -Venturi) en fonction du diamètre des particules et du débit désiré. èp Tou Aeu 1 S oui avq OE ap oaqmo N assa,4 T,& wil UTUI enue-4 al Tinju GA np Top np T soln OT 12 ed UOTI Deaff -ap 04 ireci e 6 esed ne ipatua Tnoon' 2 Te T ep q Tqq(j Sap e 2 l G Ule T(I SHSE Rd SIGONON SUOSOUSV&a NOUNS Ia U ZCP SUEEISSI 4 S Iqa SIVIIIIISSIE il SI SNO Illa NOD 8 Il ZE 84 9 P 'l P 91 ZE 018 Z 1,10 Z OIST S'OT, pis 8 i ZE Bl ZE 8,19 i i 0 i 6 T 9 Tà O 'l z E OVEZ'O Z OT' 9 '8 Z-OT' O '6 T Z-OT Et, O OT*ZZ'O Z-OT à Z OT' 6 JT Z 4 Z_OT O P OT* V 9 T OT# 01 ZZ OT' 9 '8 Z OTOLSJ O OT* ú'ZZ OT'6 Z'T Z-OT'SL'T SIS 61 Z OOT S" 6 0 IPZ SIET SIS S 'l S 6 Z SIS S Il 5 0491 CE OC 6 O t, OOZIE OLS 9 EZ 05010 Z Ov 9,T OLLOOT OCLOL OC 6 OEVV OOZ It OL *úZ 0 ú 6# OL t'EZ 0 ú 6 't 09 Z LE ez 09 Z BST ZET LE ILú tlz i 09 Z LE 1 09 Z LE CD PQ fun CD N> m 0 % il REVEND ICATIONS 1 Dispositif de détection d'un aérosol et plus particulièrement d'un aréosol de particules solides émettrices de rayons a du type comportant une chambre de mesure ( 2) équipée d'un filtre de pré- lèvement ( 4), et d'un détecteur de rayonnement ( 7), ladite chambre ( 2) étant en communication avec l'exté- rieur par une canalisation d'entrée ( 10) et une cana- lisation de sortie ( 16), caractérisé en ce que la ca- nalisation d'entrée ( 10) est équipée d'un tube de Ven- turi ( 11) permettant de créer une dépression dans la- chambre de mesure ( 2) et d'exercer sur les particules solides de l'aérosol une force d'entraînement supé- rieure à la force tendant à faire adhérer lesdites particules sur ses parois. 2 Dispositif selon la revendication 1, ca- ractérisé en ce que le tube de Venturi ( 11) comporte un convergent ( 23) d'angle au sommet inférieur à 300, une partie centrale cylindrique ou col ( 24) dont la longueur est égale au diamètre et un divergent ( 25) d'angle au sommet inférieur à 100. 3 Dispositif selon la revendication 2, ca- ractérisé en ce que l'angle au sommet du convergent ( 23) du tube de Venturi est égal à 21 et l'angle au sommet du divergent ( 25) est égal à 7 . 4 Dispositif selon l'une quelconque des re- vendications 1 à 3, caractérisé en ce que les parois internes du tube de Venturi sont lisses et constituées d'un matériau conducteur de l'électricité - 5 Dispositif selon l'une quelconque des re- vendications 1 à 4, caractérisé en ce que le col ( 24) et le divergent ( 25) du tube de Venturi ( 11) forment une seule pièce sans raccord. 6 Dispositif selon l'une quelconque des re- - vendications 1 à 5, caractérisé en ce que les parois internes du tube de Venturi sont recouvertes d'un agent tensio-actif. * 7 Dispositif selon la revendication 6, ca- ractérisé en ce que ledit agent tensio-actif est un produit contenant du fluor.