Brevet FR2515830A1 — publié le 19830506

DOSIMETRE ELECTRONIQUE A DETECTEUR PROPORTIONNEL La présente invention concerne un dosimètre électronique destiné à contrôler la dose de rayonnements ionisants absorbée par des personnes devant pénétrer dans des zones exposées à ces rayonnements, utilisant un détecteur de rayonnement ayant une réponse sensiblement proportionnelle à l'énergie du rayonnement qu'il absorbe. Par détecteur proportionnel ou à réponse proportionnelle on comprendra ici des détecteurs de rayonnement fournissant des impulsions de courant dont les amplitudes sont respectivement sensiblement proportionnelles (dans certaines limites) à l'énergie cédée à son volume par le rayonnement ionisant (photon ou particule) L'ayant traversé. L'appareil de mesure le plus précis (de référence) de la dose absorbée est constitué par là chambre d'ionisation ayant une enveloppe en un matériau dit équivalent tissu, dont l'absorption de rayonnement est équivalente à celle du tissu humain. Cette enveloppe définit un volume rempli d'un gaz, contenant deux électrodes respectivement polarisées au moyen d'une tension continue. Les rayonnements traversant le volume ainsi délimité produisent des paires de particules chargées (électrons et ions des molécules de gaz) qui sont attirées vers les électrodes et engendrent dans le circuit comprenant celles-ci et leur source de polarisation, un courant impulsionnel dont la valeur moyenne qui indique la dose absorbée, peut être mesurée aux bornes d'une résistance insérée entre l'un des pôles de la source et l'une des électrodes.La sensibilité d'un dosimètre à chambre d'ionisation augmente avec le volume de gaz contenu dans l'enveloppe, ce qui rend difficile la réalisation d'appareils portatifs miniatures de ce type pour un dosimètre personnel de sensibilité élevée. L'invention a pour objet de réaliser des dosimètres, notamment personnels (portatifs), pour mesurer la dose absorbée (par le tissu humain) avec des résultats analogues à ceux obtenus au moyen d'une chambre d'ionisation, en utilisant des détecteurs de rayonnement à réponse proportionnelle fonctionnant en mode impulsionnel. Les détecteurs impulsionnels présentent deux inconvénientsprincipaux suivants: (a) ils fournissent des impulsions discrètes dont le nombre ne suffit pas à caractériser la dose absorbée, il n'est donc pas suffisant de les compter ; (b) la dose absorbée par les corps cristallins scintillateurs ou semiconducteurs varie avec l'énergie du rayonnement incident selon une loi (fonction) différente de celle qui régit l'absorption par la chambre d'ionisation de référence (étalon) à paroi en matériau équivalent tissu. Toutefois, du fait qu'ils sont à réponse proportionnelle, l'amplitude des impulsions donne une information proportionnelle à l'énergie absorbé, suivant une courbe de réponse que l'on peut corriger au moyen d'une courbe de coefficients de correction en fonction de l'énergie incidente, obtenue par étalonnage avec une chambre de référence (équivalente tissu) et mémorisée. Les techniques de traitement numérique de l'information facilitent grandement l'application du coefficient de correction et le comptage des impulsions suivant leur amplitude qui a été effectué jadis à l'aide de discriminateurs d'amplitude classiques (appelés "pulse height analysers" dans la littérature anglo-américaine). Un des éléments d'entrée du dispositif de traitement numérique des impulsions fournies par un détecteur proportionnel est constitué par un convertisseur analogique-numérique précédé d'un échantillonneur-bloqueur qui maintient en mémoire analogique chaque impulsion pendant que le convertisseur élabore le mot (nombre binaire) correspondant à l'amplitude. Ensuite, en passant éventuellement par une mémoire vive, on compte le nombre d'impulsions contenues dans les différentes fourchettes d'amplitude, afin d'élaborer la somme des produits des amplitudes moyennes des fourchettes avec le nombre d'impulsions qu'elles contiennent respectivement, ce qui donne la dose absorbée pendant l'intervalle de temps de la mesure. Les convertisseurs et échantillonneurs précités doivent être très rapides afin de pouvoir traiter jusqu'à 105 impulsions par seconde, ce qui les rend onéreux et peu économes en énergie électrique, de telle sorte que si l'on désire une autonomie supérieure à 8 heures, le poids et le volume des piles devient peu compatible avec du matériel portatif. A toutes fins utiles, on rappelera ici qu'il existe des détecteurs de rayonnements ionisants à réponse proportionnelle de taille réduite, qui sont normalement utilisés pour mesurer l'intensité du rayonnement incident et qui permettent, par conséquent, de mesurer, par exemple, l'absorption relative par un corps traversé dans différentes directions d'un rayonnement X ou gamma, sous irradiation par une source radiogène extérieure, ou la concentration relative de substances radioactives contenues dans un corps (caméra gamma).Tels sont, par exemple, les détecteurs à scintillation comprenant un cristal scintillateur transformant le rayonnement X ou t en un rayonnement lumineux (ou ultraviolet) bref dont l'intensité est sensiblement proportionnelle à l'énergie du photon X ou /t qui l'a engendré et un photomultiplicateur dont la photocathode est optiquement couplée à l'une des faces du crystal scintillateur (Nal:Tl, par exemple) de telle sorte que l'on obtient sur l'anode des impulsions de courant dont l'amplitude est fonction de l'intensité du rayonnement incident.On connaît également des détecteurs à l'état solide à réponse proportionnelle, dans lesquels des paires d'électrons et de trous sont engendrées à l'intérieur d'un corps cristallin en matériau semiconducteur, sous l'effet du rayonnement qui le traverse et qui peut céder une partie de son énergie aux électrons de valence pour en amener quelques uns dans la bande de conduction.Lorsque l'on munit les surfaces opposées du corps semiconducteur cristallin d'électrodes en les recouvrant de couches conductrices que l'on polarise au moyen d'une tension continue, les électrons libérés de la bande de valence par le rayonnement absorbé migrent vers l'électrode positive, tandis que les trous, c'est-à-dire les endroits de réseau cristallin représentant une charge positive par défaut d'un électron de valence, se déplacent vers l'électrode négative, créant ainsi un courant impulsionnel analogue à celui engendré dans les gaz par ionisation. Les détecteurs à l'état solide ou à semiconducteur de ce type sont également appelés détecteurs de conductivité, car c'est la conductivité électrique du corps qui est modifiée en fonction du rayonnement . Un cristal de sulfure de cadmiun (CdS) qui présente une réponse analogue à celle d'une chambre d'ionisation, notamment lorsqu'il est exploité dans le mode du courant moyen (intégré), peut être utilisé pour mesurer le débit de dose de rayonnements gamma. D'autres détecteurs à l'état solide utilisant du silicium (germanium) monocristallin fonctionnent en mode impulsionnel, l'amplitude des impulsions étant alors proportionnelle à l'énergie cédée par la rayonnement au corps formant le détecteur. La principale application connue de tels détecteurs est la spectromètrie gamma, qui permet de mesurer l'énergie (la fréquence) du rayonnement en analysant l'amplitude (hauteur) des impulsions fournies par le détecteur. L'objet de l'invention est un dosimètre économique de réalisation simple et légère, de faible consommation en énergie électrique (grande autonomie), utilisant un détecteur proportionnel classique, de faible encombrement. Suivant l'invention, ce résultat est obtenu au moyen d'un discriminateur d'amplitude (comparateur) à seuil variable en fonction du temps qui permet de pondérer le signal en fonction de l'énergie qu'il représente de telle sorte qu'un simple comptage des impulsions ainsi pondérées suffit à indiquer la dose absorbée. L'invention sera mieux comprise et d'autres de ses objets, caractéristiques et avantages ressortiront de la description qui suit et des dessins ci-annexés, s'y rapportant, donnés à titre d'exemple sur lesquels: - la figure 1 est un schéma synoptique (bloc-diagramme) d'un mode de réalisation du dosimètre suivant l'invention; - la figure 2 est un premier diagramme de la variation de la tension de seuil S (t) du discriminateur d'amplitude en fonction du temps, utilisable avec un détecteur proportionnel à courbe de réponse linéaire; et - la figure 3 est un second diagramme de la variation de la tension de seuil S (t) avec le temps pour un détecteur à courbe de réponse plus complexe. Le dosimètre illustré synoptiquement sur la figure 1 comporte un détecteur de rayonnement I à réponse proportionnelle, par exemple, du type à semiconducteur ou à scintillation, mentionnés précédemment. Ce détecteur 1 est exposé au flux des particules ou photons incidents FE dont il absorbe une fraction d'énergie qui est par définition la dose absorbée. I1 convertit cette énergie absorbée en fournissant une impulsion de courant dont l'amplitude lui est proportionnelle. Cette impulsion de courant provoque aux bornes d'une résistance de sortie (non représentée) une impulsion de tension dont l'amplitude est proportionnelle à celle de l'impulsion de courant. Un amplificateur linéaire d'entrée 2 reçoit cette impulsion de tension et fournit une impulsion amplifiée qui la met à un niveau suffisant pour permettre son traitement dans les étages ultérieurs du dispositif.La sortie de l'amplificateur 2 alimente l'entrée de signal 30 d'un discriminateur d'amplitude 3 qui comporte également une entrée de seuil 31 recevant une tension de seuil variable avec le temps de façon récurrente, fournie par un générateur de forme d'onde 4 qui sera décrit plus loin. Le discriminateur 3 fournit sur sa sortie 32 des impulsions d'amplitude constante en réponse à chaque impulsion appliquée à son entrée de signal 30, dont l'amplitude dépasse la tension de seuil appliquée à son entrée de seuil 31. I1 peut donc être constitué par un comparateur de tensions analogiques ou un amplificateur opérationnel intégrés, ce dernier étant éventuellement muni d'une résistance de réaction positive insérée entre sa sortie et son entrée non-inverseuse (+). La sortie 32 du discriminateur 3 alimente l'entrée de comptage d'un compteur accumulateur 5 qui compte le nombre des impulsions dont l'amplitude dépasse la tension de seuil S (t) fournie par le générateur 4. A la fin de chaque période de variation de la tension de seuil S (t) avec le temps selon une loi prédeterminée, le nombre d'impulsions que le compteur 5 a compté indique la dose de rayonnement absorbée par le détecteur 1 depuis le début du fonctionnement du dosimètre, qui coincide avec sa mise sous tension, par exemple. Le compteur 5 comprend un dispositif ou circuit de réinitialisation ou de remise à zéro classique qui peut être commandé par une transition correspondant à cette mise sous tension ou par tout autre moyen classique incorporé ou extérieur. Lorsque la courbe de réponse du détecteur 1, c'est-à-dire la variation de l'amplitude des impulsions qu'il fournit avec la dose de rayonnement absorbée, est linéaire (proportionnelle) dans toute la gamme désirée, la forme d'onde de la tension de seuil S (t) peut être une fonction linéaire du temps entre les instants t et to + T, où T est la période de variation (ou de référence) et to l'instant de mise sous tension. La forme d'onde de la tension de seuil est alors une dent de scie décroissante (ou croissante), la tension variant linéairement entre une valeur maximale S (to) à l'instant to qui est égale à la valeur maximale choisie de l'amplitude des impulsions détectées et amplifiées (en 2) et une valeur minimale qui est choisie, de préférence, égale au niveau crête du bruit à la sortie de l'amplificateur 2. La valeur maximale de l'amplitude des impulsions et donc de la tension de seuil est choisie principalement en fonction de la gamme des énergies absorbées du rayonnement à mesurer, qui dépend du spectre du rayonnement disponible à l'endroit où l'on veut le mesurer et également de la limite du fonctionnement linéaire ou quasi-linéaire du détecteur 1 dans la région des énergies élevées. Sur le diagramme de la figure 2, on a illustré une variation linéaire périodique décroissante de la tension de seuil S (t) entre une valeur maximale SO = S (to + nT), où n est entier, et une valeur nulle (Smin)' la courbe de variation présentant à chaque instant (to + nT) une brusque transition entre Smin et SO. Une telle variation de la tension de seuil S (t) du discriminateur 3 signifie que les impulsions d'amplitude maximale dépassant le niveau SO à l'entrée 30 de celuici, sont comptées pendant la totalité de la période T.Celles dont l'amplitude So/2 correspond à la moitié de l'énergie maximale absorbée à mesurer ne sont prises en compte qu'à partir de l'instant (to + T/2) jusqu'à l'instant (t + T), c'est-à-dire pendant une demi-période T/2. Il en résulte que les durées des intervalles de prise en compte des impulsions dont l'amplitude représente l'énergie cédée, varient linéairement en fonction de cette dernière.A supposer que la fréquence de récurrence des impulsions d'amplitude déterminée (représentant une certaine dose de rayonnement absorbée) puisse être considérée comme sensiblement constante, ce qui est possible si la période de référence T est suffisamment longue, et les intervalles de prise en compte variant, en outre, en fonction des amplitudes des impulsions, le nombre d'impulsions fournies par le discriminateur 3 donnera une indication de la somme des produits des amplitudes des impulsions avec leurs nombres respectifs, ce qui a été obtenu antérieurement à l'aide des circuits de traitement de données complexes et coûteux utilisant un grand nombre de circuits intégrés numériques rapides (bipolaires des types I2L, ECL, ou TTL) à consommation d'énergie élevée. En d'autre termes, les intervalles de prise en compte des impulsions étant proportionnels à l'énergie absorbée qu'elles représentent, le nombre fourni par le compteur accumulateur 5 est, à la fin de chaque période de variation de la tension de seuil, égale à la somme des produits des énergies absorbées représentées par les impulsions de différentes amplitudes avec leurs nombres respectifs qui sont proportionnels aux durées des intervalles de prise en compte de chaque énergie, ce qui permet d'indiquer la dose absorbée après étalonnage du dosimètre ainsi obtenue avec une chambre d'ionisation de référence. Il est à remarquer ici que la forme d'onde de variation du seuil peut, dans ce cas, également être triangulaire (symétrique) ou en marche d'escalier, par exemple. Sur la figure 3, on a illustré une forme d'onde de variation de la tension de seuil S (t) avec le temps t dont la forme est adaptée à une courbe de réponse non-linéaire d'un détecteur 1 qui rlrest alors qu'approximativement proportionnel. La caractéristique amplitude-énergie du détecteur 1, lorsqu'elle présente des régions de sensibilités différentes, comme, par exemple, d'une croissance rapide de l'amplitude avec énergie entre des énergies correspondant à des amplitudes comprises entre 5min et S2' et S1 et SO' et une croissance plus lente entre S2 et doit être compensée non pas à l'aide de circuits de traitement numériques dont une mémoire morte permettrait la multiplication de chaque amplitude convertie en valeur numérique par un coefficient de correction déterminé par étalonnage, mais à l'aide d'une forme d'onde à pente variable représentée sur le diagramme de la figure 3. L'obtention d'une telle forme d'onde est possible à l'aide de générateurs de fonction qui permettent de remplacer des fonctions tension-temps curvilignes par des tronçons linéaires consécutifs dont les pentes respectives changent. Une fonction analogue à celle représentée sur la figure 3 peut être obtenue au moyen d'un condensateur successivement chargé par trois générateurs de courants dont l'intensité est proportionnelle à la pente de la section de la courbe. La commutation entre ces générateurs peut être commandée à l'aide de comparateurs de tension. Il est également possible d'obtenir à l'aide d'une horloge et d'un diviseur (éventuellement programmable) des impulsions de plusieurs fréquences différentes que l'on peut successivement intégrer. Des générateurs de fonctions à diodes, sont décrits par exemple aux pages 251 à 254 de l'ouvrage américain de GRAEME, TOBEY dc HUELSMAN intitulé "OPERATIONAL AMPLIFIERS't, publié par Mc GRAW-HILL BOOK COMPANY en 1971. Il est également possible d'obtenir des fonctions tension-temps à l'aide de circuits logiques câblés ou programmés. De toute façon, la fonction plus complexe du seuil avec le temps ne sert qu'à compenser la non-linéarité du détecteur 1, c'est-à-dire de rendre les durées de prise en compte des impulsions qu'il fournit, proportionnelles à l'énergie cédée qu'elles représentent. REVENDICATIONS 1. Dosimètre pour mesurer l'énergie absorbée de rayonnements ionisants, qui comprend un détecteur de ces rayonnements (1) du type dit proportionnel, fournissant des impulsions dont les amplitudes sont respectivement des fonctions au moins approximativement linéaires des énergies absorbées, caractérisé en ce qu'il comporte en outre, un discriminateur d'amplitude (3) dont une entrée (30) reçoit les impulsions fournies par le détecteur (1) et dont l'autre entrée (31) reçoit une tension de seuil variable de telle sorte que le temps de prise en compte des impulsions de différentes amplitudes soit au moins sensiblement proportionnel aux énergies qu'elles représentent, la sortie (32) du discriminateur (3) alimentant un compteur- accumulateur (5) d'impulsions indiquant la dose absor-bée. 2. Dosimètre suiant la revendication 1, caractérisé en ce que la tension de seuil variable est fournie par un générateur de formes d'onde de tension récurrentes (4) à périodicité constante, fournissant une forme d'onde de tension variant de manière continue entre des niveaux correspondants respectivement à l'énergie maximale à détecter et à l'énergie minimale déterminée par le niveau du bruit. 3. Dosimètre suivant la revendication 2 , caractérisé en ce que, lorsque le détecteur (1) présente une caractéristique amplitude-énergie sensiblement linéaire, le générateur de formes d'onde (4) fournit une tension-de seuil dont le niveau varie linéairement avec le temps (dent de scie ou triangle symétrique). 4. Dosimètre suivant la revendication 2, caractérisé en ce que, lorsque le détecteur (1) présente une caractéristique amplitudeénergie dont la pente est variable, le générateur de formes d'onde (4) fournit une forme d'onde de tension complexe, composé de plusieurs segments dont les pentes respectives varient de manière sensiblement inverse par rapport à celles de cette caractéristique, afin d'obtenir des durées de prise en compte sensiblement proportionnelles aux énergies représentées par les amplitudes des impulsions.