Brevet FR2530381A1 — publié le 19840120

i La présente invention a pour objet une cham- bre d'ionisation permettant de mesurer des rayonne- ments gamma de haute énergie Elle permet en particu- lier de mesurer des rayonnements gamma dont l'énergie est voisine de 6 Me V De tels rayonnements gamma sont notamment émis par l'azote 16 induit, par réactions nucléaires, dans l'eau de la cuve d'un réacteur à eau sous pression La mesure de ces rayonnements gamma, et donc de la quantité d'azote 16 formée, est l'un des moyens utilisés pour connaître la puissance d'un réac- teur et pour déterminer la vitesse et le débit du fluide circulant dans le circuit primaire du réacteur. De façon générale, une chambre d'ionisation comprend une enceinte étanche, remplie d'un gaz ioni- sable, et une ou plusieurs électrodes permettant de créer un champ électrique à l'intérieur de l'enceinte. Lorsqu'un rayonnement nucléaire traverse le gaz de la chambre, celui-ci se trouve ionisé En présence du champ électrique, les charges produites subissent, dans la direction du champ, un entraînement qui se superpose à leur agitation thermique Cet entraînement des charges et notamment des ions formés permet d'in- duire, à travers les électrodes, un courant dit d'io- nisation que l'on mesure. La chambre d'ionisation, qui représente un détecteur bien adapté à la mesure de rayonnements gam- ma peut permettre la mesure de rayonnements gamma pré- sentant un débit de dose allant de 1 à 100 rad/heure. Pour effectuer de telles mesures de rayonnements gam- ma, et notamment des rayonnements émis par l'azote 16, induite dans l'eau de la cuve d'un réacteur, la cham- bre d'ionisation, compte tenu des conditions d'envi- ronnement et du fait qu'aucune intervention humaine n'est possible pendant le fonctionnement du réacteur, doit présenter les caractéristiques suivantes B 7637-3 LC grande sensibilité pour les photons gamma de haute énergie, bonne tenue en température, bonne tenue aux vibrations, bande passante élevée permettant la mesure de fluc- tuations, grande robustesse, et durée de vie importante. Les chambres d'ionisation servant actuelle- ment à une telle mesure et qui présentent notamment une faible sensibilité à la température présentent une faible sensibilité aux photons gamma de grande éner- gie, nécessitant l'utilisation d'amplificateurs qui eux sont très sensibles à la température ainsi qu'à l'humidité ambiante. La présente invention a justement pour objet une chambre d'ionisation pour la mesure de rayonne- ments gamma de haute énergie permettant de remédier à cet inconvénient En plus de sa grande sensibilité aux rayonnements gamma de haute énergie et sa bonne tenue en température, la chambre d'ionisation selon l'inven- tion présente toutes les autres caractéristiques ci- tées ci-dessus. De façon plus précise, l'invention a pour objet une chambre d'ionisation permettant de mesurer des rayonnements gamma de haute énergie, caractérisée en ce qu'elle comprend une enceinte cylindrique étan- che, contenant un gaz ionisable, et plusieurs électro- des cylindriques coaxiales isolées les unes des au- tres, situées à l'intérieur de l'enceinte et portées à des potentiels différents de façon à créer un champ électrique dans l'enceinte, l'électrode la plus inter- ne étant formée d'un cylindre plein, l'électrode la plus externe formée d'un tube plein et les électrodes intermédiaires formées d'un tube perforé. B 7637-3 LC De préférence, la chambre d'ionisation com- porte cinq électrodes. L'utilisation de plusieurs électrodes por- tées à des potentiels différents et dont certaines, les électrodes non extrêmes, sont perforées permet d'augmenter le libre parcours moyen des électrons for- més dans l'enceinte de la chambre ce qui conduit à augmenter, dans la chambre, par rapport au nombre de photons gamma incidents, le nombre d'interactions nu- cléaires, ainsi que le courant électrique induit pour chaque interaction L'augmentation du libre parcours moyen des électrons permet d'obtenir une grande sensi- bilité pour la détection de rayonnements gamma de hau- te énergie. Selon un mode préféré de réalisation de la chambre de l'invention, les électrodes perforées pré- sentent une transparence comprise entre 30 et 40 %. Cette transparence permet d'optimiser le courant d'io- nisation induit dans la chambre. Dans une chambre d'ionisation servant à la détection de photons de grande énergie, c'est-à-dire des photons dont l'énergie est supérieure à 1 Me V, l'essentiel des interactions nucléaires (effet Compton, effet de matérialisation d'un photon, c'est- à-dire production d'une paire d'électron-positon), et donc du courant induit est produit dans les parois de l'enceinte et dans les électrodes Pour optimiser le nombre d'interactions et donc le courant induit, l'épaisseur de la paroi de l'enceinte, ainsi que le matériau constituant cette paroi et les électrodes, doivent être choisis en fonction de l'énergie des rayonnements gamma à mesurer. Selon l'invention, la détection de rayonne- ments gamma présentant une énergie voisine de 6 Me V est effectuée en utilisant une enceinte dont l'épais- seur est comprise entre 3 et 4 mmi réalisée de préfé- B 7637-3 LC rence en acier inoxydable De même, les électrodes peuvent être réalisées en acier inoxydable, les élec- trodes intermédiaires étant constituées chacune par des feuilles d'acier perforées, roulées et soudées en- tre elles. Par ailleurs, étant donné que le courant d'ionisation induit dépend de la nature et de la pres- sion du gaz, on utilisera de préférence un gaz conte- nant 98 à 99 % en poids de xénon et présentant par exemple une pression comprise entre 8,8 et 9,2 bars absolus. Selon un autre mode préféré de réalisation de la chambre de l'invention, les différentes électro- des présentent entre elles des écarts tels que le champ électrique soit uniforme dans toute l'enceinte. L'obtention dans un champ électrique présentant la mâ- me intensité dans toute l'enceinte permet dtassurer une bonne collection des ions formés ainsi que d'opti- miser la-bande passante de la chambre. Selon un autre mode préféré de réalisation de la chambre de l'invention, l'une des extrémités des électrodes est fixe et l'autre extrémité est maintenue en position-par des premiers moyens élastiques permet- tant un déplacement axial et par des seconds moyens élastiques permettant un déplacement radial. Par ailleurs, la chambre d'ionisation selon l'invention, peut comprendre des troisièmes moyens élastiques agissant axialement et uniquement sur ladi- te autre extrémité des électrodes intermédiaires. Ces différents moyens élastiques permettent d'obtenir une chambre d'ionisation insensible à la température et aux vibrations. D'autres avantages et caractéristiques de l'invention ressortiront mieux de la description qui suit, donnée à titre purement illustratif et non limi- tatif, en référence aux dessins annexéssur lesquels: B 7637-3 LC la figure 1 est un schéma de principe d'une chambre d'ionisation selon l'invention illus- trant notamment la structure des électrodes de la chambre, la figure 2 représente des courbes donnant l'intensité du courant d'ionisation I, exprimé en am- père, en fonction de la tension de polarisation V des électrodes, exprimé en volt; ces différentes courbes sont données pour différentes pressions du gaz ionisa- ble et pour une transparence des électrodes perforées de 39 %, et la figure 3 est une vue en coupe longitu- dinale d'un mode de réalisation de la chambre d'ioni- sation selon l'invention. Sur la figure 1, on a représenté le schéma de principe de la chambre d'ionisation selon l'inven- tion Cette chambre d'ionisation comprend une enceinte cylindrique étanche 2 présentant-un axe de révolution 3 et constituée d'une virole 4 fermée respectivement aux deux extrémités par un flasque -inférieur 6 et un flasque supérieur 8 Ces flasques 6 et 8, prenant ap- pui sur des épaulements 9 de la virole 4 sont soudés sur ladite virole au moyen de soudures telles que 10. L'enceinte étanche 2 est remplie d'un gaz ionisable qui peut être introduit dans l'enceinte au moyen d'un queusot 12, scellé après remplissage de l'enceinte. La chambre d'ionisation comprend aussi des électrodes cylindriques 14 disposées coaxialement dans l'enceinte 2 suivant l'axe 3 de ladite enceinte. Les électrodes 14, qui sont par exemple au nombre de cinq, comme représenté sur la figure, sont constituées d'une électrode externe portant la référence 14 a, de trois électrodes intermédiaires, portant les référen- ces 14 b, 14 c et 14 d et d'une électrode centrale por- tant la référence 14 e. B 7637-3 LC L'utilisation d'un nombre élevé d'électro- des (par exemple 5) permet, notamment, d'augmenter le volume utile à la détection de la chambre d'ionisation par rapport au volume total de ladite chambre et donc d'augmenter le libre parcours moyen des électrons dans la chambre, lors de la traversée de celle-ci par un rayonnement gamma. Les électrodes 14 a, 14 c et 14 e sont reliées électriquement entre elles au moyen d'une pièce con- ductrice 18 connectée, par l'intermédiaire d'une fiche traversant le flasque 8, à la haute tension (HT). Cette fiche 20 est isolée du flasque 8 au moyen d'un isolant 22 peu sensible aux variations de température tel que la stéatite. De même, les électrodes 14 b et 14 d sont re- liées électriquement entre elles au moyen d'une pièce conductrice 24 etconnectées, par l'intermédiaire d'une fiche 26 traversant la pièce 18 puis le flasque 8, à la sortie notée S Cette fiche 26 est isolée de la pièce 18 et du flasque 8 au moyen d'un isolant 28 peu sensible aux variations de température tel que la stéatite Les électrodes 14 b et 14 d sont affectées à la collection des ions formés dans l'enceinte, lors de la traversée de la chambre d'ionisation par un rayon- nement gamma. Selon l'invention, l'électrode externe 14 a est formée d'un tube plein, les électrodes intermé- diaires 14 b, 14 c et 14 d sont formées d'un tube compor- tant des perforations 16 et l'électrode centrale 14 e est formée d'un cylindre plein L'utilisation d'élec- trodes intermédiaires perforées permet d'accroître le libre parcours moyen des électrons formés dans la chambre, lors de la traversée de celle- ci par un rayonnement gamma, et donc d'augmenter le nombre d'in- teractions nucléaires. B 7637-3 LC Selon l'invention, la transparence des: électrodes intermédiaires, c'està-dire la proportion de surface trouée, est comprise entre 30 et 40 % et par exemple voisine de 32 % Cette transparence a été déterminée expérimentalement de façon à optimiser le courant d'ionisation ainsi que la pente de la caracté- ristique courant-tension. Sur la figure 2, on a représenté, pour dif- férentes pressions du gaz ionisable, l'intensité du courant d'ionisation I, exprimée en ampère, en fonc- tion de la tension de polarisation V appliquée aux électrodes, exprimée en volt Pour ces mesures, la chambre d'ionisation était remplie d'un gaz contenant 99 % de xénon et 1 % d'azote, les électrodes étaient au nombre de quatre et la transparence des électrodes in- termédiaires était de 39 %. Sur cette figure, on constate que l'obten- tion d'un plateau, c'est-à-dire d'une pente nulle, sur les courbes courant-tension est obtenue à partir d'une tension de polarisation ( obtenir-une pente nulle. Comme on l'a dit précédemment, le courant d'ionisation dépend de la nature du gaz ionisable ainsi que de sa pression. Des études sur la nature du gaz, dans des conditions normales de pression et de température, ont permis de montrer que parmi les gaz ionisables pouvant être utilisés dans la chambre d'ionisation, tels que l'azote, l'oxygène, l'air, l'argon ou le xénon, le xénon présente le plus faible coefficient d'attache- ment électronique et que la valeur du courant d'ioni- sation obtenue avec ce gaz est la plus élevée Selon l'invention, le gaz ionisable -contient 98 à 99 % en B 7637-3 LC poids de xénon Le gaz peut être par exemple constitué de 98 % en poids de xénon et de 2 % en poids d'azote, lorsque l'on désire détecter des photons gamma présen- tant une énergie voisine de 6 Me V, tels que ceux émis par l'azote 16 induit dans l'eau de la cuve d'un réac- teur à eau sous pression. Par ailleurs, il ressort des courbes de la figure 2 que plus la pression du gaz est élevée plus le courant d'ionisation est élevé On a donc tout in- térit à utiliser une pression élevée De plus, pour tenir compte de la tension de polarisation la plus basse que l'on peut utiliser ( 450 V), la pression du gaz est choisie de préférence entre 8,8 et 9,2 bars aius Lors de la détection de photons gamma pré- sentant une énergie de 6 Me V on utilisera, par exem- ple, un gaz à base de xénon présentant une pression voisine de 9 bars. Afin d'assurer une bonne collection des ions formés dans la chambre d'ionisation, et afin d'optimi- ser la bande passante, les écarts entre les différen- tes électrodes 14 sont choisis de façon à obtenir dans -toute l'enceinte un champ électrique uniforme En ef- fet, on peut montrer par un calcul simple que-le champ électrique régnant dans un volume cylindrique compris entre deux électrodes cylindriques, présentant une différence de potentiel donné, décroît au fur et à mesure que l'on se rapproche de l'électrode externe. En utilisant cinq électrodes espacées correctement, on peut obtenir un champ électrique uniforme présentant une intensité de 2000 V/cm pour une tension de polari- sation (tension HT) de 1100 V Il est à noter que pour une telle valeur de la tension de polarisation, les courbes courant-tension de la figure 2 présentent bien une pente nulle. Comme on l'a dit précédemment, l'essentiel des interactions nucléaires, lors de la détection d'un B 7637-3 LC rayonnement gamma présentant une énergie élevée (supé- rieure à 1 Me V), est produit dans les parois de l'en- ceinte et dans les électrodes Pour optimiser le nom- bre d'interactions, et donc le courant d'ionisation, l'épaisseur de la paroi de l'enceinte ainsi que le matériau constituant cette paroi et les électrodes doivent être choisis en fonction de l'énergie dés rayonnements gamma à mesurer. Lors de la détection de photons gamma ayant une énergie voisine de 6 Me V, on utilise de préférence une enceinte 2 réalisée en acier inoxydable et présen- tant une épaisseur comprise entre 3 et 4 mm et par exemple voisine de 3,5 mm Cette épaisseur, déterminée pour obtenir un grand nombre d'interactions nucléai- res, est bien entendu aussi déterminée pour tenir la pression élevée du gaz remplissant l'enceinte Par ailleurs, les électrodes peuvent être réalisées en acier inoxydable Les électrodes intermédiaires peu- vent être réalisées sous la forme de feuilles d'acier inoxydable perforées, roulées et soudées entre elles. Il est à noter que des électrodes intermédiaires cons- tituées de feuilles d'acier perforées présentent une rigidité mécanique supérieure aux électrodes réali- sées sous forme d'un grillage utilisées dans certaines chambres d'ionisation de l'art antérieur Ceci permet de contribuer à la robustesse de la chambre de l'in- vention et à sa durée de vie. Sur la figure 3, on a représenté un mode de réalisation de la chambre d'ionisation selon l'inven- tion Cette chambre comprend, comme sur le schéma de principe de la figure 1, une enceinte cylindrique 2, contenant un gaz ionisable, formée d'une virole 4 et de deux flasques 6 et 8 soudés sur la virole à ses extrémités, un queusot 12 de remplissage du gaz et cinq électrodes 14 a, 14 b, 14 c, 14 d et 14 e correspon- B 7637-3 LC dant respectivement à l'électrode externe, aux trois électrodes intermédiaires perforées et à l'électrode centrale. Comme représenté sur la figure 3, les extré- mités des électrodes 14 a, 14 c et 14 e se trouvant à proximité du flasque 8, sont supportées par une plaque conductrice cylindrique 18 a, corruspondant à la pièce 18 de la figure 1, connectée à la haute tension ( au moyen d'une fiche 20; les extrémités des électro- des 14 a et 14 c sont emboîtées dans la plaque 18 a au niveau d'épaulement tel que 30 et l'extrémité de l'électrode 14 e est vissée dans la plaque 18 a La pla- que 18 a, percée d'une ouverture 34 pour permettre le passage du gaz à l'intérieur de l'enceinte (flèche F), est fixée au moyen de vis telles que 36 sur une plaque de maintien 38 L'isolement des vis 36, au moyen d'un manchon isolant 40, peu sensible aux varia- tions de température, permet d'éviter tout contact électrique entre les plaques 18 a et 38 La plaque de maintien 38 est fixée sur le flasque 8 au moyen d'un système à clavette 42 permettant d'éviter la rotation de l'ensemble et assurant le bon positionnement des connexions à la haute tension et à la sortie S. De même, les extrémités des électrodes 14 b et 14 d se trouvant à proximité du flasque 8 sont soli- daires de bagues métalliques telles que 44, montées sur des bagues isolantes 46, elles-mêmes emboîtées dans la plaque 18 a Ces bagues isolantes 46 permettent d'éviter tout contact électrique entre les électrodes 14 b, 14 d et les électrodes 14 a, 14 c, 14 e Les bagues métalliques 44 sont reliées, par l'intermédiaire de fiches 48, traversant les bagues isolantes 46, à une pièce métallique 24 a, correspondant à la pièce 24 de la figure 1 Cette pièce 24 a, qui est montée dans un bloc isolant 49 emboîté dans la plaque de maintien 38 B 7637-3 LC et la plaque 18 a, est connectée au moyen d'une fiche 26 à la sortie notée S Ce bloc 49 permet d'éviter tout contact électrique entre la bague 24 a et les pla- ques 18 a et 38 et donc entre les électrodes 14 b, 14 d et les électrodes 14 a, 14 c, 14 e. Les extrémités des électrodes 14 a et 14 c se trouvant à proximité du flasque 6, sont fixées, par tout moyen connu, sur un flasque 50, par l'intermé- diaire d'une plaque 54, sur une pièce cylindrique 56 placée au contact du flasque 6 La plaque 54 est rendue solidaire de la pièce 56 au moyen de vis 58, isolées de ladite pièce 56 au moyen de blocs isolants Des ressorts tels que 62, prenant appui sur le flasque 6, par l'intermédiaire de rondelles 64, solli- citent en compression, suivant l'axe 3 de l'enceinte 2, la pièce 56 et par conséquent le flasque 50 De même, des ressorts tels que 66, s'appuyant sur la sur- face interne de la virole 4 de l'enceinte, par l'in- termédiaire d'une bille 68, sollicitent en compression de façon radiale la pièce 56 et par conséquent, le flasque 50. Les extrémités des électrodes perforées 14 b et 14 d se trouvant à proximité du flasque 6 sont em- boitées dans des bagues isolantes 70 emmanchées dans le flasque 50 De même, l'extrémité de l'électrode perforée 14 c se trouvant du côté du flasque -6 est em- boîtée dans une bague métallique 72 montée sur le flasque 50 Les bagues isolantes 70 et la bague métal- lique 72 sont sollicitées axialement en compression * par des ressorts 74 prenant appui sur la plaque 54. L'utilisation des ressorts 62 et 74 d'une part, et des ressorts 66 d'autre part, permettant de maintenir en position respectivement axiale et radia- le, les extrémités des électrodes situées du côté du flasque 6, assure à la chambre d'ionisation une bonne B 7637-3 LC tenue en température (compensation des dilatations) et une bonne tenue aux vibrations (vibrations du milieu dans lequel est placée la chambre d'ionisation). Par ailleurs, la bonne tenue en température de la chambre est assurée en utilisant comme matériau isolant un matériau peu sensible aux variations de température tel que la stéatite. On va maintenant donner un exemple de réali- sation et de caractéristiques de la chambre d'ionisa- tion selon l'invention. La chambre d'ionisation est constituée d'une enceinte et de cinq électrodes réalisées en acier inoxydable isolées par de la statite. L'enceinte présente un diamètre interne de 63 mm, une épaisseur de 3,5 mm et une longueur de 300 mm. L'électrode externe 14 a est formée d'un tube plein de 57 mm de diamètre interne et d'épaisseur de 1 mm Les trois électrodes intermédiaires 14 b, 14 c, 14 d formées de feuilles d'acier perforées, roulées et soudées entre-elles, présentent une épaisseur de 0,4 mm et un diamètre interne respectivement de 46 mm, 34 mm et 22 mm Elles présentent une transparence de 32 %. L'électrode centrale 14 e est formée d'un cy- lindre plein de 8 mm de diamètre. Le volume utile à la détection de la chambre est de 474 cm 3 pour un volume total de 592 cm 3. Le gaz de remplissage contient 98 % en poids de xénon et 2 % en poids d'azote La pression absolue du gaz est de 9 bars. La tension moyenne d'utilisation est de 1100 V et la tension maximale d'utilisation de 2000 V. Le champ électrique entre les électrodes en partant de l'électrode interne pour une tension de po- B 7637-3 LC larisation de 1000 V est de 2471 V/cm, 2088 V/cm, 1945 V/cm et 2210 V/cm Il est donc approximativement uniforme. La sensibilité théorique, caractérisée par l'intensité du courant délivré pour un flux de photon gamma, est-de 3,2 10 9 A/rad/h pour un flux de photons gamma de 6 Me V, correspondant à un débit de dose de rad/h. La bande passante est de 0 à 140 Hz. Les caractéristiques de la chambre d'ioni- sation, données ci-dessus, sont bien adaptées à la dé- tection de photons gamma présentant une énergie de 6 Me V émis par l'azote 16, obtenu par activation neu- tronique de l'oxygène 16 contenu dans l'eau du circuit primaire d'un réacteur à eau sous pression. B 7637-3 LC REVENDICATIONS 1 Chambre d'ionisation permettant de mesu- rer des rayonnements gamma de haute énergie, caracté- risée en ce qu'elle comprend une enceinte cylindrique étanche ( 2), contenant un gaz ionisable, et plusieurs électrodes ( 14 a, 14 b, 14 c, 14 d, 14 e) cylindriques co- axiales isolées les unes des autres, situées à l'inté- rieur de l'enceinte ( 2) et portées à des potentiels différents de façon à créer un champ électrique dans l'enceinte, l'électrode la plus interne ( 14 e) étant formée d'un cylindre plein, l'électrode la plus exter- ne ( 14 a) formée d'un tube plein et les électrodes in- termédiaires ( 14 b, 14 c, 14 d) formées d'un tube perfo- ré. 2 Chambre d'ionisation selon la revendica- tion 1, caractérisée en ce que les électrodes perfo- rées ( 14 b, 14 c, 14 d) présentent une transparence com- prise entre 30 et 40 %. 3 Chambre d'ionisation selon l'une quel- conque des revendications 1 et 2, caractérisée en ce que les différentes électrodes ( 14 a, 14 b, 14 c, 14 d, 14 e) présentent entre elles des écarts tels que le champ électrique régnant dans l'enceinte ( 2) soit sen- siblement uniforme dans toute l'enceinte. 4 Chambre d'ionisation selon l'une quel- conque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que les électrodes ( 14) sont au nombre de cinq. Chambre d'ionisation selon l'une quel- conque des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que le gaz ionisable est un gaz contenant 98 à 99 % en poids de xénon. 6 Chambre d'ionisation selon l'une quel- conque des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que la pression du gaz est comprise entre 8,8 et 9,2 bars absolus. B 7637-3 LC 7 Chambre d'ionisation selon l'une quel- conque des revendications 1 à 6, caractérisée en ce que l'une des extrémités des électrodes ( 14 a, 14 b, 14 c, 14 d, 14 e) est fixe et en ce que l'autre extrémité est maintenue en position par des premiers moyens élastiques ( 62) permettant un déplacement axial et par des seconds moyens élastiques ( 66) permettant un dé- placement radial. 8 Chambre d'ionisation selon la revendica- tion 7, caractérisée en ce qu'elle comprend des troi- sièmes moyens élastiques ( 74) agissant axialement et uniquement sur ladite autre extrémité des électrodes intermédiaires ( 14 b, 14 c, 14 d). -9 Chambre d'ionisation selon l'une quel- conque des revendications 1 à 8, caractérisée en ce que les électrodes intermédiaires ( 14 b, 14 c, 14 d) sont constituées chacune par des feuilles métalliques per- forées, roulées et soudées entre elles. Chambre d'ionisation selon l'une quel- conque des revendications 1 à 9, permettant de mesurer des rayonnements gamma présentant une énergie d'envi- ron 6 Me V, caractérisée en ce que l'enceinte ( 2) et les électrodes sont réalisées en acier inoxydable. 11 Chambre d'ionisation -selon l'une quel- conque des revendications 1 à 10, permettant de mesu- -rer des rayonnements gamma présentant une énergie d'environ 6 Me V, caractérisée en ce que l'enceinte présente une épaisseur variant de 3 à 4 mm. B 7637-3 LC