Brevet FR2541821A1 — publié le 19840831

Détecteur de radiation à chambre d'ionisation Y. La présente invention concerne un détecteur de radiation a chambre d'ionisation dans lequel le champ de radiation de l'environnement engen- dre un courant électrique De telles chambres d'ionisa- tlon reposent sur l'interaction entre la radiation incidente et le gaz de remplissage contenu dans la cham- bre pour donner un courant électrique dans le gaz entre les électrodes polarisées en tension O Le courant élec- trique produit est une fonction de la radiation arri- vant dans la chambre Les chambres d'ionisation sont très répandues comme dispositifs de contrôle de rayon- nement par exemple dans l'environnement d'un réacteur nucléaire. Il est souhaitable que des détecteurs de ce type présentent une réponse en ampères par roentgen par heure qui est indépendante de l'énergie du rayonnement gamma arrivant dans la chambre Si cela est vrai, la chambre indique correctement le risque pour la santé, en fonction du champ de rayonnement gamma quel que soit le spectre d'énergie du champ Cela est réalisé le plus facilement à l'aide de chambres de contrôle de radiation équivalant à de l'air ou un pro- duit équivalent, et qui sont réalisées en des matières organiques à faible poids atomique, pour simuler soit ? 541821 -2 de l'air, soit un tissu. Les chambres d'ionisation conçues pour des environnements de réacteurs nucléaires après acci- dent, doivent pouvoir résister à un rayonnement intense, à une pression élevée, à une température élevée et arme à des produits chimiques corrosifs Ces conditions ne permettent pas d'utiliser des matières organiques pour la réalisation d'un détecteur et imposent des éléments métalliques très réfractaires Toutefois des chambres d'ionisation à paroismétalliquesne présentent pas la même réponse indépendante de l'énergie que celle obte- nue avec des détecteurs équivalant à de l'air ou à du tissu On a constaté qu'il était possible selon l'art antérieur de concevoir des chambres d'ionisation à parois métalliqu Essatisfaisant à la condition d'indé- pendance énergétique lorsque le gaz de remplissage était maintenu à une pression sensiblement egale è la pression atmosphérique De telles conceptions de cham- bres d'ionisation à basse pression de remplissage pré- sentent toutefois l'inconvénient d'avoir une sensibi- lité réduite Le gaz de remplissage le plus communé- ment utilisé dans de telles chambres d'ionisation est l'azote Les chambres d'ionisation à paroi métalliques les plus sensibles, avec un remplissage à haute pres- sions selon l'art antérieur utilisent de façon caracté- ristique de l'azote gazeux à une pression de remplissage allant jusqu'à environ 10 atmosphères De telles chau- bres d'ionisation à parois métalliques, à pression élevée et à sensibilité élevée ne possèdent pas de caractéristique de réponse énergétique, plate comme cela est demandé Les réglementations récentes pour de telles chambres d'ionisation de contrôle d'accident exigent une réponse énergétique qui est plate à + 20 X par rapport à la valeur moyenne Une telle chambre d'ionisation à remplissage d'azote gazeux à haute pres- 254182 1 sion ne satisfait pas à ce critère, car la réponse dimi- nue de façon significative pour les faibles énergies de rayonnement gamma. On a constaté récemment que pour de nom- breuses conceptions de chambres ioniques ayant un remplis- sage de gaz à faible nombre atomique tel que de l'azote, on a une diminution de la caractéristique de réponse aux faibles énergies du champ de rayonnement gamma Celé est particulièrement vrai pour des structures d'électrotes épaisses à parois métalliques Il est également conru dans le cas de telles chambres ioniques à gaz de reuplis- sage à faible numéro atomique, par exemple du xenon que le signal de réponse augmente notablement au rayonnement gamma correspondant à des énergies faibles. En conséquence, la présente invention a pour but de créer un détecteur de radiation à chambre d'ionisation présentant une réponse plate pour une glage étendue de niveaux d'énergie de rayonnement gamma irci- dent et ayant une chambre scellée hermétiquement corte- nant au moins une paire d'électrodes espacées avec des conducteurs électriques scellés hermétiquement, trave-r- sant la paroi de la chambre pour permettre le branchement électrique à une source de tension de travail, préd ter- minée et sur des moyens de mesure de l'intensité que est une fonction du champ de rayonnement gamma incident. cette chambre scellée hermétiquement étant remplie (d'un gaz choisi pour coopérer avec le rayonnement gamma à une pression élevée, choisie pour présenter une grande sensi- bilité, le gaz de remplissage étant le mélange d'un pre- mier composant principal à faible numéro atomique donnant une réponse réduite au rayonnement gamma pour les faibles niveaux énergétiques du rayonnement gamma et un secrnd composant faible, à numéro atomique élevé présentant une plus grande réponse au rayonnement gamma pour les fzi- bles niveaux énergétiques du rayonnement gamma. Le gaz à faible numéro atomique est de l'azote, du néon, de l'argon, de l'hélium ou des mélan- ges de tels gaz Le gaz à numéro atomique élevé est du xenon et/ou du crypton Le gaz à faible numéro atomique est de préférence de l'azote et le gaz à numéro atomeque éle% de 97,75/2,25 La sensibilité de la réponse au rayonme- ment gamma dans une plage de + 20 % s'obtient pour une plage d'énergie gamma incidente comprise entre environ 0,1 Me V et 3 Me V Le pourcentage volumique du composant le plus faible arrive avantageusement jusqu'à 15 % em volume du total du volume de gaz de remplissage pour assurer la réponse plate souhaitée. La présente invention sera décrite de façon plus détaillée à l'aide de différents modes de réalisation représentés schématiquement à titre d'exem- ple dans les dessins annexés, dans lesquels: la figure 1 est une vue en coupe em élévation d'une chambre d'ionisation. la figure 2 est une vue en coupe selon la ligne II-II de la figure 1. Selon les figures 1 et 2, la chambre d'ionisation 10 comporte une électrode extérieure 12, de forme généralement cylindrique, scellée hermétique- ment Concentriquement à cette électrode, il est préau une première électrode tubulaire 14, espacée à l'inté- rieur du volume délimité par l'électrode extérieure 12. Une seconde électrode tubulaire intérieure 16 est placée concentriquement à l'intérieur de la première électrode 14 en étant espacée de celle-ci Des joints d'extrémité et 22, hermétiques, isolants, sont prévus aux ext Té- mités opposées des structures d'électrode de forme 254:1821, généralement tubulaire Le-volume respectif entre les éléments formant électrodes 12 et 14 et les électrodes 14 et 16 après réalisation du vide sont remplis d'un mélange d'azote et de xenon à une pression d'environ 10 atmosphères Le rapport volumique azote/xenon est de préférence de l'ordre d'environ 97,75 % d'azote et 2,25 % de xenon. Une première chambre 18 remplie de gaz est délimitée entre les électrodes 12 et 14; une seconde chambre remplie de gaz 24 est délimitée entre les électrodes 14 et 16. La première électrode tubulaire 14 est polarisée à une tension élevée; cette tension est de façon caractéristique de l'ordre de 1000 volts par rap- port à l'électrode extérieure 12; la seconde électrode intérieure 16 est de façon caractéristique à la masse. On obtient ainsi deux zones de collecte de courant, dis- tinctes, avec un courant total ou courant de réponse qui est additionné pour ces deux chambres 18 et 24. Le tableau I donné ci-après indique les caractéristiques de réponse calculées pour la chambre d'ionisation décrite pour une plage de spectre d'éner- gie gamma comprise entre 0,088 Me V et 3 Me V avec un pourcentage de remplissage de xenon de l'ordre de 1,5 à 6 % volumiques avec l'azote comme gaz de remplissage restant et une pression totale de 98 x 104 Pascals le mélange ainsi calculé présente la réponse de sensibilité la plus plate, qui se situe bien dans la plage de + 20 % exigée par les réglementations récentes; ce résultat s'obtient le mieux pour un niveau de xenon correspondant à 2,25 % en volume La première colonne du tableau I donne la réponse calculée pour une coneep- tion de la même chambre avec de l'azote comme gaz de remplissage sous 98 x o O Pascals la sensibilité variant très largement dans la plage des énergies de rayonne- ment ganna incident. TABLEAU 1 Rayon Gamma Ern er g ie (Me V) 0,0 o 88 ,15 ,25 i 0,35 i 0,5 :1,2 3,0 Sensibilîté ( 10 0 A/R/h) atm N 1,5 % Xe 2,25 % Xe 3,0 % Xe I 6,0 % Xe 0,65 + 0,03 1,38 + 0,08 1,65 + 0,09 1,74 + 0,10 2,75 + 0,13 0,93 + 0,03 1,62 + 0,09 1,87 + 0,10 1,92 + 0,10 3,29 + 0,14 1,2,0 + 0,04 1,60 + 0,11 1,73 4 0,13 1,91 + 0,12 2,66 + 0,15 1,40 + 0,05 1,69 + 0,13 1,77 + 0,13 1,76 + 0,13 2,15 + 0,16 1,33 + 0,05 1,57 + 0,11 1,70 + 0,11 1,76 + 0,11 1,56 + 0,13 1,51 + 0,05 1,63 + 0,12 1,78 0,13 1,84 4 0,13 1,86 + 0,13 1,66 + 0,06 1,82 + 0,10 1,85 0,10 2,07 + 0,12 2,20 + 0,12 1,66 + 0,07 1,93 + 0,14 1,97 + 0,14 2,08 + 0,14 2,38 + 0,16 à 4 c'. -r- ru 7. L'électrode tubulaire extérieure 12 peut servir d'enveloppe de la chambre d'ionisation; il peut s'agir d'un élément en acier inoxydable à parois relativement épaisses, résistant aux températu- res élevées et aux pressions élevées Les électrodes tubulaires intérieure et extérieure 14 et 16 qui sont protégées de l'environnement par l'électrode ou l'en- veloppe extérieure sont de façon caractéristique des éléments en aluminium de parois plus minces. Les électrodes respectives 12, 14 et 16 sont destinées à être branchées de façon externe sur un moyen de mesure de courant de forte sensibilité, ayant une sensibilité de l'ordre de 10 10 ampères/ roentgen/heure. La sensibilité calculée pour les cham- bres d'ionisation selon l'invention avec un pourcentage volumique de xenon variant entre 1,5 % et 6 % de xenon apparaît au tableau 1 dans une plage d'énergie gamma incidente comprise entre 0,088 et 3 Me V. Les détails de la structure de la cham- bre d'ionisation peuvent être modifiés Ainsi, une chambre de détection unique se suffit d'une paire d*'électrodes espacées On peut également changer le matériau constituant les électrodes, L'enseignement ci-dessus est que l'on obtient une réponse plate à l'énergie gamma incidente dans une plage étendue d'éner- gie gamma à l'aide d'un mélange gazeux de remplissage formé d'un premier composant, principal, à faible numéro atomique tel que de l'azote, présentant une réponse réduite au rayonnement gamma de faible énergie. D'autres gaz à faiblenuméro atomique peuvent remplacer l'azote soit en totalité, soit en partie; il s'agit du néon, de l'argon et de l'hélium Le second constituant qui est le constituant auxiliaire est un gaz à numéro atomique élevé; il peut s'agir de xenon et/ou de- crypton; ces deux gaz présentent une plus forte réponse aux faibles énergies de rayonnement gamma Le gaz à numéro atomique élevé peut être présent dans des quantités allant jusqu'à 15 % en volume du total Pour des mélanges à plus fort pourcentage volumique de gaz à numéro atomique élevé, la réponse au rayonnement gamma du gaz à numéro atomique plus élevé aura une influence plus grande et ne permettra pas d'obtenir la réponse plate souhaitée Le rapport du gaz à numéro atomique élevé et du gaz à numéro atomique faible, donnant la réponse la plus plate, dépend de la structure et de la pression de gaz de remplissage de la chambre d'ionisation. 254 1 82 1 R E V E N D I C A T I 0 N 5 1 ) Détecteur de radiation à chambre d'ionisation présentant une réponse plate pour une plage étendue de niveaux d'énergie de rayon gamma incident, détecteur comportant une chambre scellée hermétiquement dans laquelle se trouvent une paire d'électrodes espacées ( 12, 14, 16) ayant des conducteurs électriques scellés hermétiquement traversant la paroi de la chambre pour permettre la connexion électrique à une source de ten- sion de travail prédéterminée et à des moyens de mesure de courant qui'êst une fonction du champ de rayonnement incident, la chambre scellée hermétiquement étant remplie d'un gaz de remplissage ( 18, 24) coopérant avec le rayon- nement gamma choisi à une pression élevée choisie pour présenter une sensibilité élevée, détecteur caractérisé en ce que le gaz de remplissage est un mélange d'un pre- mier constituant principal de gaz à faible numéro atomi- que présentant une réponse réduite au rayonnement gamma pour les faibles niveaux énergétiques du rayonnement gamma, et un second composant, auxiliaire, formé par un gaz à numéro atomique élevé présentant une meilleure réponse au faibles niveaux d'énergie du rayonnement gamma. ) Détecteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le gaz à faible numéro atomique est de l'azote, du néon, de l'argon, de l'hélium ou des mélanges et le gaz à numéro atomique élevé est du xenon et/ou du crypton. 3 ) Détecteur selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que le pourcentage volumique de gaz à numéro atomique élevé atteint jusqu'à 15 % en volume de l'ensemble du gaz de remplissage. 4 ) Détecteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le gaz à faible numéro atomique est de l'azote et le gaz à numéro atomique élevé et du xenon. ) Détecteur selon la revendication 4, caractérisé en ce que le rapport volumique azote/xenon est environ égal à 97,75/2,25. ) Détecteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le mélange de gaz de remplissage de la chambre d'ionisation est à une pression d'environ 98:x 10 I Pascals. 70) Détecteur selon l'une quelconque des revendications i à 6, caractérisé en ce que la chambre d'ionisation est formée par un ensemble d'électrodes concentriques délimitant un ensemble de volumes sensibles au rayonnement gamma. 8 ) Détecteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que la sen- sibilité de la réponse au rayonnement gamma est située dans une plage de + 20 % pour de l'énergie de rayonne- ment gamma incident comprise entre 0,1 Me V et 3 Me V.