Brevet FR2547421A1 — publié le 19841214

La présente invention a trait au domaine de la détection des aérosols de particules alpha contenues dans l'atmosphère et notamment à la surveillance des laboratoires o travaille du personnel maniant du 5 plutonium ou des corps transuraniens émetteurs de rayonnement alpha. D'une façon générale, il est bien connu que la mesure de la contamination atmosphérique par des aérosols de particules alpha, se heurte toujours au problème du bruit de fond ambiant dû à la présence de radon et de ses descendants qui sont normalement présents dans l'atmosphère et également émetteurs alpha Si,par conséquent, on recueille pour les analyser de façon globale toutes les particules émettrices alpha, on 15 obtient un résultat faussé et qui ne donne pas une image correcte des dangers réellement encourus par une personne qui respire l'atmosphère analysée En effet, alors que les particules alpha dues au radon et a ses descendants dans l'ambiance naturelle sont normalement 20 inhalées par l'être humain sans conséquences physiologiques sérieuses, le plutonium 239 et les transuraniens, sont des corps très toxiques et à durée de décroissance très longue, c'est-à-dire, par définition très dangereux lorsqu'ils viennent à être inhales et à se fixer sur 25 des organes du corps humain. C'est la raison pour laquelle on a cherché jusque maintenant à séparer dans les signaux de contamination alpha, ceux qui sont dus au bruit de fond des descendants du radon, de ceux qui sont dus à une pollu30 tion chimique accidentelle Deux méthodes ont été utilisées jusqu'à ce jour à cet effet, mais elles présentent des inconvénients qui les rendent difficilement applicables. La première de ces méthodes consiste à recourir à la spectromêtrie alpha, c'est-à-dire à trier les particules alpha en fonction de leur longueur d'onde Ce traitement nécessite un matériel relativement lourd et cher et de toute façon le traitement physique et électronique nécessaire dure un temps qui peut, dans certains cas d'urgence, représenter un retard inacceptable. La seconde méthode consiste à effectuer cette séparation en étudiant les temps de décroissance radioactifs des différentes particules alpha, ce qui permet une bonne séparation de ceux émis par les descendants du radon mais le dépouillement des résultats est encore 10 plus long et demande un délai de l'ordre d'une journée, ce qui est nettement prohibitif si l'on veut assurer dans un laboratoire une surveillance rapide et de -tous les instants de la qualité de l'air inhalé par le personnel. Enfin, les deux méthodes précédentes mettent en oeuvre des appareillages électroniques relativement complexes et coûteux, ce qui exclut totalement la possibilité de réaliser un appareil de détection qui soit autonome et portatif par chacun des individus 20 travaillant dans le laboratoire. La présente invention a précisément pour objet un procède de détection de la contamination atmosphérique par des aérosols alpha qui permet de pallier les inconvénients précédents et de réaliser des appareils 25 de détection portatifs autonomes en effectuant la séparation du bruit de fond dû aux descendants du radon par des moyens uniquement mécaniques et statiques. A cet effet, l'invention a pour objet un procédé de détection du genre de ceux qui consistent à 30 recueillir par circulation de l'air atmosphérique les particules alpha à détecter sur un filtre placé devant un système de détection et de comptage, caractérisé en ce que l'on effectue la discrimination entre les particules alpha présentes dans l'atmosphère en provenant d'une source polluante que l'on veut détecter et compter et les particules alpha constituant le bruit de fond et normalement présentes dans l'atmosphère à partir de leurs différentes granulométries. L'efficacité du procédé objet de l'invention résulte des considérations suivantes concernant la granulométrie des particules émettrices alpha Dans l'atmosphère généralement filtrée d'un laboratoire o l'on traite des corps transuraniens, l'expérience montre que les particules émettrices alpha de tels transuraniens ont une granulométrie comprise entre 1 et 10 microns et que de toute façon les particules plus grosses sont inintéressantes car elles sont relativement difficilement inhalables et ne prénétrent pas dans l'organisme Au contraire, les particules alpha dues au bruit de fond atmosphérique et aux descendants du radon comportent elles mêmes deux fractions dont les granulométries sont très inférieures aux limites précédentes et qui se répartissent comme suit les descendants du radon qui sont libres, c 'est-à-dire non fixes sur des particules fines naturelles ont une granulométrie ultra fine comprise généralement entre 6 10 4 et 2 10 -3 micromètre; l'autre partie de ces mêmes descendants du radon est fixée sur des particules fines naturelles dont la granulométrie moyenne est alors comprise généralement entre 0,1 et 0,2 micromètre. Les résultats de l'analyse précédente montrent par conséquent qu'il est possible d'effectuer la discrimination entre les deux types d'émetteur alpha présents 30 dans l'atmosphère uniquement à partir de leurs différences de granulométrie Ceci a pour avantage considérable que cette discrimination peut alors être faite par des moyens purement mécaniques et statiques, donc simples, fiables et peu coûteux, que l'on peut aménager sans 35 difficulté sur un appareil autonome et portable de petites dimensions. De façon plus précise, le procédé de détection de la contamination atmosphérique, objet de l'invention, se caractérise en ce que la discrimination est réalisée en deux temps, à savoir: une première élimination de la fraction libre des particules alpha descendant du radon par passage de l'air atmosphérique à surveiller dans un espace limité par deux parois parallèles avant son arrivée sur le filtre; une deuxième élimination de la fraction des particules alpha descendant du radon fixée sur les particules fines naturelles, par passage de l'air atmosphérique au travers d'un filtre à pores capillaires qui laisse passer les particules de granulométrie inférieure i 5 15 au micron et jusqu'à environ 5 10-2 micromètre. Conformément à l'invention, on piège par consequent entre deux parois parallèles, la fraction libre des descendants du radon conformément à l'effet physique connu de piégeage par diffusion moléculaire. 20 Les caractéristiques (épaisseur, nature des parois, débit d'air) de la structure de piégeage sont suffisamment connues de l'homme de l'art pour que les différents paramètres puissent être choisis en vue de pièger les descendants libres du radon dont on connaît la granulo25 métrie ultrafine. Quant aux particules fines naturelles, supportant des descendants du radon émetteurs alpha, on les élimine en choisissant la dimension des pores du filtre microporeux sur lequel sont recueuillis par 30 conséquent les particules à détecter et à mesurer, dont la granulométrie est comprise entre 1 et 10 micromaètres. Bien entendu, et conformément à l'invention, le débit d'aspiration et les paramètres du circuit d'aspiration (forme, dimension) sont choisis de telle sorte que les particules à mesurer ne puissent pas être retenues avant le filtre Autrement dit, l'homme de l'art connaissant les propriétés de diffusion moléculaire, choisit les paramètres du circuit d'aspiration pour éviter toute sédimentation des particules utiles sous l'action de la pesanteur, pour éviter également l'impaction inertielle sous l'action de la force centrifuge ou les dépôts qui pourraient se produire à la suite de turbulences intervenant dans l'écoulement. L'analyse granulométrique des aérosols alpha 10 en présence (ceux que l'on désire mesurer parce qu'ils sont dangereux et les parasites descendants du radon non dangereux) ayant conduit au choix d'une méthode de discrimination physique entre ces deux categories utilisant le critère de granulométrie, il n'était pas évident que 15 des processus purement physiques permettent une telle séparation sans que l'on perde des particules utiles à mesurer avant leur arrivée sur le filtre Le demandeur a trouvé apres une étude approfondie que la combinaison des deux processus d'élimination des aérosols parasites 20 précédemment décrits était compatible et a pudémontrer, au niveau de l'espace de diffusion, qu'il était possible de satisfaire les impératifs d'écoulement sans perte de particules à mesurer, tout en réalisant une capture des particules parasites ultra fines à l'entrée du système. 25 Par ailleurs, on peut remarquer que la combinaison des deux moyens utilisés pour l'élimination est absolument indispensable car le filtre microporeux à lui seul est incapable d'éliminer la fraction libre des descendants du radon en ne retenant que les particules utiles à mesurer En effet, les pores d'un tel filtre capteraient, par diffusion, les particules ultrafines avec un rendement de collection de l'ordre de 80 % pour une granulométrie de 102 micromètre et de l'ordre de 100 % dès que l'on atteindrait 10-3 micromètre Ceci confirme bien le caractère non évident du résultat obtenu et la nécessité, pour obtenir cette élimination physique de recourir, à l'aide de deux moyens associés en combinaison. La présente invention a également pour objet un détecteur portatif de la contamination atmosphérique 5 par des aérosols de particules alpha, qui met en oeuvre le procédé précedent de façon particulièrement simple. Ce détecteur portatif, du genre de ceux qui comprennent dans un boîtier autonome une tête d'aspiration de l'air atmosphérique à surveiller, des moyens 10 pour mettre en circulation cet air au travers d'un filtre microporeux, un ensemble électronique de détection et de comptage des particules retenues sur le filtre et une source d'énergie électrique, se caractérise en ce que la tête d'aspiration est de forme géné15 rale sphérique, l'aspiration de l'air atmosphérique et son acheminement vers le filtre se faisant dans un espace compris entre deux surfaces sphériques concentriques, la surface sphérique externe étant ouverte selon un orifice d'aspiration dans lequel vient se loger une partie déflectrice de la sphère interne sousjacente dont le profil effilé est choisi pour minimiser la perte de particules à détecter par impaction inertielle sur les parois, le filtre à pores capillaires traversé ensuite par le flux d'air à surveiller ayant une porosité choisie pour ne retenir que les particules de granulométrie supérieure au micromètre. De préférence, le détecteur est associé à une alarme, sonore ou autre, avertissant le porteur d'un taux anormal de contamination radioactive avoisinante. 30 Des calculs d'optimisation effectués sur le détecteur objet de l'invention ont montré qu'une optimisation de l'appareil sous sa forme portable correspondait à une réalisation dans laquelle le diamètre moyen de la lame d'air comprise entre les deux sphères est de 50 mm, 35 l'épaisseur de la lame d'air de 1,5 mm, le rayon de courbure du sommet de la partie déflectrice de la sphère interne de 5 mm, le débit d'aspiration de l'air de 3 litres par minute et la distance entre le filtre et la surface sensible du détecteur de l'ordre de 3 mm. De toute façon, l'invention sera mieux comprise en se référant à la description qui suit d'un exemple de mise en oeuvre du détecteur portatif de la contamination atmosphérique par des aérosols de particules alpha, description qui sera faite surtout à titre illustratif et non limitatif en se référant aux figures 1 et 2, sur lesquelles: la fig 1, montre en coupe le schéma général de l'appareil; la fig 2 représente la courbe de discri15 mination des particules en fonction de leur granulométrie. L'appareil décrit sur la fig 1 comporte de façon connue une tête d'aspiration 1 montée sur un bo Itier 2, ledit bottier comportant une batterie électrique 3 et une minipompe 4, destinée à mettre en circulation l'air atmosphérique prélevé dans le local à surveiller La minipompe 4, d'un type quelconque connu, n'a pas été représentée sur le dessin, mais simplement localisée. Conformément à l'invention, l'aspiration de l'air atmosphérique à surveiller est réalisée à l'aide d'un ensemble de deux spheres concentriques 5 et 6 définissant entre elles un espace 7 de circulation de l air La sphère externe 5 se termine sur la face avant 30 de l'appareil par un orifice d'aspiration 9 ouvert sur l'extérieur et dans lequel vient se loger une partie déflectrice 8 par laquelle se termine la partie de la sphère interne 6 située devant l'orifice d'aspiration 9. L'air prélevé par l'orifice d'aspiration 9 se déplace 35 sous l'effet de la dépression créée par la minipompe 4 dans l'espace 7 intermédiaire entre les sphères 5 et 6 et pénètre ainsi jusqu'à la chambre inférieure 10 8 2547421 située à l'arrière de la tête d'aspiration 1. De part et d'autre de cette chambre inférieure , se trouvent situés respectivement un filtre microporeux 11 et un détecteur de rayonnement 12 constitué, dans l'exemple décrit, par une diode à barrière de surface Derrière le détecteur 12 se trouve situé le circuit électronique 13, d'un type en soi connu, qui transforme les impulsions détectées en impulsions électriques à une fréquence caractéristique de l'inten10 sité du rayonnement alpha détecté, cette fréquence étant retransmise, par un élément sonore 14, sous forme d'un signal de fréquence variable, au porteur de l'appareil. Apres passage au travers du filtre microporeux 11, l'air atmosphérique capté s'écoule par la canalisation 15 au 15 travers d'un filtre absolu 16 qui retient toutes les poussières ou impuretés pour être finalement rejeté à l'extérieur en 17 selon le trajet marqué par les flèches sur le dessin. L'originalité de l'invention réside uniquement, 20 comme on l'a déjà compris de par la description qui précède, de la conception de la tête d'aspiration 1, laquelle réalise les deux éliminations successives des sources de rayonnement alpha provenant des descendants du radon. A cet effet, dans un mode de mise en oeuvre particulièrement intéressant du détecteur portatif objet de l'invention, ce dernier a été optimisé afin d'entraîner un minimum d'inconvénients pour son porteur; c'est ainsi notamment que l'on a soigneusement calculé 30 l'encombrement et le poids de l'appareil et de la batterie 3 ( 450 g environ) Pour minimiser la consommation électrique et le bruit de la pompe 4, on a limité volontairement le débit d'aspiration à la valeur moyenne de 3 litres par minute qui correspond à une norme généralement acceptée dans les laboratoires pour de tels détecteurs portatifs. L'ensemble sphérique constituant la tête d'aspiration 1 a un diamètre extérieur de 55 mm; elle est montée sur un boltier 2 de forme parallélépipédique en matière plastique et c'est ce dernier qui renferme le filtre absolu 16 pour protéger la minipompe 4 qui se trouve en aval La diode à barrière de surface a un diamètre sensible voisin de 24 mmo. L'épaisseur de la lame d'air 7 comprise entre les sphères 5 et 6 a été choisie égale à 1,5 mm; 10 les rayons de courbure de la pointe de la partie déflectrice 8 et de la chambre inférieure 10 ont été choisis égaux respectivement à 5 mm et 13 mm; le diamètre moyen de la lame d'air 7 a été choisi égal à mm et la distance entre le filtre 11 de diamètre 15 utile 21 mm et la surface sensible du détecteur 12 est égale à 3 mm. Toutes ces caractéristiques ainsi optimisées permettent d'obtenir, par des moyens purement mécaniques et statiques, un certain nombre de résultats remarquables 20 et notamment la réduction maximale de la perte des particules de grosse granulométrie sur les parois, une inertie relativement faible de ces mêmes grosses particules à l'entrée de l'appareil pour éviter leur impaction sur la partie déflectrice 8; également, afin de rendre minimale 25 la précipitation électrostatique des particules chargées sur les parois de l'espace 7, celles-ci sont métalliques ou métallisées. Les particules ultra fines des descendants solides du radon non fixées sur les particules fines naturelles sont en général électriquement positives ou neutres Compte tenu de leur petite taille, ces particules ont une mobilité très grande et diffusent rapidement, ce qui permet de les pièger complètement dans les parois de l'espace 7 d'écoulement d'air de la tête de 35 prélèvement 1. Enfin, un moyen simple de séparer le spectre granulométrique et de rejeter les particules fines naturelles de moyennes dimensions ( 0,1 à 0, 2 t) sur lesquelles se sont fixées une partie des descendants solides du radon, consiste, pour ne conserver sur le filtre que la fraction des particules de granulométrie supérieure à 1 micron, à utiliser un filtre à pores capillaires de prélèvement 11 o Il s'agit pour le filtre microporeux 11 d'une membrane en polycarbonate d'épais10 seur 10 microns L'étude de l'efficacité de collection du filtre 11 en fonction du diamètre aérodynamique des particules a montré que la membrane avait une efficacité optimale lorsque la porosité était de 3 microns. Le détecteur portatif, objet de l'invention, 5 permet ainsi d'assurer la détection individuelle de la contamination atmosphérique en aérosols alpha en aspirant, à l'aide d'une petite pompe 4, un débit de 3 litres par minute, la tête d'aspiration 1 de l'appareil permettant: de capter les aérosols jusqu'à 10 microns avec un rendement voisin de 100 -%; de pièger sur ses parois les particules ultrafines (de 6 10-4 à 2 10-3) qui constituent la fraction libre des descendants du radon; de conduire sans pertes importantes (inférieures de toute façon à 7 %) les particules les plus grosses ( 10 microns) jusqu'au filtre de prélèvement 11 sur lequel elles se répartissent de manière homogène; de séparer les particules submicroniques qui 30 traversent la membrane 11 à pores capillaires des grosses particules qui sont seules retenues de mesurer l'activité alpha de ces grosses particules à l'aide d'un semicteur 12 dont la surface sensible, légèrement supérieure à celle du filtre 11, 35 en est éloignée de 3 mm environ. 2-547421 L'étude de l'appareil montre qu'il permet l'élimination de la quasi totalité ( 98 % en théorie) de la fraction libre des descendants solides du radon et d'environ 88 % de ceux qui sont fixes sur les particules 5 submicroniques Dans ces conditions, le bruit de fond dû au radon et à ses descendants normalement présents dans l'atmosphère diminue d'un facteur 10 à 20 environ par rapport à ce qu'il est quand on mesure l'activité alpha sans précaution. C'est ce qui apparaît sur la courbe de la fig 2 qui montre le pourcentage des particules collectées par le filtre 11 en fonction de leur diamètre, ou de leur diamètre aérodynamique équivalent (densité 1) pour les particules de diamètre supérieur à 1 micro15 mètre, ce diamètre étant exprimé en micromètre. Sur cette fig 2, on distingue la courbe 18 montrant le piégeage des particules ultrafines par l'espace 7 et la courbe 19 montrant l'effet du filtre 11. Ces courbes 18 et 19 délimitent les espaces 20 A, Bg C, D correspondant respectivement: pour l'espace A aux particules ultrafines comprenant la fraction libre du radon et piégées par l'espace 7; pour l'espace B à des particules de taille 25 intermédiaire non porteuses de radon et partiellement collectées par le filtre il; pour l'espace C à des particules fines porteuses de radon et traversant le filtre 11 l; pour 1 ' espace D, aux particules à mesurer 30 collectées par le filtre 11. Enfin, la petite taille de la tête d'aspiration 1 réalisée en duralinox (diamètre 55 mm) et le poids relativement faible du prototype ( 450 g tous accessoires compris), permettent de réaliser un appareil individuel 35 et portatif répondant parfaitement au critère d'efficacité demandé. 2547421 ' REVENDICATIONS 1 Procédé de détection de la contamination atmosphérique par des aérosols de particules alpha éliminant le bruit de fond dû aux descendants du radon, du genre de ceux qui consistent à recueillir par circulation de l'air atmosphérique les particules alpha à détecter sur un filtre -( 11) placé devant un système de détection et de comptage ( 12,13,14), caractérisé en ce que l'on effectue la discrimination entre les parti10 cules alpha présentes dans l'atmosphère en provenant d'une source polluante que l'on veut détecter et compter et les particules alpha constituant le bruit de fond et normalement présentes dans l'atmosphère à partir de leurs différentes granulométries. 2 Procédé de-détection de la contamination atmosphérique alpha selon la revendication 1, caractérisé en ce que la discrimination est réalisée en deux temps, à savoir: une-première élimination de la fraction 20 libre des particules alpha descendant du radon par passage de l'air atmosphérique à surveiller dans un espace ( 7) limité par deux parois parallèles ( 5,6) avant son arrivée sur le filtre; une deuxième élimination de la fraction des 25 particules alpha descendant du radon fixée sur les particules fines naturelles, par passage de l'air atmosphérique au travers d'un filtre à pores capillaires ( 11) qui laisse passer les particules de granulométrie inférieure au micromètre et jusqu'à environ 5 10 2 micrcfftre. 30 3 Détecteur portatif de la contamination atmosphérique par des aérosols de particules alpha mettant en oeuvre le procédé selon l'une quelconque des revendicatiorns et 2 précédentes, du genre de ceux qui comprennent dans un bottier autonome une tête d'aspira35 tion de l'air atmosphérique à surveiller, des moyens pour mettre en circulation cet air au travers d'un filtre microporeux, un ensemble électronique de détection et de comptage des particules retenues sur le filtre et une source d'énergie électrique, caractérisé en ce que la tête d'aspiration ( 1)> est de forme générale sphérique, l'aspiration de l'air atmosphérique et son acheminement vers le filtre ( 11) se faisant dans un espace ( 7) compris entre deux surfaces sphériques concentriques ( 5,6, la surface sphérique externe ( 5) étant ouverte 10 selon un orifice d'aspiration ( 9) dans lequel vient se loger une partie déflectrice ( 8) de la phère interne sous-jacente ( 6) dont le profil est choisi pour minimiser la perte de particules à détecter par impaction inertielle sur les parois, le filtre à pores capillaires 11 traversé ensuite par le flux d'air A surveiller ayant uue porosité choisie pour ne retenir que les particules de granulométrie supérieure au micro mètre. 4 Détecteur portatif selon la revendication 3, caractérisé en ce que le diamètre moyen de la lame 20 d'air ( 7) comprise entre les deux sphères est de 50 mm, l'épaisseur de cette lame d'air de 1,5 m, le rayon de courbure du sommet de la partie déflectrice ( 8) de la sphere interne ( 6) de 5 mm, le débit d'aspiration de l'air de 3 litres par minute et la distance entre le filtre ( 11 l) et la surface sensible du détecteur ( 12) de l'ordre de 3 mm. Application du détecteur portatif selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, à la réalisation d'un moniteur de contamination, caractérisé 30 en ce qu'il comporte une alarme sonore ( 14).