Brevet FR2552887A1 — publié le 19850405

"Système de détection des neutrons et/ou des rayons gamma". L'invention concerne un système de détection des neutrons et/ou des rayons gamma, présentant une grande 5 surface de réception pour l'irradiation à détecter qui produit dans la matière de scintillation des photons qui seront captés dans un conducteur de lumière à fibres optiques En particulier, l'invention concerne un système pour un sas à chambre rotative. La mise en service de la détection des neutrons est prévue dans les sas destinés au personnel, comme disposition complémentaire de la surveillance des matières nucléaires Elle augmente la probabilité de la découverte d'un transfert non autorisé de matière nucléaire hors des 15 zones o l'on pratique un bilan des matières, car les mesures de protection du côté de la soustraction sont beaucoup plus difficiles que dans la détection des rayons Zn S(Ag) est une des substances dont la scintillation est la plus importante parmi celles dont on dispose pour 20 des fins de détection La condition nécessaire pour la construction d'un détecteur efficace est aussi toutefois la collecte et la transmission optimales du courant lumineux qui sera produit à un photomultiplicateur Jusqu'ici, on a utilisé des collecteurs de lumière dont la construction 25 était la suivante. On pose directement sur le PTM (PTM pouvant: signifier Photomultiplicateur) un disque détecteur pour fenêtre d'entrée de PTM suivant K H Sun, P R Malmberg, F.A Pecjak, Scintillation Counters, Nucleonis (Juillet 1956), ce qui a l'avantage que le parcours de la lumière transmise est plus court et que, par suite, les pertes sont plus faibles Le défaut réside dans la limitation du diamètre de la 5 fenêtre d'entrée du photomultiplicateur utilisé Une autre construction, W S Emmerich, A Fast Neutron Szintillator, Rev Scien Inst, Vol 25, No 1, Jan 1954, assure une multiplication par cinq de la surface utilisable au moyen de plaques conductrices de la lumière intégrées dans le scin10 tillateur, toutefois, ici aussi, il n'est possible de construire que de petites unités qui, dans un sas à chambre rotative par exemple, embrassent un angle trop faible de l'espace. Les inconvénients des conducteurs de lumière isotropes actuels sont: les pertes par dispersion qui se produisent lors du contact optique direct avec la matière optiquement plus dense du scintillateur, les pertes par affaiblissement (absorption de lumière sur le parcours de transmission nécessaire), rapports défavorables des surfaces entre la section du conducteur de lumière (soit la surface de sortie) et la surface collectrice. Le rendement de sortie des gros cristaux de scintillateur se situe, en fonction de l'indice de réfraction 25 dans un ordre de grandeur de 5 à 11 %. Ces valeurs données pour le rendement d'entrée et de transmission des conducteurs de lumière isotropes (surface limite par rapport à l'air, matière optiquement moins dense), montrent que pour des scintillateurs à grande 30 surface, des systèmes optiques doivent pour convenir satisfaire aux exigences suivantes: découplage de la source lumineuse et du conducteur de lumière par interposition d'une couche optique intermédiaire, présentant un indice de réfraction qui soit 35 plus petit que celui du scintillateur (n Y 1,5) pour éviter les pertes par dispersion sur la surface limite. captage d'une intensité lumineuse suffisante pour surmonter la distance de la transmission jusqu'au photomultiplicateur. Le mode de captage de la lumière par la face frontale d'une fibre optique trouve déjà son utilisation pour la construction d'amplificateurs de lumière résiduelle, W.B Allan, Fibre Optics, Theory and Practice, Plenum Press, L Ondon, N Y 1973, et les écrans de projection de grand 10 format, lors de la déviation du parcours de la lumière nécessaire pour l'utilisation du détecteur L'inconvénient est la consommation importante de fibres, et la faiblesse du facteur de réduction obtenu pour le rapport surface d'entrée/ surface de sortie Ces inconvénients amènent à prendre en considération un mode de captage de la lumière qui n'est pas usité jusqu'ici. Le problème qui est à la base de l'invention consiste alors à réaliser un système de détection à grande surface du type mentionné en commençant de telle façon que 20 l'on puisse utiliser une substance pour scintillateur efficace au point de vue de la physique nucléaire et tirer parti aussi des avantages des fibres pour la transmission de-la lumière aux systèmes de détection. A cet effet, l'invention propose un système caractérisé en ce que les fibres optiques sont étendues sur toute la surface de réception dans la matière produisant les scintillations, que le captage de la lumière s'opère sur toute la surface enveloppante des fibres optiques et que les fibres optiques conductrices sont établies de façon à être 30 anisotropes. On trouvera décrits dans ce qui suit, d'autres perfectionnements avantageux de l'invention. Les avantages spéciaux de cette solution nouvelle résident dans l'utilisation de systèmes de conducteurs 35 lumineux anisotropes, qui provoquent, contrairement aux systèmes optiquement isotropes, une séparation des fonctions collecteur de lumière-conducteur de lumière Par ce moyen, les pertes par absorption de lumière sont réduites dans une large mesure dans des systèmes détecteurs étendus 5 dans l'espace L'intensité lumineuse captée sur la surface de la fibre optique conductrice arrive alors à l'amplificateur opto-électronique, accouplé à l'extrémité de la fibre optique, sans affaiblissement notable. Le mécanisme de captage de la lumière par la surface 10 enveloppante de la fibre repose sur la synchronisation des: vitesses de phases, sens de polarisation, des fractions ondes superficielles des oscillations propres qui peuvent être excitées dans le noyau des fibres. Il a été confirmé expérimentalement qu'en utilisant des fibres cylindrosymétriques, il apparaît, en raison de la géométrie des champs électromagnétiques, des propriétés qui permettent une alimentation en lumière par la surface enveloppante de la fibre Le mode-volume (nombre des auto-oscil20 lations possibles) croissant avec l'augmentation du rayon du noyau central de la fibre ou du diamètre de cette fibre augmente la probabilité de la synchronisation des deux champs dans la surface enveloppante de la fibre Ce point est particulièrement important, notamment pour l'introduction 25 de lumière non-cohérente avec des modifications de phases aléatoires dans le temps et dans l'espace. Ces propriétés déjà connues des fibres cylindrosymétriques se limitent jusqu'ici: à la mise en oeuvre de fibres optiques anisotropes 30 en couche mince, à géométrie plane, qui conduisent à d'autres conditions marginales d'introduction de la lumière, quand on utilise l'effet optique de tunnel, l'introduction de sources de lumière cohérentes (Laser) qui conduisent à des conditions d'accouplement 35 permanentes. On n'en a toutefois pas tiré parti jusqu'ici techniquement, en particulier, on n'a pas mis en oeuvre des conducteurs en fibres optiques optiquement anisotropes pour la construction de détecteurs de neutrons. L'invention est exposée ci-après plus en détail avec référence à des résultats théoriques et expérimentaux, ainsi qu'à un exemple de réalisation, et à l'aide des figures 1 à 4. Le principe d'un détecteur à fibres 1 avec captage 10 de la lumière par la surface de réception 2 du corps de base (matrice Zn S (Ag) bore) est représenté schématiquement dans la fig 1 Le flux de neutrons O ( 3) produit des éclairs lumineux 4 dans la matière scintillante du corps de base 5, éclairs qui sont collectés par les fibres 6 posées parallè15 lement les unes aux autres, éventuellement en couches superposées (ici 3 couches) Les fibres 6 sont ensuite rassemblées, sur les deux surfaces frontales du corps de base en faisceaux 7, et vont au photomultiplicateur 8. La discussion suivante rend compte de la relation 20 entre l'intensité lumineuse et les rapports de surface des surfaces collectrices de la lumière incorporées dans le scintillateur 5 (somme des surfaces enveloppantes des différentes fibres 6) pour différents rayons de ces fibres 6 isolées Les intensités de lumière que l'on peut obtenir à 25 l'emplacement 2 du captage de la lumière (surface limite nl/n 2) correspondent au rapport des surfaces collectrices de la lumière A que fixent les rayons R des différentes fibres Si l'on continue à diminuer le rayon R des fibres optiques, la surface enveloppante diminue proportionnellement 30 à R, la surface frontale de ces fibres en revanchediminue proportionnellement à R 2 Pour maintenir une surface collectrice de lumière constante dans le scintillateur, il est nécessaire, si l'on réduit le diamètre, d'augmenter proportionnellement le nombre des fibres Comme la surface frontale du faisceau 35 de fibres diminue comme le carré du rayon R des fibres, l'équation suivante est valable pour l'augmentation de la surface par introduction d'autres fibres 6: R 1 R 1 R 2 Asurface enveloppante = pour R 1 > R 2 R 2 R 1 Asurface enveloppante La grandeur de la surface enveloppante incorporée 10 provoque une diminution de la distance qui sépare les différentes sources lumineuses ponctuelles du scintillateur par rapport à la surface des fibres optiques et par suite une augmentation de l'intensité de la lumière introduite (captée) dans le cable à fibres optiques 6. Le tableau suivant rend compte, pour des diamètres courants de fibres optiques, des distances source lumineuse/ point d'introduction dans les conditions marginales indiquées. Fibres O Nombre pour le Surface envelop Distance LQ/ (*) (t A) détecteur pante 2 des fibres L Lob) (min 1500 1100 8 3 400. 1050 2270 12 0 315. 500 10 000 25 1 150. 250 000 126 0 30. 70 510 200 180 0 21. 2 777 780 420 0 9. 25 000 000 1257 0 3. (t LQ: source lumineuse L Lob: surface du conducteur optique. Il en ressort qu'il existe entre des fibres de 1500 t et de 70 un rapport d'intensité lumineuse de 1/363 à l'endroit de l'introduction de la lumière, la surface limite nl/n 2. Les réalisations actuelles donnent des indications 35 pour la construction géométrique de la détection utilisant des fibres optiques. Des points importants sont en outre: le mécanisme de captage de la lumière par la surface enveloppante, les propriétés de transmission de l'énergie lumineuse captée par les fibres. Les fibres optiques anisotropes sont constituées des deux composants, noyau, avec l'indice de réfraction N 1 et la surface enveloppante, N 2: l'énergie électromagnétique 10 est localisée, au cours de la transmission de l'énergie, principalement dans la matière dont l'indice de réfraction n 1 est le plus élevé, N S Kapany, J J Burke, Fiber Optics IX. Waveguide Effects, J Am Opt Soc Vol 51, No 10, Oct 1961. Les conditions de propagation ressortent des lois 15 de l'optique géométrique (Snellius-Fresnellsche Gesetze der Brechung und Reflexion, W Pohl, Optik und Atomphysik, Springer 1928), pour la réflexion totale qui se produit sur la couche limite vers le milieu optiquement plus facile à traverser Sans revenir en détail sur la théorie, on en indi20 quera des conséquences importantes: La transmission de la lumière repose sur le principe de la réflexion totale dans la couche optiquement la plus facile à traverser N 2 Avec le diamètre final des fibres optiques, il s'établit, en fonction de la longueur d'onde de la lumière >, de l'ouverture numérique (N A) et du rayon a du noyau des fibres, des conditions discrètes de propagation (modes propres) dans la fibre. -Contrairement à la conclusion de la géométrie optique, en cas de réflexion totale, l'énergie arrive dans le 30 milieu "interdit" N 2 optiquement plus facile à traverser suivant, M Born, Optik, Springer, Berlin 1933 Le vecteur d'ondes k s'étend ici parallèlement à la couche limite n 1/n 2 en N 2 Les pertes du noyau des fibres, du fait de pertes par rayonnement sur la matière environnante, sont 35 déterminées par l'épaisseur S de la surface enveloppante (région tunnel) En général, l'épaisseur de la couche se monte à environ 7 à 10 longueurs de l'onde lumineuse pour des fibres optiques multi-modales, pour des ordres de grandeur de longueur d'onde X 0,5/t (lumière visible). Un couplage de la lumière externe du scintillateur avec le champ d'ondes superficielles synchrone, dans la région tunnel de la matière N 2, permet, sans coupleur optique supplémentaire (prisme par exemple) que la propagation de la lumière se forme d'une façon hélicoïdale Les rayons lumineux 10 émis dans le scintillateur L Qn se propagent en forme de c 6 ne, et atteignent tangentiellement la surface limite nl/n 2 (indicence "rasante" de la lumière) En cas de concordance des conditions de synchronisation pour les vitesse de phases, sens de polarisation correspondant au choix des angles d'incidence vet 8 vdans la zone de la couche limite nl/n 2, l'excitation des autooscillations électromagnétiques de l'ordre v s'opère, dans le noyau de la fibre sur le champ d'ondes superficielles appar20 tenant à l'auto-oscillation, par résonance. L'introduction de la lumière en tirant parti de l'effet géométrique des surfaces limites courbes offre dans la pratique les avantages suivants: Tout système d'accouplement supplémentaire, tel 25 qu'on en utilise pour le captage de la lumière sur des pellicules optiques minces (coupleur à prisme) devient superflu. Le mécanisme d'accouplement est anisotrope par rapport au parcours préférentiel de la lumière introduite. 30 Il-en résulte que l'énergie lumineuse captée reste dans la fibre, même sur de longs parcours de transmission. On dispose de la totalité de la longueur de la fibre comme zone de captage De l'énergie lumineuse captée, il ne se perd qu'environ 10 %/m, en fonction de la qualité 35 de la fibre optique, dans les pertes par découplage et absorption. Pour vérifier la conception du détecteur, on a construit un élément de surface du détecteur pour sas prévu cet élément est représenté en coupe dans la figure 2 Le boîtier 9, de forme parallélépipédique, est constitué d'une partie formant couvercle et d'une partie formant fond, 10, 11, qui sont vissées ensemble et qui assurent, au moyen d'un joint qui en fait le tour 12, l'étanchéité par rapport à l'environnement d'une cavité 13, destinée à recevoir le corps de 10 base 5 (figure 1) Les faisceaux 7 de fibres optiques sortent, en étant fixés par elles, par les deux bornes 14, 15, la plupart du temps décalées l'une par rapport à l'autre diagonalement. La surface sensible du détecteur se monte à 900 cm 2 15 On a utilise un diamètre de fibres isolées de 1500/A,"l incorporées, en un lit à couche unique, dans une matrice Zn S(Ag)-acide borique L'utilisation de cette importante section des fibres est, certes, défavorable au point de vue optique, mais offre toutefois des avantages techniques pour la 20 fabrication Pour obtenir un rendement de captage suffisant avec les fibres assez grosses utilisées, on a rendu rugueuse la surface enveloppante (surface limite extérieure N 0/n 2) Les centres de dispersion qui apparaissent sur la surface agissent à la façon d'un coupleur optique à grille, tel qu'on l'utilise 25 en liaison avec des conducteurs de lumière plans En raison de la dispersion de la lumière du scintillateur tombant perpendiculairement à la surface limite N 1/n 2 dans des directions d'incidence synchrones pour s'accoupler avec les ondes superficielles, on obtient une augmentation de l'inten30 sité de lumière captée qui est environ 20 fois celle qu'on obtiendrait sur une surface lisse. Les mesures de sensibilité aux rayons p ont été effectuées dans les conditions marginales suivantes: réglage des paramètres d'amplification optimum avec référence aux spécifications indiquées dans les documents W. S C Chang, Periodic Structures and their Application in Integrated Optics, IEEE Trans on Microwave Theory and Techniques, Dec 1973, p 775 ff, et par des essais. L'électronique amplificatrice utilisée (photomultiplicateur 5 Philips XP 2230) est indentique à celle du système à scintillateur liquide IRT pour la détection des rayons Détermination du seuil de discrimination et de 2 u la largeur de fenêtre Uw à partir du rapport 52/B, signal/ bruit mesuré pour différentes énergies È Le champ énergé10 tique considéré s'étend de Am-241 (E'60 ke V pour UU 0,1 V), au-delà de Ba-133 (E 360 ke V) jusqu'à Co-60 (E% 1170 ke V). Le réglage du discriminateur a été fixé comme étant le résultat de la mesure pour Uu c 0,1 V et Uw = 3 V. Le rapport signal/bruit pour différents éloignements 15 des sources par rapport à la plaque du détecteur, calculé pour le centre de la plaque, est illustré dans la figure 3, et il est également indiqué 52/B = 5 6502 ce qui correspond à une probabilité de détection de 95 % avec un taux de fausses alarmes de 0, 01 % Le seuil d'alarme ajusté, 4 a, tient compte des variations de la stabilité de l'électronique La probabilité de détection de 95 % correspond à un signal net S = G-B de 1,65 î au-dessus du seuil d'alarme. Pour le rapport signal/bruit exigé est valable l'équation 52/B = ( 5,65 VB) / B = 32 indépendamment du taux de comptage absolu B 52/B est un critère de qualité d'un détecteur, dans une large mesure, indépendant du réglage des paramètres de l'amplificateur. Les résultats de mesure (fig 3) ont été déterminés pour différentes distances z au-dessus du centre de la plaque (x, y) = ( 5,5). La figure 4 montre, pour z = une constante, la dépendance du rapport 52/B signal/bruit pour différentes 35 distances par rapport au photomultiplicateur, la position 1 l y = 1 désignant la plus petite distance, qui est de 30 cm, y = 9, une distance d'environ 60 cm. Les résultats de mesure confirment l'aptitude au fonctionnement de fibres optiques anisotropes, comme agents de collecte et de transmission, même si l'on utilise des fibres optiques dont la section est de grande dimension. Les différences auxquelles on peut s'attendre de l'efficacité des taux de comptage des rayons gamma et des neutrons en raison des différences dans la puissance des signaux permettent de conclure que le détecteur Zn S(Ag)acide borique peut être mis en service en même temps pour la détection des rayons gamma, la séparation des signaux étant obtenue en posant des seuils d'énergie différents. REVENDICATIONS 1) Système de détection des neutrons et/ou des rayons gamma comportant une grande surface de réception du rayonnement à détecter qui produit des photons dans la matière produisant une scintillation photons qui sont captés dans les fibres optiques formant le conducteur, système caractérisé en ce que les fibres optiques ( 6) sont étendues sur toute la surface de réception ( 2) dans la matière produisant les scintillations ( 5), que le captage de la lumière ( 4) s'opère sur toute la surface enveloppante des fibres optiques ( 6) et que les fibres optiques conductrices ( 6) sont établies de façon à être anisotropes. 2) Système de détection des neutrons et/ou des rayons gamma suivant la revendication 1, caractérisé en ce que les fibres optiques ( 6) sont incorporées parallèlement entre elles dans la matière produisant les scintillations ( 5), en une ou plusieurs couches qui sont dirigées parallèlement à la surface réceptrice ( 2). 3) Système suivant l'une des revendications 1 et 2, 20 caractérisé en ce que la sortie ( 7) de la lumière s'effectue par les faces frontales des fibres optiques ( 6). 4) Système suivant l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les fibres optiques ( 6) sont établies de façon cylindrosymétrique, l'indice de réfraction (n 1) du noyau 25 de ces fibres optiques étant plus grand que celui (n 2) de la surface enveloppante. ) Système suivant l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la surface enveloppante des fibres optiques ( 6) est rendue rugueuse. 6) Système suivant l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la surface de réception ( 2) est de forme carrée ou rectangulaire.