Brevet FR2561772A1 — publié le 19850927

]. PROCEDE DE PRODUCTION D'UNE REPRESENTATION D'UN ECOULEMENT FLUIDE A L'AIDE DE PARTICULES MARQUEES DE RADIOISOTOPES La présente invention a trait à l'analyse d'écou-- iements fluides à l'intérieur de corps creux tels que, par exemple, des moteurs, des appareils et tuyaux d'essai et d'autres corps à l'intérieur desquels des fluides peuvent s'écouler tels que des maquettes d'estuaires de rivières. La présente invention peut être utilisée pour examiner des écoulements de fluides liquides, gazeux ou sous ces deux phases. L'utilisation de "'caméra" de rayonnement sensibles à la position x-y ou bidimensionnelles (2D) pour suivre la répartition de liquides marqués de radioisotopes introduits dans le corps humain constitue maintenant une aide bien établie au diagnostic de certaines conditions médicales. Une telle technique implique l'utilisation d'un isotope émetteur de positon. Chaque positon émis se déplace sur une certaine distance avant d'arriver au repos (c'est-à- dire en équilibre thermique avec l'environnement). Il se désintègre alors avec un électron en produisant 511 KeV photons qui sont émis dans des directions pratiquement exactement opposées. La tomographie est possible, en utilisant un détecteur 2D sur chaque côté du sujet et un petit ordinateur pour rece- voir, construire et afficher l'image. Le rayonnement désiré est séparé de l'arrière-plan en acceptant dans les détec- teurs seulement les événements coincidants produits par les deux photons émis dans des directions pratiquement opposées. Avec la technique de tomographie par émission de positon (PET), l'image affichée est calculée à partir de l'information enregistrée pour un plan sélectionné dans le sujet. Seuls les événements dus à des transformations radioactives dans ce plan apparaissent au point et telle est la puissance de cette technique, que les transformations radioactives se produisant dans d'autres plans apparaissent seulement sous la forme d'un arrièreplan plus ou moins uniforme. De plus, comme n'importe lequel des plans se trou- vant entre les détecteurs peut être choisi, cette technique procure de façon inhérente une information tridimensionnelle autour de son sujet. Le précédent brevet GB-2 087 685 au nom de la Demanderesse(correspondant à la demande US NO 318 939 déposée le 6 novembre 1981) décrit une méthode et un appa- reil permettant des études similaires dans des applications techniques telles que l'étude de l'écoulement d'un fluide dans les turbomachines à gas o les exigences sont beaucoup plus rigoureuses. Selon ce brevet, un procédé de production d'une représentation d'un écoulement fluide à l'intérieur d'un corps creux comprend les étapes suivantes: - injection dans le fluide d'une certaine quanti- té de marquage par isotope radioactif qui est compatible avec le fluide; - détection des radiations émises lors de la trans- formation par désintégration radioactive de l'isotope à l'aide d'un appareil de détection situé à l'extérieur du corps et qui produit des signaux de sortie fonctions de la radiation détectée; - génération d'une représentation de la distribu- tion spatiale de la structure du corps qui entoure l'écoule- ment fluide et du matériau le constituant; - production à partir de cette représentation de signaux d'atténuation représentatifs de l'atténuation du rayonnement passant à travers le corps; - ajustement des signaux de sortie provenant de l'appareil de détection en fonction des signaux d'atténua- tion afin de compenser l'atténuation du rayonnement et fourniture de signaux de sortie ajustés, et, --production à partir de ces signaux de sortie ajustés-d'une représentation de l'écoulement fluide à l'in- térieur du corps. Le marquage par isotope radioactif est injecté dans le fluide, dans.le système étudié, au moyen d'un fluide porteur compatible généralement un liquide. Dans la forme de réalisation préférée, la transformation par désintégra- tion de l'isotope fournit des positons, qui, lorsqu'ils approchent de leur état de repos, se combinent avec-des électrons dans le fluide. Chaque positon ainsi désintégré produit des rayons gamma (photons) qui peuvent être détectés. Le brevet anglais 2 031 142 décrit une utilisation médicale de la tomographie par émission de positons, dans laquelle de très petites (6 p 8 p) particules véhicules solides sont marquées à l'aide d'un isotope émetteur de positon et sont injectées dans le circuit sanguin du patient. Les particules sont repérées dans les trois dimensions. De même que dans l'art antérieur cité ci-avant, cependant les positons voyagent sur une certaine distance dans le tissu environnant avant de venir au repos et d'émettre deux rayons gamma. Notamment, si le fluide étudié est gazeux, le libre parcours moyen d'un positon,avant que celui-ci ne s'approche de l'équilibre thermique avec le gaz, se combine avec un électron et soit désintégré, peut être relativement long. Puisque les rayons gamma qui sont détectés indiquent la position à laquelle la désintégration a lieu, plutôt que la position à laquelle l'atome d'isotope correspondant a été transformé par désintégration, ceci a pour conséquence une diminution de la netteté. Le tomographe produit est basé non pas sur la position réelle à laquelle le positon a été produit mais sur la position à laquelle il a été désintégré. L'image en résultant présente un degré de 'flou" correspondant aux distances parcourues et directions aléatoires suivies par les différents positons, dont la désintégration a été détectée. Dans certains cas, notamment lorsque le fluide est gazeux, les positons peuvent tendre à atteindre-les parois du corps creux contenant le fluide avant désintégra- tion, de sorte que la représentation correspondante qui en résulte montre simplement les parois. Ceci peut être encore utile dans le cas de passages très étroits, pour indiquer si le gaz s'écoule, mais cela signifie que la technique ne peut pas montrer des écoulements gazeux dans des corps creux plus larges. De tels problèmes (d'un parcours relativement long des positons avant désintégration) peu- vent également être particulièrement aigus si l'on désire étudier l'écoulement d'un fin jet de liquidedans une atmos- phère gazeuse. La présente invention fournit un procédé pour la production d'une représentation d'un écoulement fluide, com- prenant: - l'injection dans le fluide d'une quantité de particules aptes à suivre l'écoulement, les particules étant marquées avec un isotope émetteur de positon, chaque particule étant apte à amener au repos au moins une certaine proportion des positons émis à l'intérieur de cette même particule avant qu'ils ne s'échappent de celle-ci, des ra- yons gamma étant alors -émis par les particules; - la détection des rayons gamma émis par les par- ticules par un appareil de détection qui produit des si- gnaux de sortie en réponse à ces rayons gamma, et, - la production, à partir des signaux de sortie, d'une représentation del'écoulement fluide. De cette-façon, la netteté de la représentation résultante est améliorée du fait qu'au moins une proportion des rayons gamma résultants sont exactement indicatifs de la position des particules. Cette proportion peut être aug- mentée en utilisant des particules qui comprennent ou sont essentiellement formées de métal ou autre solide de densité élevée. Les métaux de densité élevée pouvant être utilisés comprennent le cuivre, le tungstène ou le plomb. Un autre problème se pose avec le procédé de la technique antérieure du GB 2 087 685 auquel il a été fait référence ci-avant, si l'on désire étudier un système d'écoulement avec recirculation tel qu'un système de graissa- ge pour turbomachine à gaz. A moins d'utiliser un isotope radioactif avec une période de radioactivité très courte (en limitant ainsi le nombre d'isotopes disponibles qui peuvent être utilisés) des atomes marqués radioactivement peuvent se déplacer tout le long du système et rendre peu nette la représentation d'écoulement qui est produite. En outre, ils peuvent augmenter le niveau général de radioactivité dans le système et dégrader le signal jusqu'à perturber le rap- port de représentation. Un autre problème avec un système sans recirculation dans lequel le fluide marqué radioactive- ment est rejeté dans l'atmosphère est celui de la pollution de l'environnement. Cependant, ces deux problèmes peuvent être résolus facilement avec des particules solides en fil- trant les particules solides radioactives après qu'elles soient passées à travers la zone o l'écoulement est inté- ressant. De toute façon, le procédé de l'invention sera bien compris et d'autres caractéristiques seront mises en évidence à l'aide de la description qui suit en référence au dessin schématique annexé représentant un exemple non limitatif de mise en oeuvre de ce procédé. - Figure 1 est une vue schématique du dispositif utilisé pour analyser les écoulementsde fluideà l'intérieur d'une turbomachine à gaz - Figure 2 est un schéma illustrant le système de recirculation d'huile d'un tel moteur; - Figure 3 est une vue schématique en coupe trans- versale d'une particule porteuse. Le dispositif montré sur le dessin est similaire à celui montré dans le brevet GB 2 087 685 et la demande US correspondante 318 939 et on se reportera à la descrip- tion de ceux-ci pour une description plus complète. Brièvement, il est montré sur le dessin une turbo- machine à gaz (10) dont une partie du système de graissage est analysée. Le dispositif comprendune source (12) de particules solides marquées, dont il sera question ci-après. Ces particules solides sont injectées dans l'écoulement d'huile à un endroit précis à l'aide d'un injecteur (17). Après passage à travers le moteur, l'huile du moteur mar- quée est recueillie au moyen d'une canalisation d'écoulement (18) dans un puisard (19). Elle recircule après de la façon normale. Le système de graissage comprend une pompe d'ali- mentation en huile et des pompes de retour, comme cela est normal, bien que celles-ci ne soient pas représentées. Deux ou plusieurs compteurs proportionnels mul- tifilaires (23) sont montés en vis à vis en une ou plusieurs paires sur un chariot (24) que chevauche le moteur et qui est déplagable axialement le long du moteur. Les compteurs sont aptes à être déplacés par rapport au chariot de façon à pivoter autour de celui-ci et sont déplaçables avec le chariot le long du moteur de sorte que les compteurs peuvent être positionnés dans la meilleure position pour recevoir le rayonnement produit par la transformation.radioactive. de l'isotope ayant lieu pendant l'essai. Les signaux produits par les compteurs peuvent être transmis directement à un système de traitement du signal (25) pour produire un affichage en temps réel de l'écoulement de l'huile, ou, si on le préfère, ils peuvent être enregistrés et stockés dans un organe de stockage (26) tel qu'une bande-ou un disque magnétique pour un traitement ultérieur. On réalisera qu'il est nécessaire d'avoir des données de nombreux événements de désintégration de positons provenant de différentes parties de l'écoulement pour cons- truire un affichage. Un dispositif de stockage (28), dans lequel est stockée une représentation de la distribution spatiale de la structure du moteur et des matériaux le constituant, est fourni, comme autre source d'entrée, au système (25) de trai- tement du signal. Celui-ci est utilisé de la façon décrite dans le GB 2 087 685 afin de dériver des signaux d'atténua- tion, qui sont utilisés pour ajuster les signaux de sortie de l'appareil de détection et le dispositif (25) produit alors à partir des signaux de sortie ajustés; une représen- tation spatiale de l'écoulement de fluide (huile) à l'inté- rieur du moteur (10). Les particules injectées par la source (12) com- prennent un porteur approprié dans lequel est introduit un marquage émetteur de positons. Une large variété d'isotopes peut être utilisée, la sélection d'un isotope adapté dépen- dant de facteurs tels que la période de radioactivité, l'ac- tivité et la compatibilité avec le système étudié. Une dis- cussion relative à cette sélection sera trouvée dans le GB 2 087 685. Un autre facteur de sélection est formé par la méthode d'introduction de l'isotope dans les particules porteuses. Une méthode appropriée impliquant une liaison chimique consiste à introduire le marquage par isotope choisi,en utilisant des techniques connues, dans une résine échangeuse d'ions, qui est ensuite utilisée pour former un enrobage (50) sur la surface d'un grain de métal (52) pour lequel la résine présente une affinité chimique, de façon à donner les particules finies, comme montré à la figure 3. Tandis que beaucoup des positons seront émis à partir de l'enrobage directement dans l'environnement, une certaine proportion de ceux-ci sera émise à l'intérieur du grain de métal (52) et au moins une partie de ceuxci sera amenée au repos et se désintégrera à l'intérieur du grain en produisant des rayons gamma qui seront détectés par les détecteurs (23). De façon évidente, plus le nombre de positons désintégrés à l'intérieur de la particule sera grand, plus nette sera l'image résultante, mais des améliorations utiles de la netteté peuvent être obtenues si la proportion de po- sitons arrêtés à l'intérieur des particules descend jusqu'à 10 %. Les isotopes émetteurs de positons appropriés qui se lient avec la résine échangeuse d'ions comprennent le gal- lium-68 et le rubidium-82. Une autre méthode appropriée implique une retenue physique du marquage par isotope dans une particule. Des particules appropriées, par exemple un oxyde métallique, sont bombardées par un faisceau d'ions d'un accélérateur cyclotron pour produire par exemple des particules dopées avec du fluor-18, par la réaction 160 (3He,p) 18F. Le fluor a une période radioactive d'environ 2 heures. D'autres isotopes émetteurs de positons adaptés comprennent du gallium-68 et strontium-82. Les taille, masse, densité et matériau exacts des particules utilisées doivent faire l'objet d'essais et d'expériences de routine, ce qui est tout à fait dans les aptitudes de personnes qualifiées, car ces facteurs varient de façon considérable selon l'écoulement de fluide devant être étudié. Les particules utilisées devraient être d'une taille qui ne soit pas susceptible de détériorer le moteur ou autre équipement à l'étude, et devraient présenter une combinaison d'aire surfacique, de rugosité de surface et de flottabilité qui soit telle que les particules soient entraînées et transportées avec l'écoulement de fluide plu- tôt que de couler ou de flotter. Par exemple, des particules moins denses seront nécessaires pour des écoulements gazeux que pour des écoulements de liquides. En même temps, les particules devraient être assez grosses pour ne pas souffrir d'une diffusion ou mélange inacceptables. Ce qui est encore le plus important, c'est que les particules doivent être telles qu'elles-amènent au repos une proportion acceptable des positons émis avant que ceux-ci ne:s'échappent de la parti- cule, et les expériences et essais de routine pour déterminer la taille, masse, densité et matériau de ces particules doivent garantir ceci. Un problème qui s'est posé en pratique avec les porteurs d'isotopes fluides du-GB 2 087 685 réside en ce que généralement le fluide porteur (et-par conséquent l'isotope demarquage) diffuSe dans le fluide étudié et se mélange avec celui-ci. Cela signifie que l'isotope dévie du trajet de l'écoulement dans la mesure o un mélange excessif se produit et a pour résultat que la représentation de l'écou- lement qui est produite est encore moins nette. Ce problème peut être résolu par un choix adapté des particules porteuses. Les particules doivent aussi résister aux conditions d'une turbomachine à gaz; de façon usuelle, il sera nécessaire qu'elles présentent une certaine résistance à la fusion, dissolution, destruction mécanique, réaction chimique, etc. Des particules d'oxydes métalliques, comme par exemple d'oxyde de zirconium ou de gallium sont souvent plus résis- tantes envers des conditions telles que la chaleur à la- quelle on sera confrontée, si l'on étudie l'écoulement gazeux à travers une turbine. Des particules métalliques, telles que, par exemple, de cuivre, tungstène ou plomb sont également avantagées dans certaines conditions. Une dimension appropriée pour les particules métalliques utilisées lors de l'étude d'un système de graissage d'un moteur pourrait descendre jusqu'à 20 F en diamètre, bien qu'il soit peu probable que des particules ayant des dimen- sions plus petites amènent une proportion appropriée des positons émis au repos. Des dimensions plus importantes seront cependant souvent plus adaptées. Les particules peuvent avoir des diamètres allant jusqu'à plusieurs mm dans certaines cir- constances, mais des particules solides avec des diamètres de l'ordre de 0lOu à 1 mm seront généralement appropriés. La figure 2 montre de façon schématique en (40) dans la canalisation d'écoulement (18) la position d'un filtre qui est utilisé pour enlever les particules radio- actives de l'écoulement fluide. On peut se débarasser de celles-ci en toute sécurité et elles ne circulent pas à nouveau, ce qui permet d'éviter les problèmes mentionnés ci-avant. - REVENDICATIONS - 1- Procédé pour la production d'une représentation d'un écoulement de fluide comprenant: - l'injection dans le fluide d'une certaine quan- tité de particules aptes à suivre l'écoulement, les parti- cules étant marquées à l'aide d'un isotope émetteur de positons; - la détection des rayons gamma émis lors- que les positons sont amenés au repos, à l'aide d'un appa- reil de détection (23) qui fournit des signaux de sortie en réponse à ces rayons gamma et, - la production d'une représentation de l'écoule- ment de fluide à partir des signaux de sortie, caractérisé en ce que chaque particule est apte à amener au repos au moins une proportion des positons émis à l'in- térieur de cette particule, avant qu'ils ne s'échappent de celle-ci, les rayons gamma étant alors émis à partir des particules. 2- Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que les particules comprennent un matériau métallique. 3- Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que le métal est choisi dans le groupe formé du cuivre, du tungstène et-du plomb. 4- Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que les particules comprennent un matériau en oxyde métallique. - Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que l'oxyde métallique est choisi dans le groupe formé par l'oxyde de zirconium et l'oxyde de gallium. 6- Procédé selon l'une quelconque des revendica- tions précédentes, caractérisé en ce que les particules comprennent un grain (52) enrobé par un matériau (50) conte- nant l'isotope émetteur de positons. 7- Procédé selon l'une quelconque des revendica- tions précédentes, caractérisé en ce que les particules ont un diamètre supérieur à environ 20.i. 8- Procédé selon la revendication 7, caractérisé il en ce que les particules ont des diamètres compris entre f et 1 mm. 9- Procédé selon l'une quelconque des revendica- tions précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend, en outre: - la génération d'une représentation de la dis- tribution spatiale de la structure d'un corps (10) qui entoure l'écoulement de fluide et du matériau constituant ce corps; - la production, à partir de l'atténuation de la représentation, de signaux représentatifs de l'atténuation de la radiation passant à travers le corps; - l'ajustement des signaux de sortie provenant de l'appareil de détection en fonction des signaux d'atténua- tion, afin de compenser l'atténuation de la radiation et la fourniture de signaux de sortie ajustés, et - la production, à partir de ces signaux de sortie ajustés, de la représentation de l'écoulement du fluide à l'intérieur du corps. 10- Procédé selon l'une quelconque des revendica- tions précédentes, caractérisé en ce qu'un filtre (40) est prévu pour enlever les particules de l'écoulement de fluide.