Brevet FR2582810A1 — publié le 19861205

PROCEDE DE DETERMINATION DE LA DENSITE DE SUBSTRATS La présente invention concerne un procédé de détermination de la densité de substrats d'une épaisseur considérable au moyen d'une source de rayons gamma comprenant un collimateur et d'un détecteur comprenant un collimateur, tous deux situés à la surface du substrat. La direction du rayonnement peut être modifiée par rapport à la direction de détection, et le changement du signal détecté peut être mesuré par le procédé selon l'invention. La figure 3 représente un agencement réalisant des mesures sur -la base des rayons gamma dispersés. Le rayonnement gamma émis à partir d'une source 10 est collimaté en un pinceau étroit, L, de quanta gamma, qui est atténué exponentiellement pen- dant le passage de l'objet mesuré, cette atténuation dépendant de la densité de l'objet mesuré. L'atténuation est sensiblement due à la diffusion Compton et les quanta gamma sont diffusés dans une direction qui s'éloigne du faisceau L dans toutes les directions. Une partie des quanta -diffusés sera, éventuellement par suite de diffusions supplémentaires, dirigée vers un détecteur 11. Les quanta détectés par le détecteur 11 peuvent être divisés en les groupes suivants: Groupe A: les quanta diffuses une seule fois qui sont seulement diffusés dans le volume de réflexion V (voir figure 3) et qui, après diffusion sont dirigés vers le détecteur 11. Ce groupe comprend également les quanta qui sont soumis à des dif- fusions sur leur trajet vers le volume de réflexion et sur leur trajet vers le détecteur, mais pour lesquels les angles de dif- fusion pour toutes ces diffusions- sauf la diffusion dans le volume de réflexion - sont -très petits. Ces quanta qui, à l-'arri- vée au niveau du détecteur, ont presque la même énergie que les quanta diffusés une seule fois sont de grande importance, étant donné qu'ils prédominent dans le résultat de mesure dans le cas de mesures à grande profondeur. Si le détecteur détectait seulement des quanta du groupe A, les résultats de la mesure seraient une mesure seraient une expression de la densité moyenne dans la zone de profondeur allant de 0 à x. Groupe B: les quanta qui sont soumis à deux ou seule- ment quelques diffusions avec des angles de diffusion d'amplitude considérable et qui atteignent le détecteur 11 sans passer par le volume de réflexion. De tels quanta peuvent par exemple suivre le trajet L-2-M ou L-3-M. Ces quanta qui, en moyenne, proviennent d'une profondeur plus petite ont une énergie qui, en moyenne, est quelque peu supérieure à l'énergie des quanta du groupe A. Groupe C: les quanta qui sont soumis à de nombreuses diffusions habituellement sans passer par le volume de réflexion. Ces quanta présentent une énergie moyenne beaucoup plus faible que l'énergie des quanta des groupes A et B. Toutefois, une petite partie des quanta du groupe C présente des énergies du même ordre que les quanta des groupes A et B. La figure 5 représente un exemple d'un spectre gamma mesuré par le détecteur. Toutefois, le spectre dépend de la pro- fondeur souhaitée de mesure. Si cette profondeur.x est inférieure à 10 cm, la plus grande partie du signal de mesure du détecteur proviendra des quanta du groupe A et sera fonction de la composi- tion et de la densité du matériau en question. Quand la profondeur de mesure est augmentée au delà de 10 cm, le fait que le signal en provenance des quanta du groupe A est atténué exponentiellement, tandis que le signal en provenance des quanta des groupes B et C - est presque constant et dépend seulement dans une faible mesure de la profondeur de la zone de retour, impliquera bient8t que les signaux du détecteur sont dominés par les quanta.des groupes B et C. -En modifiant la forme géométrique de sorte que la ligne centrale des collimateurs de la source et du détecteur ne soit plus dans le même plan, le signal de mesure est en principe seulement dû aux quanta du groupe C. Ce procédé est décrit dans la demande de brevet des Etats-Unis d'Amérique N 4 034 218. Comme cela est - représenté en figure 1 de cette demande de brevet, le signal de mesure sera, après le changement de géométrie décrit, entièrement exempt du renflement provenant des quanta des groupes A et B. En déduisant le signal de mesure après le changement de géométrie décrit à partir du signal de mesure avant le changement, un signal est obtenu qui provient essentiellement des quanta des groupes A et B. Pour des profondeurs de mesure inférieures à environ 10 cm, ce signal sera, comme cela a Eté décrit ci-dessus, dominé par les quanta du groupe A. Pour des profondeurs plus grandes, les quanta du groupe B seront rapidement dominants, et le signal de mesure obtenu sera en-conséquence pratiquement indépendant de la profon- deur de mesure. Le procédé décrit dans la demande de brevet des- Etats-Unis d'Amérique N 4 034 218 n'est en conséquence pas adapté à la mesure de la densité de couches de matériaux d'épaisseurs supérieures à environ 10 cm. Selon la présente demande de brevet, les lignes d'axe des collimateurs de source de détecteur seront toujours dans le même plan. En utilisant pour cette configuration géométrique la différence entre le résultat de mesure correspondant à la profon- deur de mesure désirable et le résultat de mesure correspondant à une profondeur de mesure quelque peu supérieurs, on obtient un signal qui est pratiquement uniquement déterminé par les quanta du groupe A qui sont diffuses à la profondeur souhaitable de mesure. Les contributions des quanta des groupes B et C seront, dans les deux signaux de mesure, de valeur sensiblement égale et se neutra- liseront ainsi mutuellement, tandis que-la contribution des quanta du groupe A qui sont diffuses à une profondeur plus grande sera très petite en raison de l'atténuation exponentielle supplémen- taire a laquelle-ces quanta sont soumis par suite de la profondeur plus grande. Ce procédé rend possible de mesurer la densité à une profondeur considérablement plus grande qu'antérieurement. Les informations quant à la variation de la densité avec la profondeur peuvent en outre être obtenues sur la base du spectre gamma mesuré. - - - La présente invention va être décrite plus en-détail ci- dessous en relation avec les dessins joints parmi lesquels: la figure 1 représente un équipement de mesure connu comprenant une sonde insérée dans la surface de la terre; la figure 2 représente un équipement de mesure selon la présente invention; la figure 3 représente le mode de fonctionnement de l'équipement de mesure représenté en figure 2; la figure 4-représente le spectre d'énergie des quanta détectés; la figure 5 représente le groupement des quanta selon le nombre de diffusions; et la figure 6 représente la façon dont le spectre peut être analysé par soustraction. Un exemple d'utilisation de mesures de densités gamma est décrit dans ce qui suit. - Lors d'une construction de route,' il est très important- que le substrat de la route soit suffisamment compacté, et des moyens considérables sont utilisés pour le contr81e du compactage. Il est connu de réaliser ce contr6le au moyen du procédé dit de "remplissage de sable". Selon ce procédé, un trou d'une profondeur de 15 cm est creusé, après quoi la densité et le çontenu en eau du matériau extrait sont déterminés en remplissant le trou de sable - d'une densitébien définie et en séchant le sable extrait. Ce procédé requiert toutefois beaucoup *de travail. En outre, le résultat de la détermination du contenu en eau n'est pas dispo- nible avant une journée. Il est également connu d'utiliser des sondes nucléaires pour déterminer la densité et le contenu en eau d'un substrat de route. Ces sondes fournissent un résultat rapide mais de qualité -moyenne. - 'À La densité superficielle du strate terrestre est déterminée:au moyen de sondes nucléaires ou bien-par le procédé de rétrodiffusion ou bien par le procédé de transmission. - - Dans ie procédé habituel-de- rétrodiffusion (utilisant' des collimateurs) une source de rayons gamma a la surface émet des quanta gamma dans le strate au niveau duquel les quanta sont diffusés, après quoi ils peuvent atteindre un détecteur de rayons gamma également situé à la surface. Le détecteur de rayons gama est protégé par un écran du rayonnement direct en provenance'de la &2810 source de rayons gamma. Pour des densités supérieures à environ 1 g/cm3, la vitesse de comptage du détecteur diminue quand la densité terrestre augmente. Un nombre accru d'atomes par unité volumique empêchera les quanta gamma d'atteindre le détecteur et, simultanément, la probabilité d'absorption des quanta gamma augmentera. L'avantage du procédé de rétrodiffusion est qu'il ne perturbe pas la surface de la route. D'autre part, la rétrodif- fusion habituelle indique seulement la densité des 4 à 6 cm supérieures ce qui n'est pas suffisant pour des tests de compac- tage de terre. Dans le procédé par ttanseission (voir figure 1) une tige 20 portant une source gamma 21 dans sa tête est plantée à 15 à 20 cm dans le strate. De là, les quanta gamma de la source peuvent atteindre le détecteur gamma 11. La vitesse de comptage enregistrée dépend de l'atténuation du strate qui est elle-même déterminée par la densité du strate. Plus la densité est grande, moins la vitesse de comptage l'est en raison de l'augmentation d'atténuation. L'avantage du procédé par transmission est qu'il mesure la valeur moyenne de la densité de la terre de la source 21 au détecteur 11. L'insertion de la tige peut par contre être dif- ficile, parfois impossible, si le strate contient de nombreuses pierres ce qui est normalement le cas en ce qui concerne les matériaux de construction de route. Le procédé est en outre inapplicable si- la mesure doit être réalisée par exemple sur de l'asphalte, du béton ou d'autres matériaux solides. Le procédé décrit ici est basé sur la diffusion Compton de quanta gamma. Dans ce procédé, un faisceau de rayonnement gamma collimaté est émis dans le milieu en question, dans lequel les quanta-gamma sont diffusés (voir figure 2). En mesurant seulement les quanta du groupe A diffuses dans une profondeur allant jusqu'à environ 25 cm, une v-itesse de comptage est obtenue qui est classi- que pour la densité moyenne du milieu jusqu'à cette profondeur. L'énergie des quanta du groupe A est proche de la valeur calculée par la formule de Compton: E Y = Eo/[l + (Eo/0,511)(1-cos e)] (E en MeV) Eo est l'énergie des quanta-gamma émis par la source et e est l'angle indiqué en figure 2. Ce procédé assure que seuls les quanta du groupe A ayant une énergie d'environ Ey sont mesurés. L'agencement de mesure utilisé est tel que représenté en -figure 2. Le rayonnement gamma en provenance de la source K (environ 30 mcurie de 137Cs) est émis uniformément dans toutes les directions. Le collimateur de la source a un angle d'ouverture d'environ 3 x 6 , tandis que le collimateur du détecteur 11 a un angle d'ouverture d'environ 3 x 8 . Les quanta gamma atteindront les circuits auxiliaires seulement s'il sont dirigés à travers le collimateur. Les quanta restants sont absorbés par l'écran A. Un faisceau de rayonnement monochromatique est ainsi émis à partir de la source dans un angle solide étroit. La direc- tion du rayonnement peut être modifiée en réglant une poignée H. Il existe N réglages différents correspondant à N profondeurs de mesure différentes, par exemple N = 3, 6, 10, 15, 25 et 35. Comme cela est représenté dans la figure, le faisceau de rayonnement est gmis dans le matériau dont la densité doit être déterminée. Pen- dant le passage dans le matériau, une partie des quanta gamma dans le faisceau de rayonnement peut être diffusée ou absorbée. La par- tie diffusée dépend dans une mesure notable de la densité du matériau provoquant la diffusion. Quand le rayonnement atteint la profondeur souhaitable de mesure, il est atténué d'une certaine quantité selon la densité du matériau.- Pendant le passage du volume de réflexion V, une partie des quanta gamma est diffusée en s'écartant du faisceau de rayon- nement en fonction de la densité de la substance. Une partie plus petite de rayonnement diffusé V sera dirigée vers le détecteur gamma. Sur son trajet, lerayonnement est encore amorti.en fonc- tion de la densité du matériau. L'intensité de rayonnement atteignant le détecteur dépendra ainsi fortement (presque expo- nentiellement) de la densité de l'objet a mesurer. Comme cela a été mentionné, le rayonnement des quanta gamma s'écartant du faisceau lumineux pendant le passage d'un matériau dépend de la densité du matériau. La dépendance est la même pour tous les matériaux, sauf les matériaux contenant de l'hydrogène ainsi que des atomes lourds. Ceci est dû au fait que les quanta gamma sont diffuses par des électrons, et la probabi- lité de diffusion est proportionnelle à la densité électronique Ne dans le matériau. Ne est indiqué par la formule: Ne = NAvP Z/A o NAv est le nombre d'Avogrados, e la densité, Z le numéro atomi- que et A le nombre de masse. A part pour l'hydrogène, pour tous les atomes pas trop lourds on a Z/A # 0,5, raison pour laquelle N est proportionnel à Q. Pour l'hydrogène, il apparaît que Z/A # 1. Ceci implique que pour l'eau (H20) Z/A = (1 + 1 + 8)/(1 + 1 + 16) = 0,55 c'est-à-dire de 10% plus grand. En relation avec les calculs de rayonnement gamma, il est ainsi nécessaire de corriger la capacité anormalement grande de l'eau à diffuser le rayonnement gamma en utilisant dans les calculs une densité corrigée de 1100 kg/m3. Le rayonnement à mesurer consiste en les quanta du groupe A qui sont diffusés dans le volume de réflexion V. L'intensité de ce rayonnement est sensiblement déterminée par la densité moyenne le long du trajet de rayonnement dans le matériau. -Le détecteur est muni d'un collimateur servant à éliminer par filtrage tout rayonnement gamma autre que le rayon- nement ayant la direction convenable, c'est-à-dire la direction allant du volume de réflexion vers le détecteur. Au moyen d'un écran et de collimateurs, la majorité du rayonement indésirable est éliminée par filtrage. Ilin'est toute- fois pas possible, par le seul effet géométrique d'éliminer par triage tous les quanta gamma indésirables. Les quanta qui ont été diffusés deux fois ou plus (groupe B et C), qui ne pénètrent pas loin dans le matériau, mais qui, lors de la dernière diffusion, sont dirigés vers le haut à travers le collimateur du détecteur (voir figure 3) seront également détectés, mais ils contiennent seulement des informations quant à la densité jusqu'à la profon- deur qu'ils ont atteinte. Le procédé suivant est utilisé pour mesurer les seuls quanta du groupe A. Avec l'agencement de mesure représenté en figure 3, le faisceau de rayonnement L est émis à partir du collimateur de la source, ce faisceau étant amorti exponentiellement pendant le passage de l'objet en cours de mesure. J. Cet amortissement est sensiblement dû à la diffusion Compton, par laquelle Ies quanta gamma sont diffuses en dehors du --faisceau de rayonnement L. Quand les quanta sont émis dans toutes les directions, certains d'entre eux seront dirigés vers le - détecteur. En raison du collimateur du détecteur, seuls les quanta suivant l'axe du collimateur M atteindront le détecteur et transmettront un signal. ' Si le détecteur détecte seulement des quanta du groupe A, le résultat de la mesure constituera une expression de la densité moyenne dans la zone de profondeur allant de O à x. Un quantum gamma émis peut toutefois suivre également le trajet L-2-M ou L-3-M. Ces quanta sont diffuses plus d'une fois (ici deux et trois fois). Si des mesures étaient réalisées seule- ment sur ces quanta, il est clair que seulement des informations quant à la densité de O à xl seraient obtenues et non comme on le souhaite de 0 à x.- On peut montrer que si la profondeur désirée de mesure est inférieure à environ 10 cm, la plus grande partie du signal de mesure aux densités et compositions normales proviendra des quanta du groupe A. Ceci est dû à la faible probabilité pour que des quanta du groupe B atteignent le détecteur quand ils sont soumis a deux diffusions ou plus et qu'il se dirigent finalement dans la -direction convenable. - ' -' - uand la profondeur de mesure x est augmentée, le fait' que le signal en provenance des quanta du groupe A est amorti exponentiellement, tandis que-les signaux en provenance de quanta '' - des groupes -B et C sont-presque constants, conduit bient8t au fait que le signal du détecteur est dominé par le signal en provenance des quanta indésirables des groupes B et C qui-n'atteignent pas la profondeur souhaitée. En utilisant la formule de Compton sur les quanta des groupes A et B, il est représenté que des quanta du groupe B contiennent normalement plus d'énergie que les quanta du groupe A. Les quanta du groupe C auront normalement une énergie considéra- blement moindre. Un spectre gamma typique, tel qu'enregistré par le détecteur est représenté en figure 4. La partie du spectre con- tenant des informations en ce qui concerne la densité entre 0 et x est présentée en hachures. La flèche indique l'énergie des quanta du groupe A selon la formule de Compton. Il apparaît que le pic est déplacé vers des énergies plus élevées. Ceci est dû au fait que les quanta du groupe B ont des énergies dans le même inter- valle (quelque peu plus élevées) et décalent en- fait le signal désiré. Le spectre de la figure 4 peut être interprété comme constitué de trois parties telles que représentées en figure 5. La zone A indique le signal de mesure désiré en provenance des quanta du groupe A. La zone B indique le signal en provenance des quanta du groupe B (diffusions multiples) et les quanta d'émission photo- électrique dans le collimateur du détecteur et à.partir du rayon- nement naturel de fond. En utilisant deux mesures, l'une corres- pondant à la profondeur de mesure x et l'autre à la profondeur de mesure x+y, o y est typiquement de 10 cm, on obtient que, dans le cas o la profondeur de mesure est x+y, le signal en provenance des quanta du groupe A disparaîtront en pratique, tandis que le signal est amorti pendant le passage de 2 x 10 cm supplémentaires. Dans les mesures x+y, le signal dû aux quanta des groupes B et C seront par contre pratiquement inchangées car ces quanta se déplacent à des profondeurs considérablement plus faibles et que leurs orientations sont presque inchangées. Ensuite, en effectuant la différente entre les résultats des deux mesures (x et x+y), un Y résultat de mesure est obtenu de façon simple et correspond aux quanta du groupe A (voir figure 6)- et, sur la basé de cette différence, il est possible de déterminer la densité moyenne de l'objet de mesure de la profondeur 0 à la profondeur x. ANALYSE-SPECTRALE DU RESULTAT DE MESURE A partir d'une analyse spectrale de crête, une infor- mation A+B est obtenue en ce qui concerne la variation de densité avec la profondeur pour des profondeurs plus grandes. Ceci est également le cas quand on adopte des mesures de profondeurs plus faibles. Dans ce qui suit, une analyse spectrale désigne une ana- lyse de la forme du spectre provenant de la mesure (spectre d'énergie en fonction de l'énergie gamma). La figure 5 montre que la partie du spectre dans laquelle est située la zone A, est seulement partiellement conforme à l'intervalle d'énergie dans lequel la zone B est située. L'énergie moyenne de la zone B est supérieure à l'énergie moyenne de la zone A. Le nombre de comptages dans la zone B dépend de la densité moyenne dans l'intervalle de profondeur entre O et xl (voir figure 3). Des vitesses de comptage supérieures dans la zone B sont obtenues en relation avec une densité moyenne plus faible de 0 à x1. Il est ainsi possible, à partir du nombre de comptages de l'intervalle d'énergie dans lequel B prédomine, de calculer la densité moyenne pour la profondeur allant de O à xl, e(0-xl) (voir figure 4). Comme cela a été décrit ci-dessus, la densité moyenne à partir de la profondeur O jusqu'à xl, P (O-xl) peut être détermi- née en déterminant le nombre de comptages dans la zone A. Sur la base de P(O-xl) et de P(O-x) la densité moyenne du substrat dans la profondeur allant de x1 a x, P(xl-x), peut être déterminée par la formule: P (xl-x) [ P(O-X) X- 9(O-xl)xi]/(x-xl) Sur la base de la formule de Compton, on peut montrer qu'un quantum gamma diffuse, comme cela est désigné par "3;' en figure 3 (trois diffusions) aura une énergie plus importante qu'un quantum diffuse de lé façon représentée en "2" en figure 3 (deux diffusions)-. Les deux quanta appartiendront aux quanta du groupe B. On peut montrer que les quanta diffusés trois fois du groupe B et détectés ont en moyenne atteint une profondeur maximale plus faible que les quanta correspondant diffuses deux fois. Il s'avère de façon générale que les quanta diffuses N fois atteignant le détecteur proviendront d'une profondeur moyenne supérieure aux quanta diffusés N1 foiets. 2582 810 Le signal provenant des quanta du groupe B peut en conséquence être divisé en intervalles d'énergie. Le nombre de comptages de chaque intervalle contient des informations quant à la densité jusqu'à une certaine profondeur, et plus l'énergie des intervalles est élevée, moins la profondeur correspondante l'est. En divisant la zone d'énergie des quanta du groupe B en un nombre convenable d'intervalles et en analysant le nombre associé de comptages, il est possible de calculer la densité moyenne dans les intervalles de profondeurs correspondants à par- tir de la surface jusqu'à la profondeur totale de mesure. En utilisant la méthode des moindres carrés, une fonc- tion convenablement choisie peut fournir une approximation du spectre gamma des quanta du groupe B. Les valeurs atteintes-des Caistates de l'adaptateur contiennent des informations quant à la variation de la densité avec la profondeur. Au moyen de ces constantes, il est possible d'estimer la densité à une profondeur souhaitable et la variation de la densité avec la profondeur peut être calculée de façon continue. Le procédé d'analyse décrit ici s'applique en pratique à toutes les profondeurs de mesure. REVENDICATIONS 1. Procédé de détermination de la densité de substrats au moyen d'une- source de rayonnement (10) comprenant un collima- teur et d'un détecteur (11) comprenant un collimateur, selon lequel la direction du rayonnement peut être modifiée par rapport a la direction-de détection et le changement du signal détecté peut être- mesuré, caractérisé en ce que la direction du rayon- nement et la direction de détection sont toujours sensiblement - dans le même plan. 2. Procédé selon la revendication 1,- caractérisé en ce que seulement l'angle du rayonnement émis est changé et en ce que le résultat de la mesure est obtenu par la différence entre les résultats de mesures pour deux angles quelque peu différents (profondeurs différentes). 3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la source de rayonnement utilisée est une source au Cs137 émettant un rayonnement gamma d'une énergie de 0,662 MeV ou une autre source de rayonnement émettant des quanta-gamma dans une gamme d'énergie-de 0,2 à 2-MeV. --4. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que la source de Cs137 a une intensite de l'ordre 30 mcurie. - 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications-l a 4, caractérisé en ce que le collimateur de la source (10) a un - angle d'ouverture d'environ-3 x _6 , tandis que le collimateur du détecteur (11) a un angle d'ouverture d'environ 3 x 8'. 6- Procédé selon l'une quelconque des revendications 1-à --- 5, caractérisé par un angle spectral 'de-l'ordre de 80.keV autour de l'énergie gamma correspondant à' un rayonnement -diffusé une seule -fois calcul. àu moyen de la formule'de Compton -du rayon- -:- nement diffusé.. -30 -.7. Procédé -selon l'une quelconque des revendications 1 a 6, caractérisèen ce que les densités moyennes-de deux intervalles de profondeur sont calculées sur la base des comptages dans deux intervalles d'énergie. 8. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le spectre est divisé en un grand nombre d'intervalles d'énergie pour calculer la variation de densité avec la profondeur dans de petits intervalles.