Brevet FR2598816A1 — publié le 19871120

La présente invention concerne le secteur technique des débitmètres, ou radiamètres, et dosimètres utilisés dans le domaine nucléaire et plus particulièrement celui de la compensation spectrale des détecteurs à semi-conducteurs, par exemple au silicium ou au tellurure de cadmium, équipant ces appareils. Ces derniers permettent d'effectuer le comptage d'un rayonnement gamma incident, leur réponse devant être indépendante, avec une certaine tolérance, de l'énergie de ce rayonnement. Cette contrainte d'indépendance est l'un des problèmes majeurs à résoudre dans ce domaine. En effet, la réponse d'un détecteur nu , c'est à dire sans aucune compensation, en fonction de l'énergie du rayonnement gamma incident n'est pas plane, et l'on observe des variations importantes de réponse, par exemple écarts de facteur 2 pour le silicium, de facteur 5 pour le tellurure de cadmium, entre les réponses à basse et à haute énergie, en faveur des réponses à basse énergie. Les solutions simples existantes, et que l'on peut combiner, pour atténuer ces écarts sont - soit de placer autour du détecteur une filtration métallique, mais les faibles dimensions du détecteur ne permettent pas de jouer sur l'hétérogénéité de ce blindage pour rendre ce procédé très efficace, - soit de sélectionner un seuil minimal d'amplitude des impulsions.En effet ces détecteurs, pour chaque énergie incidente, restituent des impulsions ayant une certaine répartition d'amplitude similaire à la répartition indiquée sur la figure (1) donnée en exemple, - où le détecteur utilisé est une photodiode en silicium RCA de 5 mm2 de surface - où est portée en abscisse la valeur du seuil sé lectionnée (exprimée en équivalent énergie) de 0 à 300 keV - où est portée en ordonnée la réponse normée du dé tecteur - la réponse à 30 keV étant prise arbi trairement et uniformément égale à l'unité, - où les courbes C1, C2, C3, C4 correspondent res pectivement à des énergies de réference de 65, 83, 161 et 660 keV. L'électronique associée au détecteur comprend, entre autres, un discriminateur qui permet de sélectionner le seuil minimal d'amplitude des impulsions, le choix de ce seuil permettant - de limiter le domaine de mesure de l'appareil à la plage d'énergie de rayonnement demandée (souvent de 80 keV à 3 MeV) - de diminuer, par un choix judicieux du seuil, les varia tions de réponse en fonction de l'énergie incidente, la figure (2) donnée en exemple mettant en évidence les différentes courbes de réponse spectrale que l'on peut obtenir en faisant varier le seuil, figure - où est portée en abscisse l'énergie du rayonne ment incident, en échelle logarithmique de 10s 200 keV - -où est portée en ordonnée la réponse du détec teur, de O à 320 (c/s)/ (rd/s) - où les courbes C5, C6, C7, C3, correspondent res pectivement aux seuils de 45, 57, 77 et 96 keV. Cependant ces deux types d'amélioration ne permettent, même combinées, et dans le meilleur des cas, qu'une réponse plane à +30% pour un détecteur au silicium, et ce avec un réglage très soigné, les chiffres plus fréquemment obtenus étant de +40*. Par ailleurs, on a proposé d'autres solutions pour résoudre le problème posé. Le brevet FR 2 314 505 enseigne d'effectuer la compensation spectrale par l'association de plusieurs détecteurs. Le procédé décrit met en oeuvre une ou plusieurs unités de détection, chacune d'elles comprenant une pluralité de détecteurs dissemblables entre eux, mis en parallèle, exposes simultanément au rayonnement, et électriquement associés pour délivrer un signal de réponse indépendant au spectre de rayonnement incident. Cette sensibilité constante serait obtenue par l'association de détecteurs présentant des réponses spectrales différentes, de manière à créer une compensation entre les inégalités de sensibilité individuelles dues soit à leur nature, soit à leur environnement, soit à leurs caractéristiques de fonctionnement. A chaque unité de détection sont associés un préamplificateur, un circuit de ddclenchement à seuil, une unité de comptage et de mémorisation; La manière dont sont sélectionnées les composantes de cette association, opération fondamentale d'une compensation effective, n'est pas décrite. Aucun exemple de réalisation n'est donné. Les brevets FR 2 492 989 et 2 502 342 enseignent d'effectuer la compensation spectrale par l'application d'une. conversion amplitude-temps des impulsions reçues puis d'une loi de correction au spectre ainsi obtenu. Le dispositif proposé comporte essentiellement un circuit de mise en forme (par exemple trigger de Sc!lmidt) produisant des impulsions sous forme de créneaux doit la durée est proportionnelle - dans l'exemple donné - à anergie du rayonnement émis. La durée de ces impulsions est ensuite convertie en nombre d'impulsions réparties en classes à l'aide d'une horloge à fréquence fixe. La compensation est alors assurée par une mémoire programmable qui attribue, suivant une loi choisie en fonction du détecteur, un poids plus élevé à la classe élevée, donc aux fortes énergies, ce qui permet de compenser 1'hyper-sensibilité des détecteurs aux faibles énergies. Un autre mode de réalisation dérivé introduit une horloge à fréquence croissante qui réalise la même fonction que la mémoire programmable précitée. Un dernier mode proposé introduit un amplificateur à gain variable en sortie du détecteur, gain modulé pour donner plus de poids aux fortes impulsions qu'aux faibles. Ces brevets qui mentionnent l'éventualité d'autres moyens de compensation ne décrivent en fait que les moyens exposés ci-dessus. Les inconvénients des solutions précitées sont soit leur relative inefficacité, soit leur complexité. Le but de la présente invention est de réaliser un dispositif de compensation simple, ne nécessitant pas l'emploi de plusieurs détecteurs ni d'une électronique très sophistiquée, et pouvant être utilisé indistinctement pour les dosimb- tres et les débitmètres. L'invention a pour objet un procédé permettant d'assurer la compensation spectrale d'un détecteur à semiconducteurs utilisé dans des radiamètres et dosimètres, dont la mise en oeuvre comporte de façon connue des dispositifs d'amplification du signal, caractérisé : - en ce que cette mise en oeuvre comporte un dis criminateur dont le niveau de seuil est appliqué pendant un temps déterminé et est commandé exté rieurement par un système préprogrammé, - en ce que les différents niveaux de seuil et leur temps respectif d'application au détecteur sont déterminés par la nature du détecteur utilisé et par la tolérance admise sur la courbe de réponse spectrale, - en ce que les mesures effectuées pour chaque ni veau de seuil sont affectées d'un coefficient cor recteur déterminé par la nature du détecteur utilisé et par la tolérance admise sur la courbe de réponse spectrale. D'autres caractéristiques de l'invention apparattront dans la description suivante du mode de détermination des niveaux de seuil et des coefficients correcteurs les mieux adaptés pour un détecteur ou un lot de détecteurs On déterminé pour ce détecteur les courbes Nx=fx (S) d'évolution du comptage en fonction du seuil S appliqué, pour les différentes énergies de référence X. Pour ce faire on effectue les mesures de comptage pour des énergies de référence du rayonnement incident, par exemple énergies à rayonnement X et gamma de référence définis par 1'AFNOR, soit - Série de rayonnements X filtrés à spectres étroits avec en autres les énergies 83, 100, 118, 161, 205, 233 keV - 660 keV (raie du Cs 137) - 1250 keV (énergie moyenne de raies 1173 keV et 1332 keV du Co 60) en appliquant au détecteur un ensemble de valeurs discrètes du seuil, par exemple S = 50, 60, 80, 100, 150, 200 keV. Ces mesures s'effectuent à débit de dose constant, pour lrd/h. On calcule pour un ensemble discret de valeurs croissantes du seuil S1, S2, ... Si et pour un ensemble discret de valeurs du coefficient k, soit K1, k2, ...ki la valeur Nx =kifX(Si)- Les valeurs des seuils et des coefficients sont choisies de manière que l'erreur Nx - NCs soit inférieure à la NCs tolérance admise sur la courbe de réponse spectrale, NCs étant la valeur mesurée de Nx pour le Cesium 137. On limite avantageusement le nombre de calculs en choisissant quelques seuils seulement et .la gamme de coefficients suivants - kl compris entre 1 et 10 - les coefficients suivants compris entre 0 et 10. Par exemple, pour les détecteurs au silicium, on choisira - S1 compris entre 50 et 80 keV. La limite inférieure de cette plage est fixée par le bruit électronique. La limite supérieure correspond à la gamme d'énergie de rayonnement prise en compte pour le débitmètre (souvent de 80 keV à 3 MeV). - S2 6 150 keV - S3 ; 200 keV. Au delà de 200 keV le comptage risquerait de ne plus être significatif du point de vue statistique. On obtient ainsi, pour des détecteurs au silicium, pour deux seuils à 50 et 170 keV, et des coefficients kl = 1 et k2 = 3, une erreur maximale de 24% alors qu'avec un seul seuil l'erreur ne descend pas en dessous de 60%. Le dispositif mettant en oeuvre le procédé objet de l'invention, et dont un schéma est donné en figure (3) comporte de façon connue un détecteur-amplificateur 1 du signal, un amplificateur 2, un compteur 4. I1 est caractérisé en ce qu'il comporte également un système de programmation 6 pilotant un discriminateur 3 en niveau de seuil et en temps de comptage et un système de traitement 5 affectant à chaque comptage un coefficient adapté au niveau de seuil, et effectuant la somme des comptages ainsi pondérés. Une horloge 7 donne l'information temps au système de programmation 6, au système de traitement 5 et au compteur 4. Deux solutions de traitement sont envisageables. La première consiste à effectuer le comptage pour chaque seuil pendant des temps identiques, de stocker les comptages obtenus dans des mémoires différentes correspondant à chaque valeur du seuil et contenue dans le système de traitement 5, ce dernier multipliant chaque comptage par le coefficient correspondant au niveau de seuil choisi, puis effectuant la somme des comptages ainsi pondérés. Le deuxième consiste à effectuer le comptage pour chaque seuil pendant des temps respectivement proportionels aux coefficients k correspondant aux seuils choisis, le système de traitement effectuant la somme sans pondération de ces comptages mis en mémoire; Le temps de comptage élémentaire est choisi aussi petit que possible, par exemple de l'ordre de 100 ms, mais au moins égal à la largeur maximale de l'impulsion. - REVENDICATIONS 1 - Procédé permettant d'assurer la compensation spectrale d'un détecteur à semi-conducteurs utilisé dans des radiamètres et dosimètres, dont la mise en oeuvre comporte de façon connue des dispositifs d'amplification du signal, caractérisé - en ce que sa mise en oeuvre comporte en outre un discriminateur dont le niveau est appliqué pen dant un temps déterminé et est commandé exteri- eurement par un système préprogranuné, - en ce que les différents niveaux de seuil et leur temps d'application au détecteur sont déterminé par la nature du détecteur utilisé et par la tolé- rance admise sur la courbe de réponse spectrale, - en ce que les mesures effectuées pour chaque ni veau de seuil sont affectées d'un coefficient cor recteur déterminé par la nature du détecteur uti lisé et par la tolérance admise sur la courbe de réponse spectrale. 2 - Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que les niveaux de seuil et les coefficients sont déterminés pour un détecteur ou un lot de détecteurs de la manière suivante - on détermine pour ce détecteur les courbes NX=fX(S) d'évolution du comptage en fonction du seuil S appliqué pour les différentes énergies de référence X, en effectuant les comptages pour un ensemble de valeurs discrètes du seuil appliqué par exemple S = 50, 60, 80, 100, 15ss, 200 keV -, et pour les énergies de référence - par exemple raies X définies par 1'AFNOR soit 83, 100, 118, 161, 205, 233 keV et raies du Cs137 à 660 keV, et du Co60 à 1250 keV - une interpolation permettant d'obtenir les comptages pour toutes les valeurs de seuils intermédiaires, le débit de dose étant constant, par exemple 1 rd/h, - on calcule pour un ensemble discret de valeurs croissantes du seuil S1, S2 ... Si et pour un en semble discret de valeurs de coefficients kl, k2 .. ki la valeur Nx = kifX(Si), - on choisit les valeurs des seuils et des coeffi cients de manière que l'erreur Nx-NCs soit infé- NCs rieure à la tolérance admise sur la courbe de ré ponse spectrale, NCs étant la valeur mesure de Nx pourle Cesium 137. 3 - Dispositif de débitmétrie ou dosimétrie, mettant en oeuvre le procédé suivant les revendications 1 à 2, comportant de façon connue un détecteur préamplificateur 1 du signal, un amplificateur 2, un compteur 4, caracterisd en ce qu'il comporte également un système de programmation 6 pilotant un discriminateur 3 en niveau de seuil et en temps de comptage, et un système de traitement 5, affectant à chaque comptage le coefficient adapté au niveau de seuil, et effectuant la somme des comptages ainsi pondérés. 4 - Dispositif suivant les revendications 2 ou 3, caractérisé en ce que les temps de comptage sont identiques pour chaque seuil, les coefficients étant affectés par le système de traitement à chaque comptage. 5 - Dispositif suivant les revendications 2 ou 3, caractérisé en ce que les temps de comptage sont respectivement proportionnels aux coefficients, le système de traitement n'effec-tuant aucune pondération des comptages effectués. 6 - Dispositif suivant les revendications 4 ou 5, caractérisé en ce que le temps de comptage élémentaire est choisi aussi petit que possible, par exemple de l'ordre de 100 ms, mais au moins égal à la largeur maximale de l'impulsion.