Brevet FR2614430A1 — publié le 19881028

DOSIMETRE A CAPTEUR DE PRESSION, POUR FAISCEAUX PULSES DE PARTICULES ET PROCEDE D'UTILISATION DE CE DOSIMèTRE DESCRIPTION La présente invention concerne un dosimètre à capteur de pression, pour faisceaux pulsés de particules ainsi qu'un procédé d'utilisation de ce dosimètre. Elle s'appliqué notamment à la caractérisation d'une source pulsée de particules. Ces particules peuvent être des électrons ou des photons X ou gamma, ou meme des protons ou des neutrons. La durée de chaque impulsion ou bouffée de particules peut être inférieure ou égale à 1 microseconde. Les particules du faisceau peuvent avoir des énergies comprises entre I keV et 10 MeV. On connait déjà un dosimètre destiné à être utilisé avec un faisceau pulsé de particules et comprenant un matériau prévu pour absorber ces particules et muni d'un empilement de lames minces qui sont associées à des thermocouples. On utilise par exemple des lames de graphite tant que l'énergie massique absorbée par le matériau ne dépasse pas 6kJ/g. Un tel dosimètre présente les inconvénients suivants il s'agit d'un dosimètre compliqué, qui nécessite un empilement de calorimètres et qui n'est pas utilisable pour la mesure de fortes énergies massiques absorbées. La présente invention a pour but de remédier aux inconvénients précédents en proposant un dosimètre pour faisceaux pulsés de particules, dont la structure est beaucoup plus simple (ce dosimètre pouvant etre considéré comme "monolithique"), qui est facile à utiliser et peut être employé pour effectuer des mesures dans un domaine beaucoup plus étendu d'énergies massiques absorbées et notamment des énergies très supérieures à 6kJ/g, le dosimètre de l'invention pouvant être réalisé de façon à fournir un signal avant d'être détruit avec de telles énergies. De façon précise, la présente invention a pour objet un dosimètre destiné à etre utilisé avec un faisceau pulse de particules, caractérisé en ce qu'il comprend - un bloc d'un matériau dont une face est destinée à être exposée au faisceau et dont l'épaisseur est suffisamment importante pour arreter sensiblement tout le faisceau, et - un capteur de pression qui est placé au contact de l'autre face du bloc de matériau et prévu pour fournir, lorsque ladite face du bloc de matériau est exposée au faisceau, un signal électrique permettant la détermination des variations de l'énergie massique absorbée par le bloc de matériau, en fonction de la profondeur. Lorsque ladite face du bloc de matériau est exposee au faisceau de particules, ce bloc est le siège de contraintes thermiques qui se propagent vers son autre face et le signal fourni par le capteur permet de déterminer l'évolution temporelle de la pression en cette autre face. Comme on le verra plus en détail par la suite, on peut alors déduire, de cette évolution temporelle de la pression en l'autre face du bloc de matériau, des paramètres caractéristiques de l'énergie massique absorbée en fonction de la profondeur x, énergie qui est notée Q(x). Le dosimètre objet de la présente invention est ainsi utilisable pour caractériser une source pulsée de particules ou pour prévoir le profil d'énergie massique absorbée par une cible de nature différente du matériau utilisé dans le dosimètre de l'invention. De'préférence, le bloc de matériau a la forme d'un cylindre dont le diamètre est au moins égal à environ quatre fois l'épaisseur de ce cylindre. La partie centrale du bloc de matériau est ainsi protégée de détentes latérales de contraintes thermiques résultant de l'impact du faisceau de particules sur le bloc de matériau. Avec ce bloc de matériau, on peut utiliser tout capteur de pression approprié, par exemple une résistance piézorésistive en manganin ou en carbone, et notamment un capteur de type piézoélectrique (qui peut comporter un cristal piézoélectrique en quartz). De préférence, lorsque le capteur est de type piézoélectrique, ce capteur comprend un élément en quartz dont une face est en contact avec l'autre face du bloc de matériau et qui est métallise sur toute sa surface excepté sur une portion de son autre face, cette portion formant un anneau de garde autour d'une zone de l'autre face de l'élément et le signal est capté en cette zone. Ledit matériau peut etre un métal tel que AI, Mg ou Ti, ou un alliage de l'un de ces métaux mais dans un mode de réalisation préféré du dosimètre objet de l'invention, - le matériau est de la silice, un tel matériau engendrant des pressions beaucoup plus faibles et donc plus facilement mesurables que d'autres matériaux tels que les métaux. La présente invention concerne également un procédé de détermination de l'énergie massique Q(x), absorbée par le bloc de silice de ce dernier dosimètre exposé à un faisceau pulsé de particules, en fonction de la profondeur x, L'énergie Q(x) étant écrite sous la forme KF exp(-KDx), D étant la masse volumique de la silice utilisée, et K et F deux paramètres dépendant du faisceau, Q(O) étant compris entre 6 et 80 kJ/g environ, procédé caractérisé en ce que :: - l'on détermine à partir dudit signal, la courbe des variations de la pression en ladite autre face du bloc de silice en fonction du temps, cette courbe comportant un premier pic et un deuxième pic d'amplitude Pm supérieure à celle du premier pic, - on détermine Pm et l'intervalle temporel R séparant les pics, et - l'on détermine K et F à partir de Pm et R, au moyen d'une correspondance biunivoque préalablement établie entre les couples K,F et les couples Pm,R. La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit, d'un exemple de réalisation donné à titre purement indicatif et nullement limitatif, en référence aux dessins annexés sur lesquels - la figure 1 est une vue schématique d'un mode de réalisation particulier du dosimètre objet de l'invention, dans lequel on utilise un bloc de silice, - la figure 2 est un graphique représentant l'évolution temporelle de la pression sur une face du bloc de silice que comporte le dosimètre représenté sur la figure 1, lorsque - son autre face est exposée à un faisceau de particules, et - la figure 3 est un abaque réalisé au moyen de ce dosimètre et permettant notamment la caractérisation d'une source pulsée de particules, après exposition du dosimètre à cette source. Sur la figure 1, on a représenté schématiquement un dosimètre conforme à l'invention, comprenant un bloc cylindrique de silice 2 dont une face 4 est destinee à autre exposée à un faisceau pulsé de particules, et un capteur de pression 6 qui est un disque en quartz piézoélectrique monocristallin dont l'axe cristallographique X est parallèle à l'axe du bloc cylindrique 2, le disque 6 et te bloc 2 étant coaxiaux. Le bloc de silice 2 est de préférence réalisé en silice de haute pureté par exemple du genre de celle qui est commercialisée par la société ELECTRO-QUARTZ sous le nom TETRASIL ou par la société HERAEUS sous le nom SUPRASIL. En outre, l'epaisseur e du bloc cylindrique 2 de silice est choisie de façon à etre suffisante pour arrêter quasiment tout le faisceau de particules auquel il est exposé. De préférence, le diamètre du bloc 2 est de l'ordre de 4e afin de protéger La partie centrale de ce bloc des détentes latérales des contraintes thermiques engendrées dans le bloc 2 sous l'impact du faisceau de particules. Le disque 6 est complètement recouvert d'une couche. métallique 8 par exemple en or, sauf sur une zone 10 qui forme un anneau de garde et qui sera précisée dans ce qui suit. Le disque 6 a une face référencée 12 qui est collée, par exemple au moyen d'une resine époxyde, sur l'autre face référencée 14 du bloc ou disque 2. L'anneau de garde 10 est coaxial aux disques 2 et 6 et situé sur l'autre face référencée 16 du disque 6. Le dosimètre représenté sur la figure 1 comprend également un bottier métallique 18 par exemple en laiton, qui entoure le disque 6, la périphérie de ce disque 6 étant soudée à l'étain au bottier 18. Un connecteur 20 pour cable coaxial est visse dans ce bottier 18 et la portion 22 de couche 8 qui est entourée par l'anneau de garde 10 est soudée, ou fixée au moyen d'une colle électriquement conductrice, au conducteur central 24 (par exemple en laiton) du connecteur 20, ce conducteur 24 étant bien entendu électriquement isolé du pourtour 26 dudit connecteur. A titre purement indicatif et nullement limitatif, le disque 2 a un diamètre de 40 mm et une épaisseur de 10 mm, la couche 8 a une épaisseur de quelques micromètres et l'anneau de garde 10 a une largeur de 0,1 mm et un diamètre extérieur de 20 mm. Dans une variante de réalisation, le disque 6 est totalement métallisé sur chacune de ses faces 12 et 16 mais pas sur sa périphérie, le boitier 18 est électriquement relié à la face métallisée 12 et électriquement isolé de l'autre face 16, le conducteur central 14 étant soudé à cette autre face 16. Pour déterminer le profil Q(x) de l'énergie massique totale absorbée en fonction de la profondeur x, dans le disque de silice 2, oD est amené à relier le connecteur 20, par l'intermédiaire d'un cable coaxial 28, à la resistance d'entrée d'un enregistreur de tension transitoire rapidement variable 30, cette résistance étant bien entendu adaptée à l'impédance du cable coaxial. On fait l'hypothèse que l'énergie massique totale Q(x) absorbee en fonction de la profondeur x et l'énergie massique E(x,t) absorbée à la profondeur x et au temps t dans le disque 2 sont données par les formules suivantes : Q(x) = K.F.exp(-KD.x) (1) 2 E(x,t) = Q(x).sin (t/(2T)) (2) formules dans lesquelles F représente le flux total absorbé, K est égal à Q(O)/F et D représente la masse volumique normale du matériau utilisé, en l'occurrence la silice, pour laquelle D est 3 égale à 2,2 g/cm , la variable x étant comprise entre O (profondeur nulle correspondant à la face 4 du disque 2) et e (profondeur maximale correspondant à l'autre face 14 du disque 2). Le temps t est compris entre 0 et T, T représentant la durée d'une impulsion ou bouffée de particules du faisceau pulsé. Il est souhaitable que cette durée T soit au plus égale à la durée de fonctionnemént du capteur 6. A cet effet, pour une durée T de l'ordre de 1 microseconde on choisit par exemple un capteur à quartz piézoélectrique de l'ordre de 5 mm d'épaisseur. On peut calculer les variations de la pression Pe(t) mesurée par le capteur à quartz 6 à la profondeur e en fonction temps t au moyen de la formule (2) et des considérations de t Fermomécanique suivantes - on utilise d'une part la relation etablie par MIE et GRUNSEISEN, reliant la pression locale, l'énergie absorbée par unité de masse et la vitesse particulaire dans la silice, cette relation étant adaptée aux etats successifs de la matière à température croissante ;; le paramètre de GRUNEISEN intervenant dans cette relation est pris Écc! à 0,02 de 0 à 1 Ml/kg (état solide) et à -0,02 de 1 à 2 MJ/kg (état pâteux), varie linéairement de C à 0,5 entre 2 et 8 /kg (état liquide) et vaut 1/6 au-delå de 8 M;j/kg (en accord avec la théorie de FERMI des gaz parfaits et des plasma), - on utilise d'autre part les relations classiques de l'hydrodynamique, relatives à la conservation de la masse, de la quantité de mouvement et de l'énergie, pour déterminer l'évolution spatiale et temporelle de la pression. Pour un disque 2 en silice et pour une énergie Q(O) comprise entre 6 et 80kJ/g environ, on obtient une courbe du genre de celle qui est représentée sur la figure 2, qui donne lesvariations de Pe(t) en fonction de t. Cette courbe comporte deux. pics inégaux dont le plus important référencé A, a une amplitude 8 Pm qui est au plus égale à 60.10 Pa environ et qui dépend fortement du flux F absorbe, ce pic prenant naissance vers la surface (profondeur nulle) du disque de silice 2. Le pic le plus faible réferencé B, dont L'amplitude est 8' voisine de 10 Pa, prend naissance dans la zone qui délimite la phase solide et la phase fondue du disque de silice. Son avance temporelle R sur le pic de plus grande amplitude dépend fortement du coefficient K. Par ailleurs, on peut retrouver expérimentalement la courbe représentée sur la figure 2 : l'enregistreur 30 (figure 1) permet d'obtenir un signal de tension V(t) qui peut être interprété tant que l'onde de contrainte résultant de l'impact du faisceau de particules n'a pas atteint la face arrière 16 du capteur à quartz 6. Or, dans ces conditions, on cornait la réponse piézoélectrique V(P) du capteur à quartz (variations de la tension V en fonction de la pression Pe) notamment par l'article de R.A. Graham publié dans JournaL of Applied Physics vol.46, n05, mai 1975 p.1901 à 1909. On peut donc obtenir expérimentalement les variations de Pe(t) en fonction de t en utilisant le dosimètre représenté sur la figure 1, pour un faisceau donné de particules. On obtient ainsi, pour un couple de paramètres F,K donné, une courbe comparable à celle de la figure 2, courbe qui permet de déterminer les paramètre Pm et R correspondants. On peut vérifier par des études expérimentales et théoriques, qu'il existe une correspondance biunivoque entre les couples de paramètres mesurables Pm,R et les couples de paramètres F,K. Pour tout couple K,F, K étant compris entre 10 et 25 2 2 cm /g et F étant compris entre 200 et 800 calories par cm 2 (c'est-å-dire entre 836 et 3344 J/cm ), on peut ainsi calculer le couple Pm,R correspondant et donc construire l'abaque représenté sur la figure 3, Pm étant exprimé en SPa et R en nanosecondes. Cet abaque permet de caractériser une source pulsée de particules, c'est-à-dire de déterminer Q(x) pour cette source. A cet effet, on utilise le dosimètre de la figure 1 et l'on expose la face 4 du disque 2 à un faisceau issu de la source pulsée. On enregistre V(t), ce qui permet de déterminer Pe(t) et donc les paramètres Pm et R correspondants. L'abaque de la figure 3 permet alors de connaStre le couple F,K associé au couple Pm, R obtenu et par conséquent Q(x) pour la source considérée, grâce à la formule (1). REVENDICATIONS 1. Dosimètre destiné à etre utilisé avec un faisceau pulsé de particules, caractérisé en ce qu'il comprend : - un bloc (2) d'un matériau dont une face est destinée à etre exposée au faisceau et dont l'épaisseur est suffisamment importante pour arrêter sensiblement tout le faisceau, et - un capteur de pression (6) qui est placé au contact de l'autre face du bloc (2) de matériau et prévu pour fournir, lorsque ladite face du bloc de matériau est exposée au faisceau, un signal électrique permettant la détermination des variations de l'énergie massique absorbée par le bloc de matériau, en fonction de la profondeur. 2. Dosimètre selon la revendication 1, caractérisé. en ce que le bloc (2) de matériau a la forme d'un cylindre dont le diamètre est au moins égal à environ quatre fo;-s l'épaisseur de ce cylindre. 3. Dosimètre selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que le capteur (6) est de type piézoélectrique. 4. Dosimètre selon la revendication 3, caractérisé en ce que le capteur (6) comprend un élément en quartz dont une face est en contact avec l'autre face du bloc (2) de matériau et qui est métallisé sur toute sa surface excepté sur une portion (10) de son autre face, cette portion formant un anneau de garde autour d'une zone (22) de l'autre face de ITélément et en ce que le signal est capté en cette zone (22). 5. Dosimètre selon L'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le matériau est de la silice. 6. Procédé de détermination des variations de L'énergie massique Q(x) absorbée par le bloc de silice du dosimètre selon la revendication 4, exposé à un faisceau pulsé de particules, en fonction de la profondeur x, L'énergie Q(x) étant écrite sous la forme KF exp(-KDx), D étant la masse volumique de la silice utilisée, et K et F deux paramètres dépendant du faisceau, Q(O) étant compris entre 6 et 80 kJ/g environ, procede caractérisé en ce que - l'on détermine à partir dudit signal, la courbe des variations de la pression en ladite autre face du bloc de silice en fonction du temps, cette courbe comportant un premier pic et un deuxième pic d'amplitude Pm supérieure à celle du premier pic, - on détermine Pm et l'intervalle temporel R séparant les pics, et - l'on détermine K et F à partir de Pm et R, au moyen d'une correspondance biunivoque préalablement établie entre les couples K,F et les couples Pm,R.