Brevet FR2676283A1 — publié le 19921113

La présente invention concerne une sonde à scin- tillations pour la mesure des taux d'irradiation par des rayons bêta En particulier, l'invention réduit au mini- mum les effets des particules de plus haute énergie, des rayons x et des rayons gamma sur la mesure. Le taux d'irradiation d'un tissu de la peau par des rayons bêta est défini par le Conseil National sur la Protection contre les Radiations comme le taux d'ir- radiation du tissu épithélial basal en couche mince situé à une profondeur moyenne de 7 mg/cm 2 ou,autrement, par la Commission Internationale sur la Protection Radiologique comme le taux d'irradiation du tissu de la peau se trouvant entre 5 mg/cm 2 et 10 mg/cm 2. On sait utiliser des scintillateurs minces recou- verts d'une fenêtre en MYLAR de Dupont recouverte d'alu- minium pour obtenir une structure équivalente à la peau afin de détecter les particules bêta Le scintillateur est couplé à un photomultiplicateur par un tube optique équivalent à un tissu Ce dispositif est décrit dans la publication faite par Martz et ai, Field Tests of a Portable Tissue Equivalent Survey Meter for Monitorinq Mixed Beta/Gamma Radiation Fields, dans Office of Nuclear Regulatory Research, Division of Radiation Programs and Earth Sciences, U S Nuclear Regulatory Commission, NUREG/CR-4553, EGG-2448, Mai 1986, introduite ici dans son intégralité à titre de référence. Malheureusement, le signal de sortie du photomulti- plicateur inclus dans ce dispositif connu comprend non seulement le taux d'irradiation de l'équivalent de la peau par les rayons bêta, mais également de la lumière de Cerenkov provenant des particules de plus haute énergie et des électrons produits directement dans la cathode du photomultiplicateur par les rayons x et les rayons gamma. Comme la lumière de Cerenkov et les rayons gamma et les rayons x composants présentent d'une manière caractéristique des impulsions de formes étroites, on peut utiliser un matériel électronique rapide sophis- tiqué pour supprimer électroniquement leur contribution. Ce matériel électronique augmente substantiellement la complexité et le coût du dispositif. La présente invention fournit une sonde à scintil- lations à particules bêta qui rejette directement dans la sonde les composantes de lumière de-Cerenkov,de rayons x et-de rayons gamma Celle-ci élimine la nécessité d'avoir des circuits de discrimination d'impulsions rapides compliqués et coûteux. La sonde contient une fenêtre opaque et un scin- tillateurcommuniquantavec la fenêtre La fenêtre et le scintillateur forment ensemble une structure équivalente 2 2 à la peau entre 5 mg/cm et 10 mg/cm Le scintillateur est agencé pour scintiller en présence de particules bêta à une longueur d'onde différente de celle de la composante de lumière de Cerenkov. La sonde contient également un tube optique com- muniquant avec le scintillateur Ce tube optique ache- mine la lumière du scintillateur à un filtre optique. Ce filtre est agencé pour bloquer la lumière à la lon- gueur d'onde de la composante de lumière de Cerenkov. Un moyen détecteur de lumière détecte la lumière filtrée par le filtre et fournit un signal électrique représentant le taux d'irradiation aux rayons bêta. Dans l'exemple de réalisation préféré, la fenêtre est formée à partir d'au moins une couche d'une membrane de polyester recouverte d'aluminium. Un exemple de réalisation met en oeuvre un scin- tillateur qui produit de la lumière verte en réponse aux particules bêta Par exemple, on peut utiliser un scin- tillateur de type BC-428 de Bicron Corporation ayant une épaisseur d'environ 0,051 mm Le filtre peut être, par exemple, un'filtre de type WRATTEN N 03 de Eastman Kodak Company, ou l'équivalent, ayant un point de coupure de 455 nanomètres. Un autre exemple de réalisation met en oeuvre un scintillateur qui produit de la lumière orange en réponse aux particules bêta Par exemple, on peut utiliser un scintillateur de type BC-430 de Bicron Corporation ayant une épaisseur d'environ 0,051 mm Le filtre peut être, par exemple, un filtre de type WRATTEN N 012 de Eastman Kodak Company, ou l'équivalent, ayant un point de coupure de 515 manomètres. Dans un exemple de réalisation, le tube optique est constitué d'une matière plastique transparente pour les scintillations des particules bêta provenant du scintillateur mais qui absorbe la lumière ultraviolette. Si on utilise un tube optique n'absorbant pas les rayons ultraviolets, on utilise un filtre supplémentaire entre le scintillateur et le tube optique. Quand on utilise un moyen détecteur de lumière tel qu'un tube photomultiplicateur, on rend le tube optique suffisamment long pour réduire la quantité de rayons gamma et de rayons x frappant la cathode du photomulti- plicateur à un niveau acceptable De plus, une partie du tube optique peut être constituée de verre à base de plomb pour absorber les rayons gamma et les rayons x. De plus, la sonde peut contenir un anneau opaque dontl'alé- sage contient coaxialement le scintillateur et le tube optique. Une partir de l'anneau peut être constituée de plomb pour protéger encore la sonde. D'autres caractéristiques et avantages de la pré- sente invention seront mis en évidence dans la descrip- tion suivante, donnée à titre d'exemple non limitatif, en référence aux dessins annexés dans lesquels: la Figure 1 est une vue latérale en élévation avec des parties en coupe d'une sonde selon l'invention; la Figure 2 est une vue en plan du bas de la sonde de la Figure 1; la Figure 3 est une vue en coupe fragmentaire à plus grande échelle prise d'après la Figure 1; la Figure 4 est une vue en coupe fragmentaire d'un autre exemple de réalisation d'une sonde selon l'invention; la Figure 5 est une vue en coupe fragmentaire d'encore un autre exemple de réalisation d'une sonde selon l'invention; et la Figure 6 est une vue en coupe fragmentaire d'encore un autre exemple de réalisation supplémentaire d'une sonde selon l'invention. Sur les Figures 1 à 3, on a représenté une sonde à scintillations à particules bêta 10 selon l'invention. Un tube photomultiplicateur 12 est monté dans un écran optique /logement 14 Le tube 12 est connecté à un dispositif électronique de mesure/d'alimentation non représenté par un connecteur de type BNC 16 Le tube 12 peut avoir, par exemple, un diamètre de 2,54-0,32 cm et une longueur de 10,16-0,63 cm Dans l'exemple de réa- lisation préféré, le tube 12 comprend un enroulement de deux tours de mu-métal protecteur. La face 18 du tube 12 comporte trois cales d'espa- cement également espacées 20 fixées d'une manière adhé- rente autour de sa circonférence Les cales d'espacement peuvent être, par exemple, en matière plastique d'épaisseur de 0,254 mm. Un scintillateur 22 est fixé d'une manière adhérente à une extrémité d'un tube optique 24 Le tube optique 24 et le scintillateur 22 ont, par exemple, une section transversale cylindrique de 1 cm 2 (par exemple, de 11,2827 mm de diamètre) On obtient ainsi une sonde ayant un grand angle de champ L'adhésif peut être un époxyde tel que le produit BC-620 de Bicron Corporation. Le tube optique peut être, par exemple, en matière plastique de méthacrylate de méthyle telle que du type LUCITE de Dupont Les rayons gamma et les rayons x péné- trant dans le tube optique sont atténués d'une quantité proportionnelle au carré de la distance parcourue On a trouvé qu'un tube optique 24 ayant une longueur approxi- mativement égale à 10,16 cm isolait d'une façon adé- quate le tube photomultiplicateur 12 des rayons gamma et des rayons x tout en fournissant une sonde de lon- gueur raisonnable Comme alternative, on peut utiliser un miroir/prisme optique sur le trajet de la lumière, les rayons gamma et les rayons x continuant à se pro- pager suivant une voie droite. La lumière de Cerenkov générée dans le tube optique 24 est principalement dans la gamme des rayons ultra- violets Pour faciliter l'élimination de la lumière de Cerenkov, on peut faire en sorte que le tube optique 24 absorbe la lumière dans l'ultraviolet. Pour différencier la lumière provenant du scintil- lateur 22 de la lumière de Cerenkov, on utilise un scin- tillateur 22 qui scintille à une longueur d'onde diffé- rente de celle de la lumière de Cerenkov Par exemple, on peut utiliser un scintillateur vert (par exemple,le scintillateur BC-428 de Bicron Corporation) ou un scin- tillateur orange (par exemple,le scintillateur BC-430 de Bicron Corporation). Par exemple, on peut peindre l'ensemble du tube optique 24 et du scintillateur 22 avec une peinture opaque à la lumière à l'exception de l'extrémité du tube optique 24 éloignée du scintillateur 22 Cette peinture peut être, par exemple, du type BC-620 de Bicron Cor- poration. Par exemple, on peut coller l'ensemble du tube optique 24 et du scintillateur 22 à l'intérieur d'un anneau en matière plastique opaque 26 ayant un diamètre intérieur en correspondance avec l'ensemble et un dia- mètre extérieur, par exemple, de 25,4-3,17 mm Le scin- tillateur 22 est au ras de la surface d'une extrémité de l'anneau 26 et l'extrémité non peinte du tube optique 24 est au ras de l'autre extrémité de l'anneau 26. L'anneau 26 peut être, par exemple, du type LUCITE noir de Dupont. L'anneau 26 assure une diffusion vers l'arrièe équivalente au tissu musculaire environnant, c'est-à- dire qu'il assure l'équilibre électronique nécessaire. Trois cales d'espacement également espacées 28 sont fixées d'une façon adhérente autour de la circon- férence de l'extrémité de l'anneau 26 la plus près du tube 12 De plus, trois cales d'espacement également espacées 30 sont fixées d'une façon adhérente autour de la circonférence de l'autre extrémité de l'anneau 26. Les cales d'espacement 28,30 peuvent être, par exemple, en matière plastique ayant une épaisseur de 0,254 mm. Un filtre 32 est placé entre les cales d'espacement et les cales d'espacement 28 Le filtre 32 peut être maintenu en place au moyen d'un adhésif tel qu'un caout- chouc siliceux Le filtre 32 est choisi pour qu'il filtre la lumière de Cerenkov tout en laissant passer la lumière provenant du scintillateur 22, par exemple, un filtre WRATTEN N 03 de Eastman Kodak Company pour un scintilla- teur BC-428 ou un filtre WRATTEN N 07 pour un scintilla- teur BC-430 En général, le filtre 32 doit au moins blo- quer la lumière dans le bleu et de longueurs d'onde in- férieures Le filtre 32 peut avoir, par exemple, un dia- mètre de 25,4-3,17 mm. Une fenêtre 34 est fixée d'une façon adhérente à un anneau de fenêtre 36 qui est à son tour fixé d'une façon adhérente à un chapeau d'extrémité 38 Le chapeau d'extrémité 38 contenant la fenêtre 34 et l'anneau de fenêtre 36 est fixé d'une façon adhérente à l'extrémité du logement 14 La fenêtre 34 est appuyée contre les cales d'espacement 30 Dans l'exemple de réalisation préféré, l'anneau de fenêtre 36 et le chapeau d'extré- mité 38 sont constitués d'une matière plastique. La fenêtre 34 peut être avantageusement constituée de cinq couches d'une membrane de polyester recouverte d'aluminium telle que de téréphtalate de polyéthylène (par exemple, le MYLAR de Dupont) Chaque couche de la membrane peut avoir,par exemple, un diamètre de 25,4- 3,17 mm et une épaisseur équivalente à une profondeur de 0,96 mg/cm 2 Le revêtement d'aluminium rend la fe- nêtre opaque à la lumière et assure une protection électrique. Pour former une structure équivalente à la peau, il faut que le scintillateur 22 et la fenêtre 34 aient une profondeur combinée comprise entre 5 mg/cm 2 et mg/cm Pour obtenir au moins l'équivalent d'une profondeur de 9 mg/cm 2, un scintillateur du type de produit BC-428 de Bicron Corporation devra avoir une épaisseur de 5 mg/cm 2 (par exemple, 0,051 mm) quand on l'utilise avec une fenêtre 34 constituée de 5 couches de MYLAR de 0,96 mg/cm En fonctionnement, les particules bêta traversent la fenêtre 34 et dégagent de l'énergie dans le scintil- lateur 22 Il résulte de l'énergie de ces particules présente dans le scintillateur 22 une émission de lu- mière à une longueur d'onde (par exemple, du vert) dif- férente de celle de toute lumière de Cerenkov (par exemple, du bleu à l'ultraviolet). La lumière du scintillateur traverse le tube optique 24 jusqu'au filtre 32 et traverse celui-ci La lumière du scintillateur pénètre ensuite par la face 18 dans le tube 12 o elle produit un signal électrique indicatif de la lumière ayant pénétré dans le tube 12. La lumière de Cerenkov produite dans le tube op- tique 24 par des particules de plus haute énergie et des photons est partiellement absorbée par la caracté- ristique d'absorption des rayons ultraviolets du tube optique 24 La lumière de Cerenkov restante est absorbée par le filtre 32 Les rayons gamma et les rayons x pénétrant dans le tube optique 24 sont atténués jusqu'à un niveau acceptable avant de frapper la cathode du tube 12 Le tube optique 24 sert à la fois à assurer une diffusion vers l'arrière équivalente à celle d'un tissu plus profond et à réduire au minimum la quantité du courant produit directement dans le tube 12 par les particules de plus haute énergie, les rayons gamma et les rayons x. Comme la lumière de Cerenkov est supprimée avant la détection faite par le tube 12 et le courant direc- tement produit par les rayons gamma et les rayons x est réduit au minimum, des circuits électroniques de dis- crimation d'impulsions ne sont pas nécessaires pour traiter le signal électrique provenant du tube 12 Au lieu de cela, le signal électrique de sortie du tube 12 fournit une mesure directe des particules bêta détectées. Par exemple, on peut mesurer le taux d'irradiation aux rayons bêta au moyen de la sonde 10 et du circuit du brevet des E U A NO 4 880 981, qui est cité ici dans son intégralité à titre de référence. Sur la Figure 4, on a représenté un autre exemple de réalisation d'une sonde à scintillations à particules bêta 10 ' selon l'invention. Le tube optique 24 '-est constitué d'une matière plastique n'absorbant pas les rayons ultraviolets, par exemple, de type LUCITE de Dupont sans additifs absor- bant les rayons ultraviolets. En plus du filtre 32, on place un autre filtre 40 (par exemple, le filtre WRATTEN n O 3 de Eastman Kodak Company) entre le scintillateur 22 et le tube optique 24. Le scintillateur 22 et le filtre 40 peuvent être fixés d'une façon adhérente entre eux et au tube optique 24. L'adhésif peut être un époxyde tel que de type BC-620 de Bicron Corporation. Sur la Figure 5, on a représenté un autre exemple de réalisation d'une sonde à scintillations à particules bêta 10 " selon l'invention La sonde 10 " est similaire à la sonde 10 des Figures 1-3, à l'exception de l'anneau en matière plastique opaque 26 ' qui est plus court (par exemple, 64,5161 mm) et du reste du tube optique 24 qui est en- touré par un anneau en métal 42, de préférence en plomb ou en alliage de plomb Cette constitution fournit la structure équivalente au tissu constituée de la fenêtre 34 et du scintillateur 22, la diffusion vers l'arrière comme un muscle de l'anneau plastique 26 ' et la pro- tection du tube optique 24 et du tube photomultiplica- teur 12 par l'anneau en métal 42 réduisant au minimum les effets des rayons x et des rayons gamma de haute énergie pénétrant dans la sonde 10 " transversalement vers l'axe du tube optique 24. Sur la Figure 6, on a représenté une sonde à scin- tillations à particules bêta 10 "'1 similaire à la sonde 10 " de la Figure 5 Dans la sonde 10 "', le tube optique est constitué d'une longueur de matière plastique absorbant les rayons ultraviolets 24 " (par exemple, de 64,5161 mm) couplée à une longueur de verre au plomb 44 (par exemple, 9,159 cm de Verre Optique Schott SF-1) Cette configu- ration réduit au minimum les effets directs sur le tube photomultiplicateur 12 des rayons gamma et des rayons x pénétrant axialement dans la sonde 10 "' Le verre au plomb 44 absorbe les rayons x et les rayons gamma non voulus tout en permettant à la lumière provenant du scintillateur 22 de se propager jusqu'au photomultipli- cateur 12. Il est évident que la description précédente a été faite à titre d'exemple et que différents changements peuvent être faits en ajoutant, en modifiant ou en éli- minant des détails sans sortir du cadre assez large de l'enseignement contenu dans cette description Par con- séquent, l'invention n'est pas limitée aux détails par- ticuliers de cette description mais par les revendica- tions suivantes qui en limitent nécessairement la portée. REVENDICATIONS 1 Sonde à scintillations à particules bêta qui rejette une composante de lumière de Cerenkov, ladite sonde étant caractérisée en ce qu'elle comprend: une fenêtre opaque à la lumière( 34); un scintillateur ( 22) communiquant avec ladite fenêtre ( 34), ladite fenêtre et ledit scintillateur for- mant ensemble une structure équivalente à la peau entre mg/cm 2 et 10 mg/cm 2 et ledit scintillateur étant agencé pour scintiller en présence de particules bêta à une longueur d'onde différente de celle de la compo- sante de lumière de Cerenkov; un tube optique ( 24; 24 '; 24 "') agencé pour fournir une voie optique pour la lumière provenant dudit scin- tillateur ( 22); au moins un filtre optique ( 32; 40) agencé pour bloquer la lumière à la longueur d'onde de la compo- sante de lumière de Cerenkov sur ladite voie optique; un moyen détecteur de lumière ( 12) sur ladite voie optique, ledit moyen détecteur fournissant un signal électrique représentatif des particules bêta pénétrant dans ladite fenêtre. 2 Sonde selon la revendication 1, caractérisée en ce que ladite fenêtre ( 34) comprend au moins une couche d'une membrane de polyester recouverte d'aluminium. 3 Sonde selon la revendication 1, caractérisée en ce que ledit scintillateur ( 22) produit de la lumière verte en réponse aux particules bêta. 4 Sonde selon la revendication 1, caractérisée en ce que ledit scintillateur ( 22) produit de la lumière orange en réponse aux particules bêta. Sonde selon la revendication 1, caractérisée en ce que ledit tube optique ( 24; 24; 241 ") est constitué d'une matière plastique qui est transparente pour les scintillations provenant du scintillateur ( 22) mais qui absorbe la lumière ultraviolette. 6 Sonde selon la revendication 1, caractérisée en ce que ledit tube optique ( 24; 24 '; 24 ") est constitué d'une partie en matière plastique qui est transparente pour les scintillations provenant du scintillateur ( 22) mais qui absorbe la lumière ultraviolette et d'une partie en verre au plomb ( 44). 7 Sonde selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle comprend en outre un anneau opaque ( 26; 26 ') comportant un alésage, ledit alésage contenant coaxiale- ment ledit scintillateur ( 22) et ledit tube optique ( 24; 24 '; 24 "). 8 Sonde selon la revendication 7, caractérisée en ce que ledit anneau opaque ( 26; 26 ') est constitué d'une partie en matière plastique et d'une partie en métal( 42). 9 Sonde selon la revendication 1, caractérisée en que ledit filtre ( 32) est placé entre ledit tube optique ( 24; 24 '; 24 ") et ledit moyen détecteur de lumière ( 12). Sonde selon la revendication 1, caractérisée en ce que ledit filtre ( 40) au moins est placé entre ledit scintillateur ( 22) et ledit tube optique( 24; 24 '; 24 "). 11 Sonde à scintillations à particules bêta qui rejette une composante de lumière de Cerenkov, ladite sonde étant caractérisée en ce qu'elle comprend: une fenêtre ( 34) constituée de plusieurs couches de polyester recouvert d'aluminium; un scintillateur vert ou orange ( 22) communiquant avec ladite fenêtre ( 34), ladite fenêtre et ledit scin- tillateur formant ensemble une structure équivalente à la peau entre 5 mg/cm 2 et 10 mg/cm 2; un tube optique absorbant la lumière ultraviolette ( 24; 24 '; 24 ") communiquant avec ledit scintillateur ( 22); un anneau en matière plastique opaque ( 26; 26 ') comportant un alésage, ledit alésage contenant coaxia- lement ledit scintillateur ( 22) et ledit tube optique ( 24; 24 '; 24 "); un filtre optique ( 32,40) communiquant avec ledit tube optique ( 24; 24 '; 24 "), ledit filtre étant agencé pour bloquer la lumière dans le bleu et aux plus cour- tes longueurs d'onde; et un tube photomultiplicateur ( 12) communiquant avec ledit filtre ( 32,40), ledit multiplicateur fournissant un signal électrique représentatif des particules bêta pénétrant dans ladite fenêtre ( 34). 12 Sonde à scintillations à particules bêta qui rejette une composante de lumière de Cerenkov, ladite sonde étant caractérisée en ce qu'elle comprend: une fenêtre ( 34) constituée de plusieurs couches de polyester recouvert d'aluminium; un scintillateur vert ou orange ( 22) communiquant avec ladite fenêtre ( 34), ladite fenêtre et ledit scin- tillateur formant ensemble une structure équivalente à la peau entre 5 mg/cm 2 et 10 mg/cm 2; un premier filtre optique ( 32) communiquant avec ledit scintillateur ( 22), ledit filtre étant agencé pour bloquer la lumière dans le bleu et aux plus courtes longueurs d'onde; un tube optique ( 24; 24 '; 24 ") communiquant avec le- dit premier filtre ( 32); un anneau en matière plastique opaque ( 26; 261) comportant un alésage, ledit alésage contenant coaxia- lement ledit scintillateur ( 22), ledit premier filtre ( 32) et ledit tube optique ( 24; 24 '; 24 "); un second filtre optique ( 40) communiquant avec ledit tube optique ( 24; 24 '; 24 "), ledit filtre étant agencé pour bloquer la lumière dans le bleu et aux plus courtes longueurs d'onde; et un tube photomultiplicateur ( 12) communiquant avec ledit second filtre ( 40), ledit tube photomultiplicateur fournissant un signal électrique représentatif des par- ticules bêta pénétrant dans ladite fenêtre ( 34). 13 Sonde à scintillations à particules bêta qui rejette une composante de lumière de Cerenkov, ladite sonde étant caractérisée en ce qu'elle comprend: une fenêtre ( 34) constituée de plusieurs couches de polyester recouvert d'aluminium; un scintillateur vert ou orange ( 22) communiquant avec ladite fenêtre ( 34), ladite fenêtre et ledit scin- tillateur formant ensemble une structure équivalente à la peau entre 5 mg/cm 2 e-t 10 mg/cm 2; un tube optique ( 24; 24 '; 24 ") absorbant la lumière ultraviolette qui communique avec ledit scintillateur( 22); un tube optique en verre au plomb ( 44) communiquant avec ledit tube optique absorbant la lumièreultraviolette; un anneau opaque ( 26; 26 ') comportant un alésage, ledit alésage contenant coaxialement ledit scintillateur ( 22) et lesdits tubes optiques ( 24; 24 '; 24 ",44), ledit anneau ( 26; 26 ') comportant une partie en matière plas- tique et une partie en métal ( 42); un filtre optique ( 32; 40) communiquant avec les- dits tubes optiques ( 24; 24 '; 24 ",44), ledit filtre étant agencé pour bloquer la lumière dans le bleu et aux plus courtes longueurs d'onde; et un tube photomultiplicateur ( 12) communiquant avec ledit filtre ( 32; 40), ledit photomultiplicateur four- nissant un signal électrique représentatif des parti- cules bêta pénétrant dans ladite fenêtre ( 34).